基于微压入技术的高聚物微尺度粘弹性行为研究及跨尺度分析

Time-dependent viscoelastic behavior is significant for the polymers that behave between the elastic solid and viscous fluid. With the extensive use of functionally graded materials and micro-scale engineering structures, the micro/nano-scale materials measurement method-instrumented indentation with the high resolution of indentation load and displacement has been used to investigate the viscoelastic properties. In this project, the micro-indentation is used to investigate the viscoelastic behavior of semi-crystalline polymer-polyamide 12(PA12). The creep response process and viscoelastic parameters during the holding stage under different loading conditions are analyzed using a viscoelastic mechanical model. The reliability analysis validation of test results is carried out through combining finite element analysis, macroscopic experiments, as well as strain-gradient theory. Furthermore, a phenomenological rheology model used to describe the indentation deformation will be built. The characteristic equation of the model will be derived for the quantitative analysis of characteristic constant, such as creep displacement and displacement rate, and the mechanism will be interpreted based on the high molecular theory. The study has an important realistic significance for the establishment of testing standard of viscoelastic behavior, expansion of viscoelastic theory at micro-scale of polymers, as well as the industrial manufacture.

高聚物具有显著的介于弹性固体和粘性流体之间的时间相关性粘弹性力学特征。随着功能梯度材料的应用、及小微尺度工程结构的需要，具有载荷和位移测试高分辨率的微/纳尺度材料力学性能测试方法—仪器化压入技术已被用以进行材料微尺度粘弹性测试。项目拟采用微/纳米压入技术研究高聚物PA12（Polyamide12）的微尺度粘弹性力学行为，通过一种粘弹性力学模型分析不同加载条件下压入保载段蠕变响应过程，得到材料的粘弹性参数，并通过与有限元分析与宏观实验的综合分析，结合应变梯度理论，对结果的可靠性进行分析论证。同时构建一种新的可定量描述压入过程的唯象流变学模型，推导其对应的特征方程，定量分析其蠕变位移速率和蠕变应变率等粘弹性特征常数，并以高分子链段运动角度分析其相应机理。研究对于建立高聚物微观粘弹性力学测试标准、丰富高分子微尺度粘弹性理论及工业生产等方面具有重要的现实意义。

随着功能梯度材料的应用、及小微尺度工程结构的需要，具有载荷和位移测试高分辨率的微/纳尺度材料力学性能测试方法已被用以进行材料微尺度粘弹性测试。本项目以半晶态高分子材料Polyamide 12（PA12）为典型对象，采用仪器化微/纳米压入测试系统对其进行原位测试，基于压入过程所得加载段、保载段和卸载段的测试结果，从细观角度系统研究了PA12的粘弹性力学行为。采用微压入载荷控制法和应变率控制法研究了加载速率及应变率对PA12加载过程载荷位移响应的影响，得到加载过程中加载指数m是与材料硬度相关的参数，m＜2表明压入时材料发生软化，而m＞2则表明发生硬化；恒载荷速率加载时特征应变率与载荷速率无关，而与加载指数成反比。基于弹性接触理论提出一种关于蠕变校正因子的弹性模量计算方法，经过校正后弹性模量值不再受卸载速率与保载时间的影响且计算过程明显简化。采用唯象流变学模型分析了压入蠕变段的粘弹性响应，阶跃预加载时不同载荷条件下所得蠕变柔量及延迟谱基本相同；斜坡预加载时，低速率预加载所得蠕变柔量增大，随着预加载速率降低，延迟谱峰强减弱且代表小分子运动的延迟峰消失；对于恒应变率预加载的蠕变响应，随着加载应变率减小，延迟峰峰强将显著减弱直至完全消失。基于二次力学单元构建了一种描述蠕变变形过程的唯象学粘弹性模型，该模型可有效预测几何自相似尖锐压头压入保载段蠕变响应的全过程，蠕变位移和蠕变位移速率均与保载载荷的平方根成正比，而蠕变应变率则与保载载荷无关。微压入试验所得蠕变柔量和延迟谱峰强低于宏观蠕变试验，同时微压入延迟谱上缺少代表大分子激活运动的延迟峰而宏观蠕变试验则缺少代表小分子激活运动的延迟峰。研究对于建立高聚物微观粘弹性力学测试标准、丰富高分子微尺度粘弹性理论及工业生产等方面具有重要的现实意义。