考慮顆粒團聚影響的聚合物基復合材料溫度相關性拉伸斷裂強度理論表征模型

摘要：聚合物基復合材料在不同溫度下的拉伸斷裂強度一直是人們關注的焦點，顆粒作為一種常見增強相可以顯著提高聚合物基復合材料的拉伸斷裂強度。然而，隨著顆粒體積分數的增加，顆粒將會發生團聚現象，從而影響增強效果。針對顆粒增強聚合物基復合材料，通過計及顆粒團聚的影響，以及材料熱物理性能隨溫度的演化，建立了一個考慮團聚影響的溫度相關性拉伸斷裂強度理論表征模型。模型得到了實驗數據的良好驗證。研究成果為定量表征不同顆粒含量、不同溫度下復合材料的拉伸斷裂強度提供了一種有效途徑，加深了對不同溫度下團聚現象對復合材料力學性能影響的認識。

關鍵詞：顆粒增強；聚合物基復合材料；溫度相關性；團聚；拉伸斷裂強度

中圖分類號：O341 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）08-132-09

顆粒增強聚合物基復合材料由于其優異的力學性能在航空航天、汽車工業和能源化工等領域中得到了廣泛應用[1?3]。材料在上述領域服役時常面臨高溫環境的挑戰[3- 4]，而拉伸斷裂強度作為評估材料安全可靠性的一個重要指標[5?11]，對溫度非常敏感。同時，顆粒體積分數也是影響復合材料拉伸斷裂強度的重要因素[12?13]，研究表明，隨著顆粒體積分數的增加，復合材料的拉伸斷裂強度先升高達到最大值，這個最大值對應的顆粒體積分數被稱為臨界體積分數[1]，之后拉伸斷裂強度隨著顆粒體積分數的增加而下降，下降的原因是此時復合材料中出現了顆粒團聚現象，顆粒團聚會削弱復合材料的拉伸斷裂強度[14?15]。因此，表征溫度和團聚對顆粒增強聚合物基復合材料拉伸斷裂強度的影響對于顆粒增強聚合物基復合材料的應用、評價和新材料研制具有重要意義。目前，已經有眾多學者分別研究了溫度、團聚或兩者共同作用對顆粒增強聚合物基復合材料拉伸斷裂強度的影響。在實驗方面，Bora[16]對聚氯乙烯/火山灰復合材料的拉伸力學性能進行了實驗研究，測定了其在不同溫度下的拉伸斷裂強度，發現拉伸斷裂強度隨著溫度的升高而顯著降低。Agrawal等[17?19]采用固溶鑄造法制備了硫化鎘顆粒增強聚甲基丙烯酸甲酯（CdS/PMMA）復合材料、硫化鎘顆粒增強聚苯乙烯（CdS/PS）復合材料和硫化鋅顆粒增強聚甲基丙烯酸甲酯（ZnS/PMMA）復合材料，并研究了這3 種材料在不同溫度下的拉伸斷裂強度。研究發現，當顆粒質量分數達到一定值時，會出現團聚現象，此后復合材料的拉伸斷裂強度隨著顆粒質量分數的增加而降低。上述實驗研究加深了對顆粒增強聚合物基復合材料的拉伸斷裂強度的認識和理解。在理論方面，Dai 等[1]建立了可考慮團聚影響的顆粒增強聚合物基復合材料拉伸斷裂強度理論表征模型，但該模型沒有以顯式的形式考慮溫度對復合材料拉伸斷裂強度的影響。Li 等[3]建立了一個顆粒增強聚合物基復合材料溫度相關性拉伸斷裂強度理論表征模型，而該模型沒有考慮顆粒團聚的影響。因此，有必要建立能定量表征溫度和團聚對顆粒增強聚合物基復合材料拉伸斷裂強度共同影響的理論表征模型。

在本研究中，考慮材料熱物理性能隨溫度的演化及顆粒團聚的影響，建立了一個考慮顆粒團聚影響的聚合物基復合材料溫度相關性拉伸斷裂強度理論表征模型，并利用獲取到的所有3 種顆粒增強聚合物基復合材料的實驗數據對模型進行了驗證，為定量表征不同顆粒含量、不同溫度下復合材料的拉伸斷裂強度提供了一種有效途徑，加深了對不同溫度下團聚現象對復合材料力學性能影響的認識。