收藏本站
收藏 | 论文排版

高聚物材料拉伸过程热效应的红外热像分析

王孟  
【摘要】:高聚物材料在受力形变过程中由于内部分子聚集结构的变化会导致各种形式的热生成,包括粘性摩擦引起的耗散热、分子链排列结构发生变化的构象熵热及结晶热焓。当材料样品足够厚或形变速率足够快,即近似绝热的情况下,这些热可致材料温度发生变化,基于这种温度的变化特征我们可以获得材料分子结构和分子运动的信息。本文采用红外热成像技术(IRT),用于在线跟踪高聚物材料在拉伸形变过程的热效应特征,建立一种新的材料受力形变的热力学分析方法,并揭示材料的各种形变机理及分子结构演变特征。 本文研究包括高聚物受力塑性变形和弹性变形的各种热效应特征,内容涉及到: (1)均匀塑性变形的热弹效应与塑性热特征 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)样条的单轴拉伸是个典型的均匀塑形变形过程,形变经历了两个特征阶段,起始的弹性变形和屈服后均匀塑性大变形。红外热成像技术跟踪整个形变过程温度变化,发现起始弹性小形变阶段样条有一个明显的微小温度下降,进入塑性屈服大形变阶段材料温度才逐渐升高,而且相同拉伸比时的温升与形变速率无关。基于这种先降后升的温度变化特征,通过热力学方法推导出影响起始的弹性变形温度变化的关系式dT=-α/(?)·T0·dσ,解释了起始弹性温度降低与UHMWPE材料正的热膨胀系数有关,于是利用这种热弹效应我们建立了种新的测试材料线性热膨胀系数的方法:α=-ρ·Cp/T0·dT/dσ,实验测试结果与热膨胀计法测试得到的材料线性热膨胀系数具有很好的一致性。当形变进入均匀塑性大变形阶段,温度逐步升高可能由摩擦耗散、结晶或构象变化所致,但相同拉伸比温升不依赖形变速率,表明UHMWPE大的塑性变形本质上是一种强迫高弹形变。 (2)非均匀塑性变形的“颈缩”热效应 聚丙烯(PP)纤维和聚酯(PET)纤维在拉伸形变过程具有明显的颈缩现象。我们通过红外热成像技术研究这种颈缩过程的热效应,实验利用一种特殊的18um微焦镜头可以同时测试纤维的温度与直径的变化。红外热像图显示纤维温度变化仅只在成颈区域发生,而成颈区域最高温度一直随着纤维成颈点不断发生迁移。随着拉伸速率的提高,纤维成颈区域的温升也增大,可以超过环境温度40-80℃。尽管成颈区域不断迁移,但在给定的拉伸速率下,成颈区域的温度梯度被注意到始终保持恒定的,因此过程形变热可采用热导率的公式Q=K·A·dT/dx·dt求得。通过热力学第一定律分析,可发现PP纤维颈缩阶段内能不断增加,分析可能是由于发生结晶的熔化、新的缺陷界面的形成、以及储存了弹性应变能的原因。而PET纤维颈缩阶段内能下降,可能是由于PET形变诱导结晶所致。同时对比PP和PET纤维在相同拉伸速率下成颈区域温度,明显PET的温升要高于PP的温升。通过差示扫描量热(DSC)结果分析,成颈前后PET的结晶度变化要大于PP的变化,这个证实了PET纤维成颈温度除因为塑性耗散作用外,结晶热焓不容忽视。 (3)橡胶弹性体的热弹转变及弹性热力学分析 红外热成像技术用于研究天然橡胶(NR)和丁腈橡胶(NBR)的形变热效应特征,几个显著的温度变化特征被注意到:(1)橡胶拉伸过程,温度在升高之前会有一个微小的下降,具有明显的热弹转变效应特征;(2)在连续拉伸-回复过程中,第一次循环过程温度变化只有部分可逆性,表现出橡胶的粘弹性能;(3)经历第一次拉伸-回复过程温度有一定的升高,而随后的拉伸-回复循环过程温度具有几乎完全的可逆性。这些热效应现象揭示了橡胶形变分子结构运动与演变特征。显然碳黑填充橡胶经初始拉伸有明显的分子链滑移与重构,这个导致交联点间链段更加均匀化。初次循环温度的变化具有速率依赖性,表现出了粘弹性质。而重构化的结构更符合理想的弹性结构,温度不再具有速率依赖性。经多次拉伸的橡胶样品的形变基本上达到了热力学平衡状态,这样可通过建立热力学的方法研究橡胶的弹性本质,实验利用橡胶热弹转变效应特征内能对橡胶弹性的贡献也能被测试得到,结果表明:在小应变时,内能相对于弹性的贡献(△U/W)P,T随拉伸比迅速减小,随着拉伸比增大,最后趋于恒定值。这主要是由于内能变化除与分子内本身构型有关,还与分子间的相互作用有关。但当λ4时,NR的(△U/W)P,T值有明显的下降趋势,内能对弹性的贡献为负值,这可能主要是由于NR的拉伸诱导结晶所致。 (4)热塑性弹性体的循环拉伸-回复热效应 聚氨酯(PU)弹性纤维是一种典型的热塑性弹性体,红外热成像技术研究干纺、熔纺及纳米填充聚氨酯弹性纤维的拉伸-回复过程温度变化,几个相同的热效应特征被注意到:(1)弹性样条拉伸时温度升高,回复时温度降低,这与弹性体典型的熵弹性本质相关;(2)在第一次拉伸-回复循环中出现了一个大的不能回复的温度值,而随后几次循环中,拉伸与回复的温度变化基本相同;(3)第一次拉伸过程的温度变化值明显高于随后几次拉伸过程中的温度变化值。为了更好的理解这些热效应特征,实验借助一个简单的高弹-粘弹模型加以解释。几种弹性体热效应不同之处在于:干纺聚氨酯弹性纤维初次拉伸-回复温度差值要大于熔纺聚氨酯,可能是因为干纺聚氨酯内部的氢键密度更大,物理交联点数目更多,拉伸过程中结构变化需要克服更大摩擦阻力的原因。同样纳米填充的聚氨酯弹性体比未填充的初始拉伸-回复温度差值要大,是因为纳米粒子与聚氨酯基体间氢键作用,从而能在高分子链间形成更多物理交联点,使得形变过程中分子链运动受到更大的粘性摩擦阻力,而这种粘性摩擦损耗对聚氨酯弹性体的耐疲劳性能会有很大的改进。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 张伯霖;;机床制造中的热效应及其对策[J];广东工业大学学报;1993年03期
2 张淮浩;边海军;陈进富;郭绍辉;;添加导热材料提高型炭吸附剂储气性能的研究[J];天然气工业;2007年02期
3 吴莉莉;贾玉玺;孙胜;张国芳;安立佳;;阴离子聚合反应挤出过程的化学热效应[J];合成树脂及塑料;2007年01期
4 周晓明;;基于中国数字人电磁建模的手机天线辐射数值模拟[J];中国辐射卫生;2009年01期
5 邢东平;;异常高压气井单相流态节流热效应计算[J];内蒙古石油化工;2009年10期
6 杜利东;赵湛;庞程;方震;韩有君;翟文业;刘泳宏;;电阻热效应对力式微固态测风传感器测量精度的影响[J];功能材料与器件学报;2009年04期
7 郑青榕;蔡振雄;陈武;戴乐阳;廖海峰;;甲烷在成型前后活性炭上吸附的初步试验[J];化工学报;2009年S1期
8 葛晗;杜川;陈皓生;;空蚀坑周围彩虹区的形成机理[J];摩擦学学报;2010年04期
9 ;如何节用液化气[J];现代经济信息;1995年05期
10 谢高阳;;差热分析法的进展及其某些应用[J];化学通报;1960年03期
11 陆兆锷;燃料电池[J];化学世界;1981年06期
12 欧阳昌盛,曾武;关于石煤发热量的探讨[J];长沙电力学院学报(自然科学版);1986年02期
13 王鸿生,楼星球,杨瑞金;Roberts铜盐法测定蔗汁葡聚糖含量的热效应——淀粉对受热蔗汁葡聚糖测定的影响[J];食品与生物技术学报;1987年03期
14 胡晓东,阮晓红,刘晓波;微电解处理低电导印染废水及热效应研究[J];江苏环境科技;2003年03期
15 齐国祯,谢在库,钟思青,张成芳,陈庆龄;甲醇制低碳烯烃(MTO)反应热力学研究[J];石油与天然气化工;2005年05期
16 潘正鸿;刘欣梅;代晓东;张建;宋辉;;天然气吸附储存的影响因素[J];油气储运;2007年05期
17 王保建;赵志龙;徐义库;刘林;;高密度脉冲电流对纯铝凝固组织的影响及其内在机理研究[J];热加工工艺;2008年03期
18 于永江;张春会;王来贵;;超声波干扰提高煤层气抽放率的机理[J];辽宁工程技术大学学报(自然科学版);2008年06期
19 李茂德;程惠尔;;过氧化氢水溶液在自分解过程中的温升特性[J];航空动力学报;2009年01期
20 杨军;黄涛;;成都市填埋垃圾厌氧降解的热效应研究[J];辽宁工程技术大学学报(自然科学版);2010年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 周鹏;;种植屋面初探[A];中国建筑学会2003年学术年会论文集[C];2003年
2 程小劲;徐剑秋;;固体激光器中热效应对晶体介质寄生振荡的影响[A];2007年先进激光技术发展与应用研讨会论文集[C];2007年
3 季宇彬;徐昶儒;朱兴杰;李文兰;;电磁辐射的毒理学研究[A];中国毒理学会环境与生态毒理学专业委员会成立大会会议论文集[C];2008年
4 苑凯华;邱志平;;热环境下复合材料壁板颤振分析[A];第十一届全国空气弹性学术交流会会议论文集[C];2009年
