（材料加工工程专业论文）无机粒子填充聚丙烯复合材料的裂纹扩展和断裂行为研究.pdf

四川大学硕士学位论文 、， “7 7 9 1 7 6 摘要 无机粒子填充聚丙烯复合材料的 裂纹扩展和断裂行为研究 材料加工工程专业聚合物加工方向 研究生：龚关指导教师：谢邦互教授 本工作为国家自然科学基金项目高分子材料的结构与其断裂破坏特征及抗 破坏性能关系研究的子课题。采用基本断裂功方法( e w f ) ，较为系统的研究了 碳酸钙( c a c o ，) 粒子和煤矸石粉填充的聚丙烯复合材料及其改性体系在平面 应力状态下的断裂破坏行为。 在研究p p c a c 0 3 复合体系断裂性能的过程中，首先对e w f 方法的适用性 进行了验证，适时观测并表征了复合材料体系缺d 试样的裂纹扩展过程和裂纹 尖端的塑性区发展规律；分别讨论了碳酸钙含量和p p g i v i a 用量对p p c a c 0 3 复合材料的基本断裂功、塑性变形功、裂纹张开位移、塑性区形状因子、断裂 位移等参数的影响：改变光照条件，准确测量塑性区边界，具体探讨了复合材 料的塑性功及其组成项与材料组成及界面粘接作用大小的相互关系：采用合理 有效的方法对缺口试样拉伸断裂过程的能量耗散进行了分割：采用l 临界裂纹张 开位移法计算复合材料的比基本断裂功，并将此预测值与e w f 法计算值进行对 比，为该方法的应用及此方法中各参数物理意义的明确提供了有价值的参考， 并进一步验证和说明了复合材料的变形行为和断裂性能。结果表明，实验选择 的p p 和制备的p p c a c 0 3 、p p c a c 0 3 p p g m a 复合材料完全满足平面应力e w f 法的测试条件，它们在断裂过程中均表现出韧带充分屈服和裂纹稳定扩展的延 性行为。p p c a c 0 3 复合材料的比基本断裂功w e 随c a c 0 3 含量的增大略有降低 但数值总体变化不大；p 和w p 同时降低，致使p w p 随c a c 0 3 含量增加而逐渐降 低。经p p g m a 改性的p p c a c 0 3 复合材料，w 。随p p g ，m a 用量增大表现出先 增后降的趋势，w p 则有显著提高。从能量消耗数值的大小来看，复合材料的断 裂韧性和塑性变形能力主要分别取决于屈服后的比基本断裂功和比非基本断裂 功。同时发现；p p c a c 0 3 和p p c a c 0 3 p p g m a 复合材料在断裂过程中消耗的 无机粒子填充聚丙烯复台材科的裂纹扩匪和断裂行为研究 握性能p w p 与能表征材料延性的断裂位移之间；w p 与单位韧带面积上的最大载 荷( 即材料能承受的最大应力) 之间也分别存在呈较致的变化规律。通过临 界裂纹张开位移法预测复合材料的断裂韧性取得了满意的结果：两种方法得到 的w 。值虽不能完全吻合，但数值相差很小，且体现了完全一致的变化趋势，同 时也发现：迄今文献中讨论较少且物理意义尚不明确的e b 1 曲线斜率e 。也表现 j b 与塑性区形状因子b 基本相似的变化规律。 采用粉状填料一一煤矸石对聚丙烯材料进行填充，通过选择适当的表面处 理剂和改性剂改善填料和基体间的界面粘接作用。首先讨论了不同的p p 基体材 料、煤矸石含量及不同的改性剂对复合材料的拉伸屈服强度、冲击强度和加工 流动性的影响。结果表明：随着煤矸石粉含量的增加，复合材料的拉伸断裂伸 长率和冲击强度下降，但拉伸屈服强度和加工流动性变化不大；经硬脂酸处理 的煤矸石粉壤充p p 复合材料的断裂伸长率、冲击韧性及加工性能有一定提高： 马来酸酐按枝聚丙烯能够提高复合材料的拉伸强度和冲击韧性。对复合材料断 裂性能的研究发现：煤矸石含量较低时，复合材料的w 。值即有大幅度的降低， 而p w p 则比纯p p 有一定增大；煤矸石粉含量继续增大时，复合材料的w e 有明 显的回升，其值路小于纯p p ，而1 3 w 则随煤矸石粉含量增大表现为明显的逐步 降低，且均低于纯p p 。经p p g - m a 改性后，复合材料的w c 呈波动性变化，口 则有一定的提高，表明适量的p p g m a 对复合材料的塑性变形能力具有一定的 改善作用。 