（固体力学专业论文）纳米无机粒子填充PA66Al层合板的界面粘弹断裂研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 尼龙( p a ) 6 6 a 1 双层铝塑复合板是近年研发的新型建材，该材料虽具有耐 磨、耐酸碱和耐老化等优点，但由于酰胺极性基团的存在，聚合物易吸水变形， 其应用受到极大的限制。而纳米颗粒因具独特的小尺寸效应、表面与界面效应和 宏观量子隧道效应使其能对聚酰胺进行分子改性，从而改变热塑性聚合物p a 6 6 的粘弹力学行为和熔融粘接性能，为此采用无机纳米粒子填充p a 6 6 获得力学性 能优良、尺寸稳定性佳的铝塑复合材料是当今建材领域的研究热点之一。为了分 析纳米粒子的粒径、形态和化学组分对p a 6 6 a i 界面抗裂性能的影响，本文提出 了一种双层粘弹材料界面粘弹断裂特性的半解析、半数值方法，主要工作与结果 如下： 1 从裂纹体热力学平衡方程出发，利用弹性粘弹性对应原理和l a p l a c e 变 换，给出了准静态双材料双悬臂梁( d m d c b ) 的应变能释放率( g ) 的通用表达式。 2 采用工程中常用的两种线粘弹性模型分别对上述应变能释放率的一般解 析表达式进行求解。当粘弹性材料满足三参量固体模型时，可以得到能量释放率 的显式表达式；当粘弹性材料满足广义m a x w e l l 模型时，利用f t ( f i x e dt a l b o t ) 方法可以得到能量释放率的数值解，即仅需要对粘弹性材料进行简单的一维蠕变 试验就可以预测含界面裂纹的双材料双悬臂梁结构的粘弹断裂特性。 3 利用a n s y s 软件，应用虚拟裂纹闭合技术( c v v c ) 和g r i f f i t h 势能法对得 出的解析表达式和数值解进行了验证，结果具有很好的一致性。 4 根据d m d c b 能量释放率的半解析半数值分析方法，定量评价了纳米二 氧化硅( s i 0 2 ) 和纳米二氧化钛( ，n 0 2 ) 填充改性p a 6 6 与铝合金热压层合而成的铝塑 板的界面粘弹断裂性能。研究表明：无机粒子的填充增强了p v a l 铝塑板的层 间抗裂能力，并且强化效果随着填充颗粒直径的减小而明显增大；非反应型表 面处理剂将削弱填充p a 6 6 a i 复合板层间的抗裂性能：插层型粘土对p a 6 6 a 1 复合板层问的裂纹扩展力的改善能力优于微米面0 2 ，但低于2 1 r i m 的n 0 2 。 关键词：纳米颗粒尼龙6 6 粘弹性界面断裂能量释放率 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p a 6 6 a 1c o m p o s i t cl a m i n a t e si s d e v e l o p i n ga san e wk i n do f a r c h i t e c t u r a lm a t e r i a l ，d u et oi t s o u t s t a n d i n gp r o p e r t i e ss u c ha sw e a r - r e s i s t a n c e ， a c i d a l k a l i r e s i s t a n c ea n d a g i n g - r e s i s t a n c e h o w e v e r , r e l a t i v e l yp o o rc r e e pr e s i s t a n c e a n dd i m e n s i o n a ls t a b i l i t yo fp o l y a m i d ew i t hp o l a rg r o u p sa r eg e n e r a l l yad e f i c i e n c y , i m p a i r i n gt h es e r v i c ed u r a b i l i t ya n ds a f e t y , w h i c hi sab i gb a r r i e rf o rt h e i rf b r t h e r e x p a n s i o no f a p p l i c a t i o n s b e c a u s en a n o p a r t i e l e sp o s s e s sm a n ys p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha si n t e r f a c i a l e f f e c t s ，s i z ee f f e c t s ，a n dm a c r o q u a n t u mt u n n e le f f e c t s ，v i s c o e l a s t i cm e c h a n i c a l b e h a v i o ra n dm e l t i n gb o n d i n gp r o p e r t i e so fp o l y m e r n a n o c o m p o s i t e sm a yb e e n h a n c e d ，i n c o r p o r a