PVC发泡板受力前后微观表面形貌变化规律的AFM实验研究-论文.pdf

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1、第27卷第6期实验力学Vo1．27No．62012年12月JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSDec．2012文章编号：1001—4888(2012)06—0708—07PVC发泡板受力前后微观表面形貌变化规律的AFM实验研究缪馥星，许金泉。，林卓英。(1．宁波大学机械工程与力学学院，浙江宁波315211；2．上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240)摘要：本文从微观角度对软质材料之一的PVC发泡板表面形貌与承受压载之间的关系进行实验研究。应用Veeco原子力显微镜(AFM)，选取全新的1cm×1cm大小的PVC

2、实验样品，轻轻地放置于AFM样品台上。先测试和记录一定范围内的没有压载作用时试件的微观表面形貌，然后依次测试和记录承受过一定数目压载情形下的表面形貌。其中，压载通过标准计量的砝码实现，重复多次实验，将实验数据进行统计分析。结果显示，经压载作用后，PVC的微观表面特性变化明显。随着压载荷的增加，样品微观表面的高度变化量、平均高度、粗糙度等明显增加，截面起伏度也越加明显。本实验结果对于PVC材料宏观承载应用及其微观结构变化机理等方面的研究将具有一定的参考意义。关键词：微观表面形貌；粗糙度；PVC发泡板；原子力显微镜中图分类号：O348．9文献标识码：A

3、0引言PVC发泡板(foamedPVCsheet)又称为雪弗板或安迪板，是一种新型材料，以聚氯乙烯为主要原料，加入发泡剂、阻燃剂、抗老化剂，采用专用设备挤压成型。通过雕刻机或手工制作广告字，厚度一般为0．3～2cm。具有质轻、不易燃、不吸水、防腐、防潮、绝缘及良好的隔音、隔热和防震效果，色泽可长久不变，不易老化等优点。不仅易于机械加工，而且可以进行丝网印刷、电镀和烫印等加工，是木材的良好替代材料_1]。近年来，被广泛用于建筑、车船制造、家具、装饰装修、广告制作、展览标牌、市容环保、旅游等行业。广泛的应用领域和良好的应用前景，使得对此类新材料力学性能

4、的研究开始受到重视]。然而，对其微观表面特性和力学性能的实验表征与分析的研究还很少，尤其是承受一定的宏观载荷后，微观表面形貌变化的AFM研究还未见报道。此外，新材料力学性能的实验表征与分析的研究也是研究其微观形貌变化机理的基础，是评判PVC材料各种构件宏观承载能力的依据之一。因而，本文进行了新材料PVC发泡板力学性能的实验表征与分析的初步研究。文中选取白色的结皮性发泡板进行AFM实验研究，应用原子力显微镜(AFM)[6]，对不同载荷作用后的同一个样品的微观表面形貌进行扫描，获取受力后可反映材料微观表面性能情况的微观表面高度变化量、微观表面粗糙度、截

5、面分析等参数，探寻受力后上述微观表征参数值的变化规律，以便更深入地了解PVC发泡板在微观尺度上的力学性能，为*收稿日期：2011-0905；修订日期：2012—05—14基金项目：宁波市自然科学基金项目(2011A61008o)、浙江省重中之重科研项目“多锚浮体系泊计算研究(zjl020)”和“回传射线矩阵法的柔性耗能防撞装置的动态响应研究(zj1204)”、校级科研项目“结构抗冲击力的力学性能研究”资助。通讯作者：缪馥星(1980一)，女，博士，讲师。研究方向：微观力学与结构动态响应。E—mail：aifxmiao@gmail．corn第6期缪馥

6、星等：PVC发泡板受力前后微观表面形貌变化规律的AFM实验研究709进一步拓展其应用给予理论支持。1AFM实验原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息]。由于PVC发泡板属于软性材料，外力作用下极易发生变形，而影响材料的表面性

7、能参数的获取，故要求扫描过程须选择非接触模式，这样可避免探针针尖与PVC发泡板表面的接触，从而避免对表面微观尺度的破坏。为此，本实验选用轻敲模式(TappingMode)进行微观图像扫描。选取一片宏观表面光滑的白色PVC发泡板样品，大小约lcm×lcm。分别施加2．23N、6．23N、10．23N的均布压载荷，将每次压载荷作用后的样品放在AFM上进行扫描观察，主要进行微观尺度下的表面高度变化、样品表面粗糙度、截面等的分析。定义Z轴垂直于样品表面，考察的样品表面粗糙度的数据包括Z轴最大高度(Zrange)、Z值的标准偏差(R)、Z值偏差的算术平均值(

8、R。)、表面最高点和最低点的高度差值(R)。这里要说明两点，一是实验中的均布压载荷由标准刻度的砝码直接施加压力实现。砝码底