泡沫塑料的微观结构与性能.pdf

《泡沫塑料的微观结构与性能.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、工程塑料应用2011年，第39卷，第n期泡沫塑料的微观结构与性能马忠雷张广成(西5t_T．业大学理学院，西安710072)摘要综述了近年来泡沫塑料微观结构与宏观力学性能关系的研究新进展，阐述了泡沫塑料微观结构如泡孔形态、泡孔密度的最新表征技术和模拟方法，详细分析了微观结构对泡沫塑料的力学性能尤其是压缩和拉伸性能的影响，并对研究作了总结和展望。关键词泡沫塑料微观结构力学性能模型泡沫塑料又称多孔塑料，是一种以塑料为基本组分，内泡沫的泡孔是由8个正六边形和6个正方形组成的十四面部含有大量气泡的轻质多孔材料，也可视为以气体为填料的体结构，具有高度的对称性，因此泡沫

2、结构更加容易达到平复合材料。泡沫塑料具有优异的力学、热学和声学等性能，衡状态。一个多世纪以来，数学家们一致认可十四面体是单因而被广泛应用于航空航天、风力发电、体育器材、包装、建分散全等泡孑L表面积最小的结构模型，但是这样最完美、最筑、冷藏、船舶制造等领域tJo对称的理想结构一直没有得到数学上的理论证明。Weaire．泡沫塑料的性能及其潜在应用主要取决于基体材料的Phelan模型认为泡沫由两种体积相同的泡孔结构即十四面物理、化学性能和泡沫的泡孔结构。自从泡沫塑料产生后就体(12个五边形面和2个六边形面)和十二面体(每个面都有了大量关于化学结构和加工条件对泡沫

3、性能影响的研究，是正五边形)构成。与Kelvin模型相比，Weaire．Phelan模型而对于泡沫塑料微观结构与宏观性能之间关系的研究较相对复杂，少了一些对称性，但表面积更小，是一种更加有效少。近年来，随着微观分析技术的不断进步，越来越多的的空间分割方式。Gibson．Ashby立体模型将开孔泡沫模型科学家期望通过对已有泡沫塑料的微观结构进行研究，获取简化为由长为1、厚为t的泡棱所组成的立方排列结构。泡微观结构一性能之间的关系，从而进一步提高现有泡沫塑料沫的泡孔单元是由12条泡棱构成的立方体结构，而结构单的宏观性能并开发出新型高性能泡沫塑料。元由1个泡孔单

4、元和12条连接棱构成。这种结构模型使开1泡沫塑料的微观结构孔泡沫的微观结构最简单化，可以通过微观结构参数简单方泡沫塑料从微观结构上可以分为闭孔泡沫和开孔泡沫便地计算宏观力学性能，是泡沫材料中一种极有影响力的理两类。闭孔泡沫中泡孔之间相互独立且泡孔间由泡壁隔离，论模型。在开孔立体模型的基础上，Gibson和Ashby又建因此有很好的力学性能。开孔泡沫中泡孔之间相互贯通且立了包含完整泡壁的闭孔泡沫立体模型，进一步推动了泡沫有很多支架，具有更好的能量吸收性能。泡沫塑料主要是通塑料的发展。Gibson．Ashby立体模型的不足之处是泡孑L单过在聚合物基体中形成气泡

5、核并使气泡膨胀长大后稳定而元之间由连接棱相连接，不能实现密堆积，另外泡棱与连接形成的，其微观结构特性主要通过泡孔密度、泡孔形状、泡棱在结构上并不等价，这与泡沫的实际情况有所不同。孔尺寸、各向异性率和开孔／闭孔率等参数来表征。这些结泡沫塑料的力学性能可以通过上述的传统理论模型进构参数对泡沫塑料的宏观性能如压缩、拉伸和剪切等都有很行模拟预测，并且得到了许多与试验数据相一致的结果”。。大的影响。但是这些模型都假设泡孔为均匀对称的均衡结构，并不能表1．1泡孔形态与表征征复杂泡孔结构的尺寸、形状变化等信息。(1)传统理论模型(2)真实聚合物泡沫模型目前有很多关于泡沫

6、塑料微观结构与力学性能关系的在真实聚合物泡沫中，泡孔结构要比理想模型复杂得理论模型，传统理论模型的建立都是基于泡沫具有单分散泡多，聚合物泡沫不仅有多分散的泡孔尺寸，并且有丰富多元孔形态的假设，典型的有菱形十二面体模型、Kelvin模的泡孔排列和泡壁形状，即使同一种泡沫塑料也具有不同的型]、Weaire．Phelan模型。和Gibson．Ashby立体模型]。泡孔形状和泡孔尺寸，而且泡孔形状也并非完全是对称结菱形十二面体模型由Plateau提出，认为泡沫是由形状构，因此这些理想的几何模型并不能真实反映聚合物泡沫的为菱形十二面体的泡孔紧密排列构成的。这种排列可

7、以实微观结构特征。现，但并不是三维立体最有效的排列方式。Kelvin模型认为收稿日期：2011—08．1698工程塑料应用2011年，第39卷，第1l期于临界泡孔，而低密度泡沫的孔隙率大于临界泡孔，如图4泡沫性能的预测将会越来越精确。所示。2泡沫塑料的力学-陛能泡沫塑料大量应用于包装和能量吸收用途，也作为夹芯结构复合材料的芯层用于结构材料中，可能会在局部或整体受到压缩和剪切等力学作用，因此研究泡沫塑料的力学性能对保证泡沫的安全使用具有重要意义。(a)(b)(C)2．1压缩性能a一严格限制法给出最小值(n=8)：b一完全泡孔法给出最大值(n泡沫塑料的压缩变形

8、机理主要有四种变形方式：线弹=17)；c一限制分数法给出平均值(n