t i n gi n o r g a n i cn a n o p a r t i c l e si n t oap o l y a m i d em a t r i xh a sb e e na e x t e n s i v e l ym e t h o df o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c e so fa l u m i n u m - p l a s t i cc o m p o s i t e s i na r c h i t e c t u r a lm a t e r i a li n d u s t r y i no r d e rt oi n v e s t i g a t ee f f e c t so fd i a m e t e r , m o r p h o l o g ya n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o n o fp a r t i c l e so nt h ei n t e r f a c ev i s c o e l a s t i cf r a c t u r ep e r f o r m a n c eo fa i p a 6 6f i l l e dw i t l l n a n o p a r t i e l e sl a m i n a t e s ，an o w s e m i - a n a l y t i c a la n dn u m e r i c a lm e t h o dh a sb e e n p r o p o s e d t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ag e n e r a la n a l y t i c a ls o l u t i o nf o re n e r g yr e l e a s er a t eo fv i s c o e l a s t i cd o u b l e m a t e r i a l sd o u b l ec a n t i l e v e rb e a m ( d m - d c b ) h a sb e e nd e r i v e df r o mt h ee n e r g yb a l a n c e e q u a t i o n , e l a s t i c - v i s c o e l a s t i cc o r r e s p o n d e n c ep r i n c i p l ea n dl a p l a c et r a n s f o r m a t i o ni n q u a s i s t a t i cp r o c e s s 2 b a s e du p o nt w ol i n e a rv i s c o e l a s t i cm o d e lc o m m o n l yu s e di ne n g i n e e r i n g , t h e a n a l y t i c a la n dn u m e r i c a ls o l u t i o nf o re n e r g yr e l e a s er a t ego fd m d c bh a v eb e e n s t u d i e da sf o l l o w s t h ee x p l i c i te x p r e s s i o no f gc a nb eo b t a i n e db a s e do nt h es t a n d a r d l i n e a rv i s c o e l a s t i cm a t e r i a lm o d e l ，a n dt h en u m e r i c a ls o l u t i o no fg m a yb ee v a l u a t e d b a s e do nt h eg e n e r a lm a x w e l lm o d e lb ym e a n so f 叙e d t a l b o t ( f dm e t h o d t h a ti s t os a y , t h ei n t e r f a c ev i s c o e l a s t i c 矗鼍c | 【i l f eb e h a v i o ro fd m d c bi sa b l et ob ep r e d i c t e d t h r o u g has i m p l eo n e - d i m e n s i o n a lc r e e pt e s t h 上海大学硕士学位论文 3 t h ea n a l y t i e a ls o l u t i o nf o re n e r g yr e l e a s er a t eo fv i s c o e l a s t i cd m - d c bh a s b e e nv a l i d a t e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) u