关键词：聚丙烯，断裂行为，断裂韧性，基本断裂功，裂纹扩展，临界裂纹张 开位移，应力发白 型型查兰堡主堂垡堕苎一 t h ec r a c kp r o p a g a t i o na n df r a c t u r eb e h a v i o rf o rt h e c o m p o s i t e so fp o l y p r o p y l e n ef i l l e dw i t hi n o r g a n i cp a r t i c l e s m a j o r ：m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：g o n gg u a ns u p e r v i s o r ：p r o x i eb a n g h u a b s t r a c t ：t h i sw o r k ，a sas u b p r o j e c tt oa n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r ea n df r a c t u r e p r o p e r t i e so fp o l y m e r , g r a n t e db yn a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o n ，i sa na t t e m p t t os t u d yt i l e p l a n e s t r e s sf r a c t u r ep e r f o r m a n c eo fc a c 0 3p a r t i c l e s a n dc o a l g a n g u ep o w d e rf i l l e d p p c o m p o s i t e s ，w i t ha n dw i t h o u tt h em o d i f i e ri n c o r p o r a t e d ，r e s p e c t i v e l y ，u s i n gt h ee s s e n t i a lw o r ko f f r a c t u r e ( e w f ) m e t h o d f o rc a c 0 3p a r t i c l e sf i l l e dp pc o m p o s i t e s ，t h ev a l i d i t yo fe w fe v a l u a t i o nw a sv e r i f i e da t f i r s t t h ec r a c kp r o p a g a t i o na n dt h ec h a r a c t e r , s i z ea n dd e v e l o p m e n to ft h ep l a s t i cd e f o r m a t i o n z o n ea b e a do ft h ec r a c kt i pw e r eo b s e r v e da n di l l u s t r a t e do nl i n e t h ei n f i u e n c eo fc a c 0 3a n d p p g - m ac o n t e n t o nt h ee s s e n t i a lw o r ko ff r a c t u r e ，p l a s t i cd e f o r m a t i o nw o r k ，c r a c ko p e n i n g d i s p l a c e m e n t ，e t c ，w a sa n a l y z e da n dt h ee d g eo fp l a s t i cz o n ew a sm e a s u r e da c c u r a t e l yt os e e k t h ei n t e r r e l a t i o nb e t w e e nt h ep l a s t i cw o r ka n dc o m p o s i t i o n t h ed i s t r i b u t i o no f f r a c t u r ee n e r g yi n d i f f e r e n ts t a g e sw a sd i s c u s s e dt h r o u g har a t i o n a lm e t h o df o re n e r g yp a r t i t i o nt h ec r i t i c a lc r a c k o p e n i n gd i s p l a c e m e n t ( c o d ) cm e t h o dw a se m p l o y e dt op r e d i c tt h es p e c i f i ce s s e n t i a lw o r ko f f r a c t u r et h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ee s t i m a t e d ( t h r o u 曲( c o d ) c ) a n dd i r e c t l ym e a s u r e d ( t h r o u g h e w f l v a l u e so f w ep r o v i d e dp r