聚碳酸酯在冲击加载下的损伤机理研究

发布时间：2020-04-10 02:32

【摘要】：随着社会的发展和科技的不断进步,更轻便且力学性能优良的材料愈发受到人们青睐。作为五大工程塑料之一的聚碳酸酯(polycarbonate,简称PC),具有良好的抗冲击性能和优秀的成型加工性能,它硬度高能在多种气候环境下使用,因此广泛作为汽车产业、航空航天以及建筑产业的常用材料。材料的使用条件的不同,其所承受的外力冲击不同,材料内部结构对外力作用的响应也不同。当PC材料这些使用条件下遭受碰撞和冲击载荷的作用时,若这个冲击载荷足够大,则材料内部会产生冲击损伤。为了对PC有更深入的了解,使我们在材料制备过程中通过共混改性等一系列加工手段提升材料的性能,就需要我们对其在冲击加载下的损伤机理开展细致的研究。本文基于在一级轻气炮上进行的平板冲击实验,模拟PC在日常使用中所遭受的冲击现象,结合实时自由面速度测量以及X射线计算机断层扫描技术(X-ray computed tomography,简称CT)。对PC材料的层裂微观结构进行了研究,得到了低压段Hugoniot状态方程,分析了层裂强度与冲击应力的关系,讨论了层裂损伤在PC中的演化生长过程。本论文的主要内容结论和研究创新点为:1.在一级轻气炮上对PC样品进行了多次平板冲击实验,采用多普勒光纤探针测速系统(Doppler Pin System,简称DPS)得到了冲击态的波速D-粒子速度u关系,并对其进行了线性拟合,拟合结果为:D=2.338+1.268u(km/s),与前人的数据吻合较好,在此前的基础上进一步完善了 PC状态方程的数据。2.利用对称碰撞加载研究了 PC中的冲击层裂响应,并通过DPS测量了不同加载速度下的自由面速度历史。通过对速度曲线进行分析,我们得到了PC在冲击加载下,其应变率、层裂强度和峰值冲击应力之间的关系,我们发现随着峰值冲击应力的增大,层裂强度几乎保持不变,随后降低,而应变率则明显不断增大。应变率效应被冲击加载带来的温升效应所抵消,导致层裂强度与应变率几乎无关。3.通过软回收技术,得到PC的层裂回收样品。采用CT对回收样品进行了扫描分析,通过层裂损伤区域的三维重构图像结合光镜照片探讨了 PC层裂损伤的形成机理。我们认为拉伸应力会使材料内部产生初期微孔洞或裂缝。伴随着孔洞的长大,相邻的孔洞会由于局部拉应力的作用而相互靠近,进而形成更大的孔洞。由于分子链内部的共价键破坏强度较大,低速实验下的孔洞多为细长条型,高速实验下的孔洞多为椭球型。4.通过对CT重构图的分析,得到了不同冲击速度下PC回收样品的层裂损伤分布,样品的层裂区域存在一个损伤程度较大的垂直于冲击方向的平面,称为主层裂面,层裂损伤程度从主层裂面向两边近似呈正态分布。随着损伤孔洞体积的增大,孔洞的数量密度呈现出一个下降的趋势,具有较大尺寸的孔洞和裂纹,其数量密度随着冲击速度的增大而增大;而小尺寸孔洞和裂纹,其数量密度随着冲击速度的增大而减小。
【图文】：

汽车制造,航空航天

逦聚碳酸酯在冲击加载下的损伤机理研宄逦逡逑第一章绪论逡逑１．１研究背景逡逑聚合物材料由于其优良的性能，在现代社会生产生活中随处可见，小到我们的手机、逡逑眼镜，大到汽车、火箭和飞机等。其中ＰＣ邋（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ，，简称ＰＣ）作为应用最为广逡逑泛的五大工程塑料之一，具有良好的抗冲击性能、硬度高，有优秀的成型加工性能、优逡逑良的耐候性，加工成型后的制件外形稳定不易变形ｍ，被广泛应用于建筑生产、汽车制逡逑造、机械工程和玻璃制造等行业，用来制造汽车照明灯外壳，飞机的挡风玻璃、工程安逡逑全帽等［２］。逡逑

建筑工人,大运会,安全帽,场馆

本课题在前人研究的基础上，通过一级轻气炮加载的平板冲击实验，主要结合Ｘ射逡逑线计算机断层扫描技术，研宄了邋ＰＣ材料在冲击加载下的低速段Ｈｕｇｏｎｉｏｔ状态方程，并逡逑探宄了材料内部的层裂损伤成核生长机理。逡逑１．２聚碳酸酯材料简介逡逑ＰＣ是一类聚合物材料的统称，它们的共同特征是其大分子链上都含有ＰＣ基（一逡逑ＯＲＯＣＯ—），根据基团上Ｒ所代表的基团不同，可以包括脂环族ＰＣ、脂肪族ＰＣ、芳香族逡逑ＰＣ和脂肪族－芳香族ＰＣ等，但是由于生产工艺手段以及应用范围的限制，目前市面上广逡逑泛生产和使用的是双酚Ａ型ＰＣ［５］，因此本论文所采用的是实验原材料也为双酚Ａ型ＰＣ，逡逑其分子式为：逡逑0逦逦逦逦邋ｃｈ３邋逦逦逦逡逑
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ323.41

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