s i n gt h ev i r t u a lc r a c kc l o s u r e t e c h n i q u e ( v c c t ) e n dg r i f f i t hp o t e n t i a le n e r g ym e t h o d 4 a c c o r d i n gt oa b o v es e m i - e n a l 如c a la n dn u m e r i c a lm e t h o df o rc a l c u l a t i n g e n e r g yr e l e a s er a t eo fd m - d c b ，t h ei n t e r l a m i n a rv i s c o e l a s t i cf r a c t u r eb e h a v i o ro f a 1 p a 6 6f i l l e dw i t hs i 0 2o rt i 0 2n a n o p a r t i c l e sl a m i n a t e sh a sb e e ni n v e s t i g a t e d n u m e r i c a le v a l u a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h ec r a c kr e s i s t a n c ea b i l i t yo fa l p a 6 6f i l l e d w i t hn a n o p a r t i c l e sl a m i n a t e si sr e m a r k a b l yi m p r o v e d ，a n di n c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s e o fn a n o p a r t i e l es i z e n o n - r e a c t i v e 蝴l r f a c em o d i f i c a t i o n sf o rn a n o f i l l e r sm a yi m p a i r t h ec r a c kr e s i s t a n c ea b i l i t yo ft h ea l p a 6 6n a n o c o m p o s i t e sl a m i n a t e s a m o n gt h e t h r e et y p e so fi n o r g a n i cf i l l e r s ，2 1 u r n - t i 0 2b e h a v e st h eb e s tr e i n f o r c i n ge f f e c t i v e n e s s f o r t h ec r a c kr e s i s t a n c ea b i l i t yo fa l u m i n u m - p l a s t i cc o m p o s i t e s ，e n dn a n o c l a yi sm o r e e f f i c i e n tt h a n3 0 0 n m t i 0 2 k e y w o r d s ：n a n o p a r t i c l e s ，p a 6 6 ，v i s c o e l a s t i c ，i n t e r f a c ef r a c t u r e ，e n e r g yr e l e a s e r a t e h i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：专体 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：妒导 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 以低密度聚乙烯( l d p e ) 为芯材的铝塑复合板是上世纪7 0 年代源于德国的 新型建筑材料，自9 0 年代初进入我国以来，在建筑幕墙行业内得到了广泛的应 用川【2 】。目前我国已是世界上最大的铝塑复合板生产和应用的国家，全国约有 1 3 0 1 5 0 家生产厂，复合生产线约2 0 0 - 2 5 0 条，总生产能力为2 亿平方米左右， 产品以b 2 级( 可燃性) 为主3 】【4 】。为满足高层建筑的防火安全性能要求，国内 建材界近5 年致力于铝塑板专用阻燃高聚物的研究开发。由于聚酰胺( p a ) 6 6 较聚乙烯具有更高的强度、熔点、耐候和阻燃性能，而热膨胀系数、力学性能指 标与铝合金相当，采用p a 6 6 作为芯材是难燃级、不燃级铝塑复合板较佳解决方 案之一。 聚酰胺树脂( p a ) 俗称尼龙( n y l o n ) ，是五大工程塑料( 聚酰胺、聚碳酸酯、聚 甲醛、聚苯醚和热塑性聚酯) 中用途最广，产量最大的品种【5 】。目前世界上p a 的改性产品有上千种之多，但是其基础品类主要有p a 6 6 、p a 6 、p a l l 、p a l 2 、 p a 6 1 0 、p a l 0 1 0 和p a 4 6 等十多个品种。