e f e r e n c e f o r t 1 ep h y s t e a l m e a n i n go f ( c o d ) cp a r a m e t e r s ， t h u se x p l a i n e dt h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ra n df r a c t u r ep r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e st h r o u g h a n o t h e rm e t h o d i tw a sf o u n dt h a tt h ep l a n e - s t r e s se w fa p p r o a c hw o r k e dw e l lf o rt h ep u r ep p , p p c a c 0 3a n dp p c a c o ，p p g m ac o m p o s i t e s ，w h i c ha l lb e h a v e di nat y p i c a ld u c t i l et e a r i n g m a n n e ra sf u l ly i e l d i n go fl i g a m e n ta n ds t a b l ep r o p a g a t i o no fc r a c k t h es p e c i f i ce s s e n t i a lw o r k o ff r a c t u r e m wo fp p c a c o sc o m p o s i t e sw a sa p p r e c i a b l yl o w e rt h a nt h a to fp u r ep p , w h i l et h e s p e c i f i cp l a s t i cw o r ki t e m ，b w d ，d e c r e a s e dm a r k e d l yw i t hi n c r e a s i n gc a c o sc o n t e n ta sb o t ht h e v a l u e so fpa n dw dd e c r e a s e d f o rt h ec o m p o s i t e sm o d i f i e dw i t hp p - g - m ai nw h i c ht h em a s s r a t i oo fp pt oc a c 0 3w a sf i x e d ，w ei n c r e a s e dc o n s i d e r a b l ya tf i r s ta n dt h e nd e c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n ga m o u n to fp p g - m a ，w h i l ew di n c r e a s e dr e m a r k a b l y t h ee 髓c to fc a c o a n d i l i 无机粒子填充聚丙烯复合材料的裂纹扩展和断裂行为研究 p p g - m a ，r e s p e c t i v e l y , o nb o t ht h ef r a c t u r et o u g h n e s sa n dt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o ne n e r g y , w a s m a i n l ya c h i e v e dt h r o u g ht h e i ri n f l u e n c eo nt h ep r o p e r t i e si nn e c k i n ga n dt e a r i n gp r o c e s s i o na f t e r y i e l d i n g i tc a na l s ob ef o u n d1 3 w p ，w h i c hp r e s e n t e dt h et o t a l p l a s t i cd e f o r m a t i o ne n e r g y d i s s i p a t e do nt h ec r a c kt i p ，a n dt h ed i s p l a c e m e n tt of a i l u r e ，w h i c hm e a s u r e dt h ed u c t i l i t y ；w 。