基于仪器化压入技术的高聚物力学性能测试方法

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1、密级：中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文2013年4月DeterminationoftheViscoelastic-plasticPropertiesofPolymersbyInstrumentedIndentationTests●■■■■■■■______一IIHI_■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■●●●■■■●■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■一ByGuangjianPengAD

2、issertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyintheSubjectofSolidmechanicsInstituteofMechanics，ChineseAcademyofSciencesApril，2013致谢本论文工作是在中国科学院力学研究所张泰华正高级工程师的悉心指导和大力帮助下完成的。从论文选题、到研究工作开展、再到论文完成，张老

3、师都倾注了大量的心血。张老师在工作和生活中，亦师亦友，受学生尊重，也尊重学生。他严谨的工作作风和忘我的工作精神深深地感染着我，值得我一生学习。师恩难忘，在此，对恩师的辛勤培养和谆谆教诲表示诚挚的谢意!本论文工作中大量实验的顺利完成，离不开多位老师的热心帮助，衷心感谢中国科学院力学研究所郇勇高工、杨海隍高工、杨业敏研究员、蓝鼎副研究员、李端义高工在实验过程中的大力支持，衷心感谢中国科学院声学研究所机加工厂的魏师傅在实验试样加工中的热心帮助。同时，也衷心感谢中国科学院力学研究所提供的实验平台。在中国科学院力学研究所求学的五年里，得到宋凡研究员、魏炳

4、忱研究员、戴兰宏研究员、陈少华研究员、赵亚溥研究员、魏悦广研究员、李战华研究员、王育人研究员、凌中副研究员多位老师的指点和帮助，特此感谢!感谢美国肯塔基大学郑仰泽教授在黏弹性压入测试方面给予的指导和帮助。感谢同课题组的杨荣博士、冯义辉博士、姜鹏博士、姜辛硕士、宋金龙硕士、逯智科博士生、于畅博士生、陈克硕士生在论文研究工作中的指导和建议，以及在生活中的关心与支持。感谢韩汉桥博士生、雷现奇博士生、张陈安博士、陈支通硕士、黄鑫博士生、胡铮博士生、李伟博士生、陈培见博士生、朱鹏博士生、汪球博士生、段锟硕士、赵段宇硕士在学习生活中的照顾和帮助。最后，我要

5、特别感谢我的父母和亲人，他们的关怀、理解、鼓励和支持是我前进的动力。彭光健2013年4月摘要高聚物作为结构和功能材料应用广泛，其力学性能备受关注。尤其是随着表面加工和微加工技术的提高，迫切需要发展新的技术用以测定高聚物表面和微结构的黏弹．塑力学性能。仪器化压入技术具有表面的微区、微损、原位测试等特点，适用于测定材料表面和微结构的力学性能参数。因此，本论文的目的是，发展基于仪器化压入技术的高聚物蠕变柔量和塑性参数识别方法。具体工作如下。拓宽了经典黏弹接触解的适用范围，建立起适用于压入卸载段的蠕变柔量识别方法。基于线黏弹压入假设，在设定容许误差范围

6、士15％内，将黏弹接触解推广至卸载段，建立起蠕变柔量与卸载段载荷．深度之间的近似关系。据此，提出三种适用于卸载段的蠕变柔量识别方法，即Ramp-Ramp方法、Step—Ramp方法和Sine．Sine方法。特点为适用于无明显塑性变形压入测试的卸载段数据分析，弥补已有方法无法预测压入卸载响应的不足，测试对象主要为线黏弹性高聚物。建立了适用于线黏弹．塑压入测试识别蠕变柔量的新方法。基于已有的Step．胁肠方法，提出适用于线黏弹．塑压入测试的蠕变柔量方法，即修正的Step．胁肠方法。首先，采用近似的Step．胁肠加载(阶跃加载．保载)，测量出载荷．深

7、度曲线；其次，提出“三步法”消去压入测量中产生的塑性变形，修正载荷．深度曲线；最后，从修正的载荷．深度曲线中(已不含塑性变形)识别出蠕变柔量。特点为适用于有明显塑性变形的压入测试，测试对象主要为线黏弹．塑性高聚物。建立了适用于线黏弹．塑压入测试识别塑性参数的新方法，发展出蠕变柔量和塑性参数等的多元参数识别方法及其分析软件。假设试样为线黏弹．理想塑性、屈服应力与静水压力和应变速率的对数成正比，借助量纲分析和数值模拟，建立起塑性参量(内摩擦系数和纯剪变形下的屈服应力)与压入可测参量(加载曲率和接触刚度等)之间的两个无量纲关系式；基于两关系式，提出塑

8、性参数的压入识别方法。将其与修正的Step．Hold方法集成，编制相应的分析软件，实现基于单次压入测试，依次识别弹性模量、蠕变柔量、纯剪变形下屈服应力