其中p a 6 、p a 6 6 是聚酰胺家族中最重 要的成员，其产量与消耗量约占聚酰胺产量的9 0 t 6 】【7 l 。p a 6 6 不仅弹性优良、耐 磨、强度高、熔点高、摩擦系数小、自润滑性好、耐冲击、延伸率高，而且易于 加工、生产成本低，因此在机械、电器、建筑和汽车等行业获得了极为广泛的应 用。由于酰胺极性基团的存在，纯p a 6 6 也存在吸水性大，断裂韧性低，吸水后 尺寸不稳定等明显缺点。高韧、高尺寸稳定性的p a 改性聚合物的制备及其机制 的探讨是相关领域多年来的研究热点。 纤维增强、无机微米级粒子填充和合金化是改性p a 高聚物的常用手段，其 中无机刚性粒子因能改善聚合物的力学性能、加工性能、耐热性能和降低成本而 备受关注，成为制备兼具高刚性和高韧性聚合物复合材料的有效途径之一。但微 米级粒子的粒径大，比表面积小，其表面的非配对原子少，表面活性低，与聚合 物基体发生物理作用和化学作用的可能性小，界面粘接性差，一旦基体产生缺陷， 易造成应力集中，从而导致聚合物增强增韧效果不明显，甚至强度和韧性下降【剐， 需加入高达2 0 以上的含量方可获得较好的增韧效果唧。而高含量无机粒子填充 上海大学硕士学位论文 的缺点是聚合物密度明显增大，复合材料的比强度、比刚度和比模量等力学性能 降低，同时使其加工性能恶化。由于纳米粒子具有较大的表面积，尺寸小，表面 能高，位于表面的原子占有相当大的比例。表面原子束的增多，使表面原子具有 很高的活性，能与某些大分子发生键合作用，提高了分子间键合力，因此，无机 纳米粒子填充的聚合物可获得既增强又增韧的双重改性。研究表明【l o 】：纳米队 复合材料与纯p a 相比具有高强度、高模量、高耐热性、低吸湿性、高尺寸稳定 性，并具有良好的加工性能；与普通玻璃纤维和矿物增强p a 相比，具有密度小、 耐磨性好、相同无机物含量条件下综合性能明显优于后者等优点【1 l 】。 1 1 双材料板界面断裂研究现状 铝塑板是由镀膜铝材与热塑性聚合物层压而成的复合结构，是一类典型的由两 种不同材料性质的介质沿界面组成一体的双材料板。由于界面形成过程中会不同 程度的留有连续的工艺性缺陷，使其成为潜在的断裂源，即铝塑之间的界面往往 成为p a a 1 复合板失效的典型形式。目前，分析双材料界面断裂主要有三种方法， 即解析法、有限元法( 或边界元法) 和试验的方法。 1 1 1 解析法 裂纹尖端奇异场的研究是建立界面断裂准则的基础，只有对界面裂纹尖端场 的分布有清楚地认识才能深入地揭示界面破坏的原因，进而找到防止界面破坏的 方法 1 2 1 。郑百林掣”1 针对反平面界面段进行了研究，讨论了界面短奇异指数随 角度的交化规律。研究结果表明，从平角界面端变为界面裂纹，奇异指数从0 变为0 5 。文中针对各种不同角度的对称界面端，统一定义了应力强度因子，并 给出了界面端附近的位移和应力场。l c i s c 【1 4 】提出了一种在反平面剪切条件下均 匀各向同性弹性双材料界面裂纹加速扩展问题的通用解决方法，得到了裂纹面拉 力的应力强度因子，裂纹面位移以及裂纹前端的应力的解析表达式，这些表达式 均与时间相关。唐立强等【1 习对弹性粘弹性材料型界面裂纹进行了研究， 建立了界面裂纹动态扩展的力学模型，求得了裂尖应力、应变和位移场分离变量 形式的渐进解及其数值结果。研究发现，在蠕变变形第二阶段，弹性交形和粘性 变形同时在裂尖场中占主导地位。通过数值计算表明，裂尖场受粘弹材料的粘性 2 上海大学硕士学位论文 指数影响较大。b o n i f a c e 等【1 5 】研究了远端受到载荷作用情况下无限大横向各向同 性双材料系统界面断裂的问题，得到了复合应力强度因子的解析表达式。国内外 有很多学者运用解析方法对含有压电材料的双材料界面开裂问题进行了研究。 g o v o r u k h a 等【1 6 1 对受到电流和远端混合形式载荷作用下两个半无限大压电区域 间的界面裂纹进行了研究，得到了应力、电位移以及应力电位移应力强度因子的 解析表达式。l i 等【1 7 1 研究了在电磁场作用下，双压电材料界面i i i 型裂纹的开裂 问题，得到了裂纹尖端应力场和裂纹张开位移的显式表达式，进而又得出应力强 度因子和能量释放率的值。结果表明，在通常条件下电载荷和磁载荷对界面裂纹 的扩展起阻碍作用，其中磁载荷对i i i 型裂纹扩展作用显著。n i s h i o k a 等【”】对在 冲击载荷作用下的各向异性压电双材料系统界面裂纹尖端场进行了研究。作者首 先通过渐进方法，将控制方程简化成一系列相互耦合的偏微分方程，然后通过 r i c m a n n - h i l b e r t 方程得到了更高阶的裂纹尖端瞬态渐进场，阐明了p z t 和p z t 4 双压电陶瓷材料的压电效应对应力强度因子和电位移因子的影响。t i a n 等【1 9 】以 c u p z t 珥为例讨论了金属压电双材料界面裂纹相互作用的问题。利用虚拟力一 电一位移方法( p s e u d o t r a c t i o n - e l e c t r i c d i s p l a c 埘n e n tm e t h o d ) 将裂纹的相互作用 问题简化成为一组积分方程。然后利用数值方法解方程组，得到了应力强度因子、 电位移强度因子和应变能释放率。 