a n d t h em a x i m u ml o a d p e r u n i t l i g a m e n t a r e af o rb o t h p p c a c o ) a n dp p c a c 0 3 p p g - m a c o m p o s i t e sv a r i e di n c o n s i s t e n td i r e c t i o n ，r e s p e c t i v e l y t h ee s t i m a t e da n d d i r e c t l ym e a s u r e d v a l u e so fw ea l s ov a r i e di nc o m p l e t e l yc o n s i s t e n t d i r e c t i o na n dt h en u m e r i c a ld i s c r e d a n c v b e t w e e nt h e mw a sn o ta p p a r e n t ，t h o u g ht h ea b s o l u t ei d e n t i t yc a n n o tb ea c h i e v e d a n di t w a s s h o w nt h a tt h es l o p eo fe b lc h i v e s ，e p ，w h i c hw a sr a r e l yd i s c u s s e di nt h el i t e r a t u r e s ，h a ds j m i l a r v a r i a t i o nw i t hb ， t h e n ，a n o t h e rk i n do ff i l l e rp a r t i c l e s - - - c o a lg a n g u ep o w d e rw a sf i l l e di n t op o l y p r o p y l e n e ， a n dt h ea d h e s i o no nt h ei n t e r f a c ew a sf e i n f o r c e du s i n gp r o p e rs u r f a c ea g e n ta n dm o d i f i e r t h e e f f e c t so fd i f f e r e n tk i n do fp pm a t r i xa n dc o a lg a n g u ep o w d e rc o n t e n t s ，a sw e l la st h ep o w d e r t r e a t e dw i t hd i f f e r e n tm o d i f i e r so nt h em e c h a n i c a la n dp r o c e s s i n gp e r f o r m a n c ew e r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t so fc o n v e n t i o n a lt e s t ss h o w e dt h a tw i t hi n c r e a s i n gc o n t e n to ft h ec o a lg a n g u ep o w d e r , t h et e n s i l ee l o n g a t i o na tb r e a km a di m p a c ts t r e n g t hd e c r e a s e dw h i l et h et e n s i l ey i e l d i n gs t r e n g t h a n dm f r c h a n g e dl i n l e ；t h eu s eo fs t e a r i ca c i di nt h et r e a t m e n to ft h ec o a lg a n g u ep o w d e rc o u l d i m p r o v et h ee l o n g a t i o na tb r e a k ，i m p a c ts t r e n g t ha n dp r o c e s s a b i l i t yo f t h ec o m p o s i t e s t h et e n s i l e s t r e n g t ha n di m p a c ts t r e n g t hc a nb ei m p r o v e dw i t hi n c o r p o r a t i o no fp p - g - m a t h er e s u l t so f f r a c t u r et o u g h n e s so