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1、现代塑料加工应用第11卷第6期ModernPlasticsProcessingandApplications1999年12月试验研究聚碳酸酯/弹性体合金的断裂过程形貌研究*李晶吕荣侠(清华大学化学工程系高分子研究所,北京,100084)华心(清华大学工程力学系)摘要:采用扫描电子显微镜(SEM)和长距离显微镜(LDM)对PC/弹性体共混体系试件中的裂纹在平面应变和平面应力下发展的形貌进行观察。结果表明:弹性体的加入影响了材料断裂的各个过程。在平面应变下,裂纹尖端出现超钝化现象;平面应力下,第一次观察到裂纹后岸两侧出现副裂纹的现象。采用透射电子显
2、微镜(TEM)观察慢速加载时裂纹前沿各区的形貌,从微观上解释弹性体增韧PC的原因。关键词:聚碳酸酯/弹性体平面应变形貌平面应力副裂纹聚碳酸酯(PC)是一种具有优异综合性能的热塑性工程塑料,它具有良好的冲击韧性。但是,由于PC缺口敏感性强,容易应力开裂,使得它的进一步应用受到了很大的限制。利用弹性体改性PC,提高它的韧性,已取得很大的进展。本文作者的另一文章[1]中,采用J积分法表征PC/弹性体共混体系的断裂韧性和撕裂模量。结果表明:当加入弹性体后,断裂韧性明显提高,提高了约80%。在弹性体含量为5%~15%区间,断裂韧性变化不大。撕裂模量随着弹
3、性体含量的增加而增大,在弹性体含量为10%时增加了1215倍。为了从微观上解释材料韧性提高的原因,本文采用扫描电子显微镜(SEM)和长距离显微镜(LDM)对PC/弹性体共混体系试件中的裂纹在平面应变和平面应力下发展的形貌进行观察,并采用透射电子显微镜(TEM)观察慢速加载时裂纹周围各区的形貌。1实验部分111主要原料聚碳酸酯(PC),K-1300,日本帝人化成公司;弹性体(极性)。112主要仪器设备SJ-30X25B型单螺杆挤出机,上海挤出机械厂;XS-2Y-125型塑料注塑机,浙江机械厂;X8128型万能工具铣床,丹东机床厂;DSS-25T
4、型电子万能试验机,日本SHIMADZU公司;QLB-350@350@2型平板硫化机,上海第一橡胶机械厂;S-450型扫描电子显微镜,日本HITACHI公司;QM-100长距离显微镜,美国QUESTAR;JEM-100X型透射电子显微镜,日本HITACHI公司。113试样的制备与观察将聚碳酸酯和弹性体按照不同配比共混挤出、切粒,得不同组成的共混物。11311SEM观察平面应变下裂纹发展形貌对120mm@15mm@10mm的注塑试件,先用万能工具铣床铣出U型缺口,后用单面刀片预制裂收稿日期:1999-03-30。作者简介:李晶,女,1971年生,1
5、993年毕业于中国科学技术大学应用化学系高分子专业,1996年于清华大学化工系高分子研究所获得硕士学位,现在美国威斯康星大学攻读博士学位。*国家重大自然科学基金项目。#2#现代塑料加工应用第11卷第6期纹,裂纹长度a与试件长度W比约为015。在120e下退火2h以消除内部应力。将上述试件,用电子万能试验机做慢速三点弯曲试验,在不同位移下卸载。先锯成小块,将试件放置在液氮中冷冻后从中间断开,试样经镀金膜后用SEM观察平面应变下裂纹发展形貌。11312SEM观察平面应力下裂纹发展形貌先用平板硫化机将材料压成015~1mm的薄片,用刀片制成如图1所示
6、的试件,先镀上金膜,后置于SEM拉伸台上边拉伸边对试件中的裂纹进行观察,可得平面应力下裂纹发展的形貌。11314TEM观察慢速加载下试件中的裂纹前沿各区形貌对11311中经慢速三点弯曲后的试件,取裂纹前沿各区,经冷冻切片和用OsO4蒸气熏染,后在TEM下观察[2]。图2缺口拉伸试件示意图图1缺口拉伸小试件示意图11313LDM观察平面应力下裂纹发展形貌在标准拉伸试件中部用万能工具铣床铣出2mm直通槽,后用单面刀片压出015mm的裂纹,如图2所示。用长焦距光学显微镜对在电子万能试验机AG-25TA拉伸台上的缺口拉伸试件,边拉伸边进行观察。拉伸速
7、度为011mm/min。2结果与讨论211平面应变下裂纹发展形貌用SEM对在不同位移处卸载的各个试件进行观察,模拟裂纹在加载过程中各点处的发展形貌。通过对PC和PC/弹性体共混物的观察,发现其断裂过程为:裂尖钝化、裂纹起裂及裂纹扩展三个过程。PC裂尖钝化程度较小,在C处只发展到小圆头[图3(a)],整个过程裂纹面较光滑。弹性体的加入影响了材料断裂的各个过程:裂尖钝化程度加大,出现裂尖超钝化现象[图3(b)、图3(c)],裂面不规则,呈层状。这些现象都有助于吸收更多的能量,阻止材料的起裂和扩展,增加材料的韧性。(a)PC(b)PC/弹性体为95
8、/5(c)PC/弹性体为90/10图3PC和PC/弹性体中裂纹在平面应力下的形貌图(1800倍)对SEM观察到的试件在慢速加载时,平面应变菇头形空穴的