近年来，在断裂力学中发展了一种由边界积分方程演化而来的奇异积分方程 方法。2 0 世纪8 0 年代i o a k i m i d i s t 2 0 】首先将超奇异积分方法引入到断裂力学中。 奇异积分方法通过分析边界与载荷条件，将问题归结为求解奇异积分方程，然后 采用解析与数值离散相结合的方法求解问题【2 ”。这种方法的优点是解析性比较 强，能够求解应力强度因子和其它断裂参数。肖万伸等f 2 2 】利用傅立叶正、余弦 变换及逐段定积分变换方法将边值问题的方程化为奇异积分方程组，研究了i 型 弹塑性界面裂纹问题，得到了裂纹尖端塑性区尺寸及裂纹尖端张开位移，并且给 出了应变能释放率算式。结果表明，裂纹尖端塑性区尺寸和裂纹尖端张开位移仅 与两种材料的较小屈服极限有关，随着较小屈服极限的增大，裂纹尖端塑性区尺 寸和裂纹尖端张开位移在减小。杜云海等【2 3 1 利用双材料平面问题的弹性力学基 本解，应用互等功定律和坐标变换，得到双材料平面任意斜裂纹问题位移场及应 力分量表达式，经代入裂纹岸应力边界条件，获得以裂纹岸位移间断作为基本未 3 上海大学硕士学位论文 知量的超奇异积分方程组。通过适当的积分变换，建立该问题的相应数值算法， 并且将裂纹垂直或平行于双材料界面的情况作为特例，用其计算结果与已有结果 进行比较，得到了很好的一致性。t i a n 等【2 4 】研究了压电双材料系统的硬币形界 面裂纹。基于h a n k e l 积分变换计算了界面裂纹的混合边值问题。随后，将此问 题转换成一系列的奇异积分方程。利用j a c o b i 和c h e b y s h e v 多项式将奇异积分方 程简化成代数方程，从而得到了裂纹尖端应力强度因子和电位移强度因子的表达 式。c h u e 等【2 习对含有界面裂纹的双材料压电楔在反平面集中载荷和平面内表面 电荷作用下进行了电一弹性分析。利用m e u i n 变换和奇异积分方程，得到了裂 纹尖端处应力、应变、电位移和电场强度因子的解析表达式。从而可以确定界面 裂纹的断裂行为。 但是，由于工程实际中的问题相当复杂，利用解析方法进行求解相当困难。 随着计算机科学的飞速发展，数值解法也取得了重要进展。在数值解法中，目前 应用最为广泛的是有限元法和边界元法。 1 1 2 有限元法和边界元法 有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个且按一定方式 互相连接在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单 元本身又可以有不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限单元 法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数 来分片的表示全求解域上待求的未知函数。单元内的近似函数通常由未知场函数 及其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表示。这样，在一个问题的有 限元分析中，未知场函数及其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量( 也即 自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。如果 单元是满足收敛的，近似解也将收敛于精确解。由于具有通用性和有效性的 特点，有限元方法日益受到国内外材料界面断裂研究学者的高度重视。如米红林 等【2 7 1 建立了金瓷修复体双材料界面裂纹扩展的有限元计算模型，首先计算得到 了平面应力条件下裂纹尖端位移场，求出裂尖附近复应力强度因子主导区域内对 应点的相对位移；然后利用传统计算方法得到衡量双材料抵抗断裂能力的复应力 强度因子，并利用双材料界面断裂有关理论和基本公式，求得相关的断裂力学参 4 上海大学硕士学位论文 量；最后，对计算结果进行了实验验证。分析表明，金瓷层厚比对金瓷裂纹开裂 具有很大的影响。y a n g 掣2 3 】利用有限元和试验方法，对岩石混凝土双材料界面 断裂准则进行了研究，该理论可以应用到大坝和基础界面的断裂分析中。j i a n g 掣冽使用爆炸的方法制成了铝合金l y l 2 纯铝以及铝合金l y l 2 钢两种双材料， 并使用三点弯试件利用试验和有限元法对两种双材料的界面裂纹进行了研究。结 果表明，双材料界面断裂阻力小于双材料中任意一种单一材料的抗断裂阻力。 s h i n 掣刈基于a 1 p m m a 双材料试件的三点弯冲击载荷试验结果，利用有限元 分析软件a b a q u s ，采用域积分方法和相互作用能量方法对双材料界面裂纹的 j 积分、应力强度因子和裂纹张开位移( c o d ) 进行了计算。牛鑫瑞等【3 l 】以黄铜 和钢焊接而成的双材料为例，利用a b a q u s 有限元程序，对界面尤其是界面端 部附近的应力分布情况进行了二维和三维数值研究，得到了不同界面层厚度及界 面层内不同功能梯度变化规律对界面附近应力的影响。为了模拟界面的热致失效 问题，作者在界面上引入了承受剪切和拉压的两种非线性弹簧单元。研究表明， 界面层的厚度对最大应力影响明显而对界面层内功能梯度变化影响较小；剪切破 坏是热载作用下的重要破坏形式。