ft h e c o m p o s i t e ss h o w e dt h a tt h ew ev a l u ed e c r e a s e dr e m a r k a b l ya tl o w c o n t e n to fc o a lg a n g u ep o w d e rw h i l et h e1 3 w pv a l u ew a sd e f i n i t e l yh i g h e rt h a nt h a to fp u r ep p , h o w e v e r , a ni n c r e a s ei n s t e a do fg r a d u a lr e d u c t i o no ft h ew cv a l u e sw e r eo b s e r v e dw i t ht h e f u r t h e ri n c r e a s eo f c o a lg a n g u ep o w d e rc o n t e n ta n dt h e yw e r es l i g h t l yl o w e rt h a nt h a to f p u r ep r w h i l et h e1 3 w p v a l u e sd e c r e a s e dg r a d u a l l yw i t hi n c r e a s i n gc o n t e n to fc o a lg a n g u ep o w d e ra n da l l o f t h e mw e r el o w e rt h a nt h a to f p l a n ep rt h ew ev a l u e so f t h et e r n a r yc o m p o s i t e sw i t hp p g m a i n c o r p o r a t e dv a r i e df l u c t u a n t l yw h i l et h e1 3 w 口v a l u e si n c r e a s e df i r s t l yt h e nd e c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n ga m o u n to fp p * g 。m a ，w h i c hs h o w e dt h a tp p g - m ao fp r o p e ra m o u n tc a ni m p r o v et h e p l a s t i cd e f o r m a t i o na b i l i t yo f t h ec o m p o s i t e s k e yw o r d s ：p o l y p r o p y l e n e ，f r a c t u r eb e h a v i o u r , f r a c t u r et o u g h n e s s ，e s s e n t i a lw o r ko ff r a c t u r e ， c r a c kp r o p a g a t i o n ，c r i t i c a lo p e n i n gd i s p l a c e m e n t ，s t r e s sw h i t e n i n g 四川i 大学顾士学位论文 1 前言 1 1 聚丙烯填充改性技术的研究现状 聚丙烯( p p ) 具有密度小、利热性好，加工性能优良等优点，是应用较为 广泛的塑料品种之一。但由于成型收缩率大、低温冲击韧性差，室温缺口敏感 性大等缺点，限制了其应用范围。填充改性是聚烯烃类材料的主要改性手段之 一，通过填加无机填料不仅可以使聚烯烃的刚性、尺寸稳定性等得到显著提高， 还可以得到一系列的新材料，如具有独特的机械物理性能、电性能、磁性能、 防辐射性能等；另一方面能使最终制品中聚合物的份额减少，节省了有机原料， 降低了成本。目| j 用于聚丙烯改性的填充材料主要有碳酸钙、玻璃微珠、二氧 化硅、氢氧化镁、氢氧化铝、云母、滑石、硅灰石、硅藻土、陶土、石墨、炭 黑、木粉、淀粉等无机和有机物。 填充材料的性能与其组成和结合状态有关，主要取决于以下因素1 1j ：( 1 ) 填料的种类、形状、结构和表面性质，填料的粒径和尺寸分布，填料的用量：( 2 ) 聚合物的种类、性质和分子量；( 3 ) 聚合物填充体系的界面特性及两相的相互 作用；( 4 ) 填充技术及形成的填充体系形态：( 5 ) 填充体系其它添加剂成分的 影响等。填料- 聚合物基体界面的性质是影响复合材料性能的决定性因素之一。 改善填料一聚合物问的界面作用，降低两相界面张力，提高两相间的粘接力，减 少缺陷是提高复合材料性能的重要手段。 