5 张会臣;朱均;;胶合失效机理的理论探讨[A];第三届全国青年摩擦学学术会议论文集[C];1995年
6 张炽敏;李嘉;吴培;;应用超声显像对不同微波辐射天线热效应的研究[A];中华医学会第六次全国超声医学学术年会论文汇编[C];2001年
7 刘春梅;陈锦云;柯丹;徐杰;雷令;李发琪;王智彪;;脉冲高强度聚焦超声辐照离体牛肝热效应的研究[A];中国生物医学工程进展——2007中国生物医学工程联合学术年会论文集(上册)[C];2007年
8 吴志成;沈勇;王旭;孙飞;;动圈扬声器功率压缩计算方法研究[A];2008年声频工程学术交流年会论文集[C];2008年
9 李建丽;刘永昌;;延迟战略在世博会热效应中的应用[A];上海海事大学“上海石化杯”优秀论文集[C];2005年
10 余寿文;;铁电材料的在循环电载作用下的热效应与疲劳[A];第十四届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王孟;高聚物材料拉伸过程热效应的红外热像分析[D];东华大学;2012年
2 周玉波;新型聚膦腈/聚氨酯无机/有机共聚材料的制备及性能研究[D];上海交通大学;2009年
3 张月萍;冷等离子体处理制备催化剂研究[D];天津大学;2004年
4 李志刚;大功率固态激光器中的传热与热应力研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2008年
5 康七虎;考虑热效应影响的气井试井资料分析方法研究[D];大庆石油学院;2008年
6 季小玲;高功率畸变激光的传输特性和光束控制研究[D];四川大学;2004年
7 陈吉欣;掺镱双包层光纤激光器研究[D];电子科技大学;2006年
8 张晨利;碳纳米管的等效弹性参量和屈曲行为分子动力学模拟研究[D];上海交通大学;2007年
9 王春灿;大功率光纤激光源中热效应和受激布里渊散射的抑制与半导体激光器线阵的光束整形[D];北京交通大学;2008年
10 祖宁宁;LD端面泵浦连续Nd:GdVO_4激光的理论研究[D];吉林大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 夏巍;考虑热效应的复合材料壁板颤振特性研究[D];西北工业大学;2004年
2 李朵朵;齿轮传动动态弹流润滑的数值计算模型研究[D];太原理工大学;2004年
3 罗斌;DDS声光锁模技术研究[D];电子科技大学;2003年
4 成华;钕玻璃棒状激光器热容运行方式的理论和实验研究[D];四川大学;2005年
5 何金玉;激光对小麦UV-B损伤防护和修复作用的热效应机制初步研究[D];西北大学;2006年
6 孙立辉;强激光与光伏型探测器的相互作用[D];青岛科技大学;2006年
7 陈亚平;青藏高原SBR反应器的热效应研究[D];西南交通大学;2004年
8 冯桂萍;基于齿面粗糙度的齿轮传动热弹流润滑研究[D];太原理工大学;2005年
9 朱志武;多点泵浦掺镱双包层光纤激光器输出特性的理论分析与数值模拟[D];国防科学技术大学;2005年
10 黄剑平;蓝光固体激光器的热效应问题和温度控制[D];厦门大学;2006年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 张海波 艾浩 本报记者 金龙;政策热效应的冷思考[N];黑龙江日报;2005年
2 单士兵;大学生“考证热”的市场“热效应”[N];人民日报海外版;2003年
3 本报记者赵文侠;改编热,注定引来“热效应”?[N];北京日报;2003年
4 本报记者 刘蛟;第十年的“特刊”热效应[N];中国纺织报;2006年
5 孔章圣;洋超市缘何热效应不减[N];江苏经济报;2000年
6 张来用 田伏长;创新带来热效应[N];中国保险报;2002年
7 本报特约评论员 陈海荣;热效应 冷思考[N];医药经济报;2003年
8 张海波 艾浩;政策“热效应”的冷思考[N];黑龙江经济报;2005年
9 记者 孙占稳 王玉亮;中科廊坊科技谷凸显“热效应”[N];河北日报;2007年
10 陆蓓;“电子钱包”越来越俏[N];科技日报;2002年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978