k a t s a r e a s 掣3 2 】使用有限元分析方法和能量释 放率参量，对包含界面裂纹的金属基底和陶瓷薄层构成的双层材料突然遇冷后， 双层材料结构的失配问题进行了研究。数值计算表明，两材料热传导和热膨胀系 数的差异在很大程度上影响了能量释放率的峰值，然而两材料杨氏模量的差异对 能量释放率的峰值几乎没有影响。s a n t h a n a m ”】提出了一种各向同性弹性双材料 平面断裂的应力强度因子的数值计算方法。该方法的思路为：首先，在两材料界 面处人为的加入一个弹性层，利用有限元方法中的虚拟裂纹闭合技术计算裂纹在 此层中开裂时的应力强度因子；然后，通过渐进方法将含有弹性层的问题的解转 化成不含弹性层的问题，即两材料界面断裂问题，从而得到两材料界面断裂的应 力强度因子。i k e d a 掣蚓利用有限元方法提出了一种计算各向异性不同材料间界 面应力强度因子的新方法。这种方法可以使用相对粗糙的网格划分而得到比较精 确的应力强度因子。 同有限元法相似，边界元法也是当今工程分析中获得最广泛应用的数值计算 方法之一。边界积分方程一边界元法是在有限元之后发展起来的工程数值分析方 法【翊。它的最大特点就是降维，只以边界未知量作为基本未知量，域内未知量 上海大学硕士学位论文 可以仅在需要时根据边界未知量求出。在弹性问题中，由于边界元法的解精确满 足域内的偏微分方程，因此它相对于有限元解具有较高的精度。同时在一些领域， 如线弹性体的应力集中问题，应力具有奇异性的弹性裂纹问题，考虑脆性材料中 的裂纹扩展的结构软化分析，局部屈服的弹塑性问题等，边界元法比有限元法更 为有效。边界元法的另一重要优点就是便于模化复杂的边界形状，这样就可以大 大减少数据准备工作量，为此，边界元方法成为双材料界面断裂问题研究的重要 数值手段之一。如张明等【3 6 1 基于双材料界面裂纹尖端附近的应力和位移场的数 值结果，采用双材料基本解建立边界元法基本方程，设置面力奇异四分之一点裂 尖单元以提高计算精度。为了避开裂尖场的振荡奇异性，利用数值外插法得到应 力强度因子。刘向征等1 3 刀对双材料界面边缘裂纹进行了研究，采用子域边界元 法，对两种材料边界进行单元划分，利用在结合面上两种材料的面力和位移的关 系，得到边界上的所有未知分量，进而得到裂尖附近的位移场和应力场。l e i 等 【3 8 】利用混合时间域边界元法和多区域技术研究了二维双材料界面动态裂纹传播 和拐折的动态过程，并利用相关的试验结果对其有效性进行了验证。o r t i z 等【3 9 】 提出了一种三维双材料界面裂纹的多域边界元数值计算方法。通过相互积分解 偶，利用能量域积分( e d i ) 方法得到了混合模式三维裂纹前端应力强度因子。l i e w 等【删利用边界元方法对三维横向各向同性双材料界面裂纹附近的应力分布状况 进行了研究。在两相材料的建模时使用了边界积分公式，且研究了裂纹的形状和 位置对应力分布的影响。 由于界面断裂本身的复杂性，界面断裂问题的理论研究和数值模拟都是基于 不同的假设和力学模型而提出的，不同的假设和模型所得出的结果往往存在着一 定的差异，这样有效的试验验证就不可缺少。 1 1 3 试验方法 双材料界面断裂的试验研究方法主要是光弹性方法，包括云纹干涉法和数字 散斑相关法。云纹干涉法是近二十年来发展起来的一种光测力学新方法，其基本 原理如下【4 1 】：制备在试件表面的高频光栅随试件的变形而变形，当两束准直光 以不同的角度照明试件栅，由光栅产生的衍射波相互干涉，得到含有物体( 试件) 表面位移信息的干涉图，从而得到物体表面的位移场。张庆华等4 2 】利用云纹干 6 上海大学硕士学位论文 涉法，对铜钢焊接( 氩弧对接焊) 试件在常温三点弯曲载荷作用下的界面裂纹尖 端位移场进行测量，得到了裂尖附近较大范围的云纹干涉条纹图：然后，利用数 字图像处理系统，对采集到的干涉云纹场进行处理，并对所得结果进行了分析。 方如华掣4 1 】利用云纹干涉法和云纹干涉有限元混合法，对瓷修复体的模拟 双材料模型界面断裂问题进行了实验研究。双材料试件是由两种弹性模量的环氧 树脂材料粘结制成的矩形截面梁。作者用云纹干涉和数字错位云纹干涉法测量带 边裂纹的双材料四点简支梁在剪切作用下界面表面的剪应变分布及界面两侧局 部表面的位移场。证明了用界面应力强度因子来描述界面端部区域应力分布的公 式，并得到了双材料界面端部区域的应力应变分布情况。z u c c a r e l l o 等【4 3 】利用光 弹性试验的方法，得到了a 1 p s m 1 双材料试件界面和双材料节点自由边附近奇 异应力区域处的应力强度因子，并将试验结果用边界元方法进行验证。利用光弹 性方法不但可以研究双材料界面静态断裂的问题，也可以研究界面动态断裂的问 题。s h u l d a 等【4 4 荆用光弹性方法研究了各向同性和正交各向异性材料静态和动 态界面断裂的问题。双材料由p s m - 1 和s c o t c h p l y l 0 0 2 ( 单向玻璃纤维增强环氧 树脂复合材料，其中纤维有0 度和9 0 度两种取向) 两种材料构成。静态裂纹断 裂试验状况如下：首先，对含有裂纹的双材料试件施加静态载荷，使用数字照相 机记录试验结果，然后利用等差线得到了裂纹长度与复合应力强度因子的关系， 最后使用边界配置方法对结果进行了验证。