通常，可以简单的把聚合物一填料间的结合情况分为四类【2 】：( 1 ) 简单的 物理混合；这种情况往往由于填料与聚合物间极性差异大，使得填料在聚合物 中分散不均，聚合物一填料界面上存在空洞和缝隙，表面粘接不良，可能导致应 力集中而引起界面破坏，因而填充体系性能很差；( 2 ) 一定的润湿作用导致较 均匀的混合：由于聚合物能较好的润湿填料表面，改善了填料的分散性和界面 结合情况，填充体系性能有所提高：( 3 ) 两相界面上形成良好的物理粘结：填 料表面润湿良好，界面上不同物质间极性、氢键或物理粘按导致的相互作用增 强，填充体系稳定性好，力学性能摄著提高；( 4 ) 两相界面上形成化学键合结 构：聚合物填料间以化学键形式相连接，填充体系稳定性大为增强，材料的力 学性能最佳。 大多数无机填料具有一定的酸性或碱性，表面存在亲水基团，并显极性， 容易吸附水分。聚丙烯是非极性聚合物。具有憎水性，因而它与大多数填料间 无机粒子填充聚丙烯复合丰 利的裂纹扩展和断裂行为研究 相容性差，填充体系界面难于形成良好的结合与牢固的粘结。对填料进行改性 是改进和提高聚丙烯填充复合材料性能的重要途径。填料的化学改性主要包括 表面活性剂处理和偶联剂处理以及填料表面接枝和聚合物包覆。此外，在填充 体系中加入改性聚烯烃，如马来酸酐( 酯) 接枝聚烯烃、丙烯酸接枝聚烯烃等 作为填充体系的改性剂，对降低填料一聚合物间的界面能、增强填料与聚合物的 相互作用也有显著效果。填料的应用更趋向于超细化、超薄片化，出现了超细 碳酸钙、超细滑石粉、超细玻璃微珠等许多新品种口】。在聚丙烯中加入模量较 高的无机刚性填料如玻纤、玻理微珠、碳酸钙等可以提高材料的模量和硬度等 力学性能，对无机刚性填料进行表面处理 4 1 或在其填充体系中加入弹性体形成 三元体系1 5 “j ，以同时达到增强、增韧效果的研究已有报道。在聚烯烃改性技术 的最新进展方面出现了纳米粒子改性、反应性复合技术和原位成纤复合技术等 【9 j 。本论文所侧重的改性方法是在复合物中引入改性聚烯烃一一马来酸酐接枝 聚丙烯，拟利用其极性基团与填料表面的牢固化学结合，其聚丙烯主链与基体 分子的相互缠结，从而达到在基体与填料的界面形成良好粘接来达到改性的目 的。 在填料品种的使用上，为合理和综合利用材料资源及城市和矿山工厂的生 产附产物，粉煤灰、红泥及某些矿渣灰也用于聚烯烃及其它聚合物的填充，某 些功能性填料还用于制取磁性、导热性、导电性、耐磨性等特殊性能的填充复 合材料。煤矸石作为我国最大的工业固体废弃源，由于其含有的s i 0 2 、a 1 2 0 和类碳黑物质，且表面常带有硅羟基( s i o h ) 、铝羟基( a i o h ) 等可反应性 基团，为其化学改性提供了有利的条件，有望成为种新型的橡胶补强剂和塑 料的改性填料。因此本文对煤矸石粉在聚丙烯填充改性中的应用进行了研究， 取得了一些有价值的结果。 1 2 高分子材料的断裂韧性及常用研究方法 高分子材料在应力作用下的损伤、失效和破坏行为是与材料服役能力密切 相关的重要问题。高分子材料常作为结构材料和工程材料使用，研究其断裂破 坏特性和抗破坏性能是合理利用高分子材料的需要i io ，”】。材料破坏行为的差异 可反映在变形的不同阶段。断裂是材料形变的极限行为和破坏的主要形式。当 材料内部的裂纹扩展达到某临界尺寸而失稳扩展时，材料对外力的应变能力完 全丧失，随即发生断裂破坏。除对材料强度的大小应予以关注外，对材料的变 形尤其是塑性变形行为还应给与充分的重视。为深入讨论聚合物材料的结构与 断裂性能的关系，并扩展p p 等聚烯烃改性材料进一步的研究和应用，对其变形 四川i 大学硕 学位论文 行为和断裂性能进行有效的评价和表征具有显著的实用价值。 高分子材料和制品中常存在的一些应力集中源，如气泡、杂质，机械加工 的缺口、锐角、表面划伤等，容易在材料内部诱发萌生裂纹；材料中产生的银 纹也容易在应力的作用下发生破坏而转变成裂纹f l 。裂纹的存在使高分子材料 在断裂过程中表现出与常规测试条件下很不相同的行为，制件的局部应力远大 于用常规方法测出的材料的表观应力，可造成材料在远低于理论强度或设计强 度的情况下断裂破坏。对于不同的材料及不同的使用条件，裂纹的产生、扩展 直至断裂的过程对材料的损伤和破坏行为的影响有很大的差异，这与材料的银 纹化、发生塑性变形的方式和能力等诸多因素有关【12 】。高分子材料如塑料管 材在内压或外力的作用下，形成单位面积的开裂表面所需消耗的能量即裂纹增 长的阻力大于驱动力时，裂纹有自行止裂的能力。一旦裂纹失稳，即当驱动力 大于增长阻力时，裂纹将以极快的速度扩展，部分或全部地贯穿结构从而使结 构破坏，造成管道失效，可能带来灾难性的事故f i 5 , 1 6 j 。研究各类应力状态下高 分子材料受裂纹影响的断裂破坏行为，进而对高分子材料的服役能力进行评价 和预测具有重要的理论价值和现实意义。