聚丙烯/硅藻土复合材料断口形貌的二维分形特征研究

发布时间：2021-01-22 03:30

　　采用熔融共混法制备了2种硅藻土填充聚丙烯（PP/硅藻土）复合材料PP/281和PP/700,采用扫描电子显微镜观察了冲击断口形貌,运用图像处理软件IPP提取了复合材料断口形貌的二维轮廓曲线;应用结构函数法测算了断口形貌二维轮廓曲线的分形维数（D_L）,定量表征了复合材料的断口形貌特征;探讨了DL与复合材料冲击强度(σ_Ⅳ)的关系。结果表明,PP及其PP/硅藻土复合材料的断口形貌具有显著的分形特征,其中纯PP的D_L值为1.6375,PP/硅藻土复合材料的DL值介于1.6474¹.7361之间;在所考察的硅藻土体积填充分数（φ_f）范围内,PP/281复合材料的DL值在φ_f为10%时有最大值1.7361,PP/700复合材料在φ_f为5%时具有最大值1.7143;σ_Ⅳ值与D_L值正相关,且呈近似指数函数关系。 

【文章来源】：中国塑料. 2017,31(08)北大核心

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

位置：（ａ）１（ｂ）２（ｃ）３（ｄ）４（ｅ）５图２纯ＰＰ样品５个不同水平位置上的轮廓曲线Ｆｉｇ．２Ｃｏｎｔｏｕｒｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅ５ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｐｕｒｅＰＰｓａｍｐｌｅｓ水平

２０１７年８月中国塑料·６５·计算轮廓曲线的ＤＬ值。以ｌｇｔ为横坐标，ｌｇＳ（ｔ）为纵坐标，并用最小二乘法原理，线性回归分析双对数数据点，得到纯ＰＰ冲击断面ＳＥＭ照片中５个不同水平位置ＤＬ值的计算曲线，如图３所示。水平位置：■—１●—２▲—３?—４?—５图３纯ＰＰ样品冲击断面的ＤＬ值计算曲线Ｆｉｇ．３ＣａｌｃｕｌａｔｅｄｃｕｒｖｅｆｏｒＤＬｖａｌｕｅｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｐｕｒｅＰＰｓａｍｐｌｅｓ从图３可知，对于纯ＰＰ冲击断面的ＳＥＭ照片中不同水平位置上的轮廓曲线，其ｌｇＳ（ｔ）与ｌｇｔ的拟合曲线均符合ｌｇＳ（ｔ）＝ｂ＋αｌｇｔ的线性模式，其中拟合曲线的斜率α、截距ｂ与灰度值分布相关，且α值越小，ＤＬ值越大，断口形貌越复杂，精细结构就越多。又由式（２）可知，与纯ＰＰ断口形貌的ＳＥＭ照片中５个水平位置上的ＤＬ值计算相关的α、ｂ、相关系数Ｒ以及所计算的ＤＬ值如表１所示。表１纯ＰＰ断口形貌的ＤＬ值Ｔａｂ．１ＤＬｖａｌｕｅｏｆｆｒａｃｔｏｇｒａｐｈｙｏｆｐｕｒｅＰＰｓａｍｐｌｅｓ取样位置线性回归方程相关系数（Ｒ）ＤＬ１ｌｇＳ（ｔ）＝２．１１７５＋０．７５２４ｌｇｔ０．９９９８１．６２３８２ｌｇＳ（ｔ）＝２．１０９９＋０．７０２１ｌｇｔ０．９９８５１．６４８９３ｌｇＳ（ｔ）＝２．０２９９＋０．６８２７ｌｇｔ０．９９９８１．６５８７４ｌｇＳ（ｔ）＝２．０５２０＋０．７４８８ｌｇ

特征，其断口形貌较为粗糙，凹凸不平，在断裂过程中产生的韧窝多，精细结构亦较多。而对于σⅣ较低的复合材料，其断口形貌相对平整，表面光滑，结构简单。上述内容实现了复合材料断口形貌的自相似性的ＤＬ表征；同时断口形貌反映了复合材料的断裂韧性。因此，探讨ＤＬ与材料的冲击韧性有利于通过材料断面形貌判断复合材料在外力作用条件下的冲击韧性，进而判断复合材料的断裂机理。基于此，本研究工作考察了断口形貌的ＤＬ值与ＰＰ／硅藻土复合材料的σⅣ的关系，如图４所示。图４ＰＰ／硅藻土复合材料断口形貌的ＤＬ与σⅣ的关系Ｆｉｇ．４ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆＤＬｏｆｆｒａｃｔｏｇｒａｐｈｙａｎｄσⅣｏｆＰＰ／ｄｉａｍｉａｔｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ观察图４看出，除个别点外，ＰＰ／硅藻土复合材料的σⅣ随ＤＬ值的增大而增大，当ＤＬ值大于１．６７２９时，复合体系的冲击强度增幅明显。这是因为，ＤＬ值是断口形貌粗糙度、精细结构以及复杂程度的定量表征，ＤＬ值越大，断面粗糙度越大，精细结构越多，形貌结构越复杂，其表面能增加，材料在断裂的过程中吸收更多的能量。观察图４发现，σⅣ随ＤＬ值的增大先缓慢增大，然后快速增大。去掉特殊点，经拟合后σⅣ与ＤＬ之间满足如式（３）的关系（相关系数Ｒ为０．９６）：σⅣ＝０．４９９２ｅ１．９１３０ＤＬ（３）从式（３）可以看出，σⅣ与ＤＬ之间近似呈指数关系，且置信度大于９５％。４结论（１）ＰＰ／硅藻土复合材料的ＤＬ值介于１．６３７５～１．７


本文编号：2992464