在界面动态断裂的研究中，作者使用 高速数字相机对单边缺口试件进行了动态界面断裂的观测，并且使用渐进应力域 方程和等差线得到了复合应力强度因子和能量释放率。y i l a n 等【4 5 】使用高灵敏度 的云纹干涉技术对双材料节点在混合载荷模式条件下材料界面裂纹尖端附近位 移场进行了研究。研究表明，垂直于裂纹面的拉应力所引起的裂纹尖端位移场和 平行于裂纹面而垂直于裂纹前缘的剪应力所引起的裂纹尖端位移场是不耦合的。 l e e 掣删使用光弹性试验的方法对各向同性正交各向异性双材料在受到远场拉 伸载荷的作用下的静态和动态界面裂纹扩展进行了研究。静态断裂力学参数可以 从全场等差线得到，并且将其结果与边界配置方法得到的结果进行了比较。在动 态光弹性试验中，使用高速数字照相机得到了等差线，并利用等差线对界面裂纹 的扩展情况进行了分析。 数字散斑相关法的基本原理是【4 7 】：采集变形前后物体表面的两幅图像，根 7 上海大学硕士学位论文 据物体表面随机分布的散斑点( 人工喷漆或材料表面自然纹理) 在变形前后的概 率统计相关性来确定物体表面的位移和应变，实现物体变形场的测量。所得到的 数字图像，可以在空间域中处理，也可以在频率域中处理。频域数字散斑相关法 的基本思路是【鹕】：首先对变形后的散斑图作一次f f t ( 快速傅利叶变换) 变换， 然后从变形前散斑图中选取一样本散斑子区来制作匹配滤波器，在对变形后散斑 图的f f t 变换结果作匹配滤波后的输出平面上可得到一个相关亮点，通过相关 点位置就可识别目标子区位置，它与原样本散斑子区坐标之差也就是要求的散斑 位移，由此获得物体的变形信息。如果在频率域中处理图像，那么对频率域相关 点作锐化处理可以使相关点更加尖锐，便于相关点的准确定位，从而使测量有较 高的精度。另外，在频率域处理图像还可以避免空间域中处理图像搜索重复而运 算量大，运算时间长的缺点，从而使得在频率域中处理图像变得更具优势。陈金 龙等【4 9 】建立一套具有非接触、高精度和全场实时观测等特点的测试系统，用统 计光学原理分析了错位散斑条纹的形成机理，借助错位散斑技术、相移技术等手 段对双材料界面的粘接状况进行了研究，并作定量分析与处理，实现了双材料界 面粘接质量的定量无损检测。周灿林等【4 8 】对铜、钢双材料界面裂纹试件进行了 研究，提出了频率域数字散斑相关法。该方法将数字散斑相关方法与显微放大技 术相结合，在频率域中利用物体变形前后散斑图对应子区域的相关搜索来测量物 体的变形位移。该方法的优点是避免了相关识别中的反复搜索，提高了信息提取 速度，具有更高的定位精度和测量精度。 综上所述，解析法、数值方法( 有限元法和边界元法) 和试验方法作为解决 双材料界面断裂问题的三大手段，共同推动着双材料界面断裂问题的研究。 1 2 本课题的意义及主要研究内容 基于p a 6 6 是一类典型的粘弹材料，与弹塑性材料不同，粘弹性材料的破坏有 很强的时间效应。这使得粘弹性材料裂纹体的延迟失稳成为妨碍粘弹性材料广泛应 用的重要原因之一。纳米颗粒因具独特的小尺寸效应、表面与界面效应和宏观量子 隧道效应使其能对聚酰胺进行分子改性，从而改变热塑性聚合物p a 6 6 的粘弹力学 行为和熔融粘接性能，因此，系统分析填充颗粒的粒径、形态、表面活性和化学组 分对铝塑层间粘弹断裂特性的影响，是纳米改性p a 6 6 a 1 新型复合材料安全在役的 上海大学硕士学位论文 基础。而国内外已有双材料界面断裂问题关注的重点在于非粘弹性材料间界面断 裂参量的研究，无法为上述新型铝塑复合板的层间粘弹断裂分析提供解决方案， 为此，本文拟开展如下研究工作： ( 1 ) 从裂纹体热力学平衡方程出发，利用弹性一粘弹性对应原理和l a p l a c e 变换，推导准静态双材料双悬臂梁( d m d c b ) 的应变能释放率( g ) 的通用表达式， 并针对三参量固体模型和广义m a x w e l l 本构方程描述的两类典型线性粘弹材料， 进一步探讨g 的具体定量方法： ( 2 ) 基于a n s y s 有限元软件的应力分析，根据g r i f f i t h 势能法和虚拟裂纹闭 合技术( v c c t ) 获得上述两类典型粘弹材料d m d c b 的能量释放率的数值解，并 与相应的解析解进行比较，以验证( 1 ) 导出的d m d c b 的能量释放率解析解的精 度； ( 3 ) 根据d m d c b 能量释放率的半解析半数值分析方法，定量评价纳米二 氧化硅( s i 0 2 ) 和纳米二氧化钛( t i 0 2 ) 填充改性p a 6 6 与铝合金热压层合而成的铝塑 板的界面粘弹断裂性能，分别考查填料的粒径、形态、表面活性和化学组分对板 材界面裂纹扩展力的影响，且与无纳米填充的板材进行比较。为p a 6 6 a l 新型铝 塑建材的设计提供参考依据。 