除应力、应变状态和使用环境，高分 子材料的结构等影响裂纹弓 发和扩展的主要因素外，成型和加工工艺也会对高 分子材料抗破裂性能产生重要影响1 1 “。目前高分子材料特别是存在裂纹时材料 的形变、断裂方式及规律尚不清楚，影响了材料选用、配方设计等工作，限制 了高分子材料在工程上的迸一步应用，同时也为有效评价材料的抗断裂破坏性 能带来了较大的困难。所以仍需深入认识高分子材料在裂纹存在情况下的形变、 损伤和断裂行为，为扩大应用和进行材料改性研制提供必要的参考依据，以图 达到利用简便实用的方法预测存在裂纹及类似缺陷的结构时材料使用的安全性 的目标。 韧性是材料抵抗断裂破坏的能力，也即抵抗裂纹扩展能力的重要指标。目 前大多依据冲击强度的高低来判断塑料等高分子材料的韧性大小。但冲击强度 值对评价材料在较低应力作用和较低作用速率下的破坏行为缺乏参考价值，同 时难以反映材料抵抗其内部裂纹扩展的能力和敏感性。在测定韧性较高的高分 子材料时，冲击过程还常常出现试样末完全断裂的情况，使材料表观韧性的可 靠性和对材料抵抗裂纹破坏能力的评价意义大大降低，因而不能作为材料严格 意义上的本征性能参数。其它常规实验方法如撕裂强度测试等评价高分子材料 的断裂性能时，大多仍显片面、粗略和缺乏有效性，主要原因也是这些方法得 到的实验结果严重受到测试样品的形状和测试条件等的影响，且难以准确反映 高分子材料破坏时，微裂纹的扩展过程、新增裂纹表面所需能量、塑性变形及 无机粒子填充聚雨烯复台材料的裂纹扩展和断裂行为聊f 究 所耗能量等与破坏机理相关的信息7 , 1 8 。在评价材料止裂特性方面，测试塑料 管材及其原料的快速开裂裂纹增氏阻力的方法，如全尺寸试验、s 4 试验已经有 i s o 标准或草案，但都需要直接采用管道进行，成本高，周期长，不便于材料 的研究；采用平板小试样实验，如冷冻舌法和单边切口双层样条法等，可测定 裂纹的增长速度，为衡量材料抵抗快速裂纹增长的能力提供基础数据【1 5 , 1 6 1 。但 迄今为止，由于测试的技术及手段等方面的原因，有关高分子材料的裂纹增长 速度和断裂韧性的数据还并不多，即使对典型材料来说也非常不完善。 断裂力学以裂纹体为研究对象，主要研究制件内的裂纹在何种条件下，以 伺种方式扩展导致材科失效i j ，其在金属材料断裂性能的研究中已取得了相当 满意的效果和较广泛的应用。由于高分子材料的断裂行为在很大程度上决定于 裂纹萌生抗力和扩展力，因此，人们开始从断裂力学的观点出发来分析高分子 材料的强度和破坏问题，采用断裂韧性等断裂力学参量评价高分子材料的韧性 及研究材料在抵抗裂纹扩展的过程中所表现的变形行为【 】。 1 2 1 线弹性断裂理论 g r i f f i t h 最早对线弹性断裂理论( l e f m ) 进行了叙述，为断裂力学的发展 奠定了基础。他认为裂纹的存在是材料极易被破坏的原因，在裂纹扩展前，外 力所做的功以弹性能的形式储存在材料内，已有裂纹的扩展或新裂纹的形成所 产生的新的断裂表面所需要增加的表面能，由材料内部弹性储能的减少来平衡； 其次，这些弹性储能并不是均匀地分布于材料中，而是更多地集中分布于微裂 纹的附近，当使裂纹扩展引起的弹性储能的减少量大于或等于生成的断裂表面 能时，材料就发生断裂，这也解释了材料实测强度与理论强度间的较大差异 】0 1 。 假设裂纹扩展面积为8 a ，在此过程中，外载荷所作的功为8 w p ，弹性应变 能的变化为8 u ，形成新裂纹所消耗的表面能为5 y ，则裂纹扩展单位面积时系统 所释放的能量称为能量释放速率g ，可表示为： 。 g ；盟一型( 1 - 1 ) 0 a0 a 当裂纹扩展单位面积系统所释放的能量大于或等于单位面积产生新裂纹表面的 能量时，裂纹开始失稳扩展，即： 盟一型，盟 0 a0 a 一0 a g c = 芸 ( 1 - 2 ) ( 卜3 ) 四川大学硕士学位论文 g 。即为裂纹扩展时能量释放率的临界值。当g g 。时，裂纹开始失稳扩展， 材料将发生断裂破坏。 l 临界应力强度因子也可根据线弹性断裂理论得到，在平面应力状态，k ，与 g i 可以通过下式相互转换： q = 砰e ( 1 - 4 ) e 为材料的杨氏模量。 根据a s t m 标准，k 1 c 测试采用三点弯曲试样或紧凑拉伸试样进行断裂实 验。试样尺寸要求为： w = 2 b ，0 4 5 式中的第一项给出了成颈的塑性功，等价于( 1 6 ) 式的第一项；( 1 1 3 ) 式的第二项涉及成颈的断裂功，与( 1 - 6 ) 式的第二项也是等价的。令人满意的 是，对高分子材料( 包括韧性高分子材料、增强或增韧聚合物) 而言，w e 的测 定实验一般要求试样厚度等尺寸满足： 3 t ，兰缈3 ( 1 1 4 、 远不及j 一积分要求苛刻。近年来，基本断裂功方法因其适合的材料范围广，实 验过程简便，试样制备容易且特别适于薄壁制品的研究，结果比较准