参考文献 1 】李红艳我国铝塑复合板的生产现状唧，塑辫z = 以2 0 0 3 ，3 l ( 7 ) ：1 - 3 2 】王艳芳铝塑复合扳建筑幕墙的现状与发展趋势【j 】，目办窟材私藏2 0 0 2 ，2 3 ( 3 ) ：4 8 - 4 9 【3 】王小红，赵成刚铝塑复合防火板的研究进展阴，垆厚碧材私藏2 0 0 5 ，( 5 ) ：2 4 - 3 1 【4 】刘元新，蒋荃国内铝塑复合板的发展现状及应对措施们，新拱群产澎2 0 0 3 ，( 1 ) ： 2 7 - 3 0 【5 】樊晓东尼龙在汽车上的应用【j 】，纪工时彤2 0 0 4 ，1 8 ( 8 ) ：5 8 - 6 0 6 】屠伟家世界聚酰胺工程塑料市场及预测【刀，r 酲塑群蝴，2 0 0 3 ，3 l ( 2 ) ：5 6 - 5 8 7 】周庆丰，路学成，王鹏聚酰胺的高性能化及改性进展 j 】，塑槲私a 专2 0 0 5 ，( 5 ) ：5 9 6 4 【8 】张以河，付绍云，李国耀等聚合物基纳米复合材料的增强增韧机理叨，蔚发术遵衍， 2 0 0 4 ，1 4 ( 5 ) ：9 9 - 1 0 5 【9 】m i nz h ir o n g , m i n gq i uz h a n g ，y o n gx i a n gz h e n g ，e ta 1 s t r u c t u r e p r o p e r t yr e l a t i o n s h i p s o fi r r a d i a t i o ng r a t t e dn a n o - i n o r g a n i cp a r t i c l ef i l l e dp o l y p r o p y l e n ec o m p o s i t e s 唧p o l y m e r , 9 上海大学硕士学位论文 2 0 0 1 ，4 2 ：1 6 7 1 8 3 【l o 】魏运方，陈百军聚酰胺工程塑料的发展趋势阴，厚斯佑工信最，2 0 0 1 ，( 2 ) ：1 0 - 1 3 【l l 】张际中，郭长华，邓如生尼龙在汽车工业中的作用 j 】，【必垫槲应厢2 0 0 1 ，2 9 ( 1 1 ) ：2 6 - 3 0 1 2 】唐立强，蔡艳红，刘长海等双材料界面动态扩展裂纹尖端的渐进场 j 】，学衣毫r 啦 力学蝴，2 0 0 2 ，3 4 ( 1 ) ：8 7 - 9 0 【1 3 】郑百林，戴瑛，稽醒双材料反平面问题界面端奇异应力场分析【j 】，应用力学 匈职 1 9 9 9 ，1 6 ( 4 ) ：2 1 2 6 【1 4 k i s ct lag e n e r a ls o l u t i o nm e t h o df o r m t i - p l a n es h e a rc r a c kd y n a m i c a n ya c c e l e r a t i n g a l o n gab i o m a t e r i a li n t e r f a c e 叨j o u r n a ld ，t h em e c h a n i c sa n dp h y s i c so f s o l d s , 2 0 0 5 ；5 3 ： 6 3 9 - 6 5 3 【1 5 】b o n i f a c ev ，b a n k s - s i l l sl s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r sf o rf i n i t ei n t e r f a c ec r a c k sb e t w e e nas p e c i a l p a i r o f w a n s v e m e l y i s o t r o p i c m a t e r i a l j 】j o u r n a l o f a p p l i e d m e c h a n i c s ，2 0 0 2 ；6 9 ：2 3 0 - 2 3 9 【1 6 g o v o r u k h av b ，l o b o d av v ，k a m l a hm o nt h ei n f l u e n c eo fe l e c t r i cp e r m e a b i l i t yo na l l i n t e r f a c ec r a c ki nap i e z o e l e c t r i cb i o m a t e r i a lc o m p o u n d 【j 】i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f s o l i d s a n d s t r u c t u r e s ，2 0 0 6 ；4 3 ：1 9 7 9 - 1 9 9 0 【1 7 】l ir t h em o d ei i ii n t e r f a c ec r a c ki np i e z o - e l e c t r o - m a g n e t o - e l a s t i ed i s s i m i l a rb i m a t e r i a l sm j o u r n a lo f a p p l i e d m e c h a n i c s ，2 0 0 6 ；7 3 ：2 2 0 - 2 2 7 1 8 1n i s h i o k at ，s h e ns eh i g h e ro r d e ra s y m p t o t i cs o l u t i o nf o r 8 1 1i n t e r f a c i a lc r a c ki n p i e z o e l e c t r i cb i o m a t e r i a lu n