简述粘弹性材料的特点

第２１卷第６期　Ｖｂｌ　２１　Ｎ０　６　中国有色金属学报　Ｔｈｅ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ　Ｍｅｔａｉｓ　２０１１年６月　Ｊｕｎ　２０１１　文章编号：１００４－０６０９（２０１　１）０６—１３８９—０７　

基于粘弹性理论异种材料的共烧结致密化　

刘攀，何浩，李益民　

（中南火学粉末冶金国家重点实验室，长沙４１００８３）　

摘要：基于加压烧结粘弹性流动理论，引入烧结速率小匹配造成的界面席力，并考虑界面应力分布情况，建立　两种材料共烧结致密化模型，描述共烧结界面应力对共烧结致密化的影响。通过两种材料自由烧结数据，进行材　料参数拟合；通过拟合得到的材料参数进行共烧结致密化模型模拟。结果表明：共烧结会使得试样中存在密度梯　度，并日．。』能力ｌｌ大或者缩小界面处密度差异，对共烧结后界面结合强度造成影响。采用不同孔隙率的铜粉共烧结　进行验证，实验测得共烧结试样密度梯度分布以及界面处密度差异变化和模型预测结果一致。　关键词：共烧结；致密化；烧结理论；密度梯度　中图分类号：ＴＦ１２１　文献标志码：Ａ　

Ｃｏ—ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　

ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃ　ｔｈｅｏｒｙ　

ＬＩＵ　Ｐａｎ，ＨＥ　Ｈａｏ，ＬＩ　Ｙｉ—ｍｉｎ　

（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆＰｏｗｄｅｒ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｍｏｄｅｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃ　ｔｈｅｏｒｙ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｏｎ　ｃｏ－ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｍｉｓｍａｔｃｈ　ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｒａｔｅｓ　ｗａｓ　ｍｏｄｅｌｅｄ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｉｔｔｅｄ　ｂｙ　ｆｒｅｅ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｇｒａｄｉｅｎｔ　ｉｎ　ＣＯ－ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｉｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｓｔｒｅｓｓ，ｔｈｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ａｔ　ＣＯ－ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｍａｙ　ｂｅ　ｅｎｌａｒｇｅｄ　ｏｒ　ｍｉｎｉｍｉｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｕｓ　ｈａｓ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｂｏｎｄｉｎｇ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｃｏｐｐｅｒ　ｐｏｗｄｅｒ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｏｗｄｅｒ　ｌｏａｄｉｎｇｓ．Ｔｈｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｇｒａｄｉｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｄｉｓｃｒｅｐａｎｃｙ　ａｔ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｇｒｅｅ　ｗｅｌｌ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＣＯ－ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ；ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｔｈｅｏｒｙ；ｄｅｎｓｉｔｙ　ｇｒａｄｉｅｎｔ　

第２６卷　第６期　Ｖｏ１．２　６　Ｎｏ．６　材料科学与工程学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　８Ｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　总第１１６期　Ｄｅｃ．２００８　文章编号：１６７３—２８１２（２００８）０６—０９６３—０４　玻纤增强酚醛树脂复合材料的粘弹性　材料储能模量模型的建立　周大鹏　，许平华　。范　宏　ｆ１．嘉兴学院生物与化学工程学院，浙江嘉兴　３１４００１；２．浙江大学聚合反应工程国家重点实验室，浙江杭州　３１００２７）　【摘要】利用ＤＭＡ分析技术考察了玻纤增强酚醛复合材料的储能模量在升温过程中的变化。由于后固化　和热分解反应的发生，材料的储能模量在温度高于玻璃化转变温度后出现了先上升随后下降的趋势。以三元件标　准线性固态模型为基础建立了材料储能模量变化的数学模型，模型计算值与实验实测值吻合较好。　【关键词】玻璃纤维；酚醛树脂；复合材料；储能模量　中图分类号：ＴＢ３３２，ＴＰ２７３　文献标识码：Ａ　Ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｇｌａｓｓ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｈｅｎｏｌｉｃ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ａ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｍｏｄｕｌｕｓ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ｗａｓ　Ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ＺＨＯＵ　Ｄａ—ｐｅｎｇ　，ＸＵ　Ｐｉｎｇ－ｈｕａ　，ＦＡＮ　Ｈｏｎｇ￣　（１．Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＪｉａＸｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，ＪｉａＸｉｎｇ　３１４００１；　２．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｒｅａｃｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００２７，Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｇｌａｓｓ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｅｄ　ｔｈｅｒｍｏｓｅｔ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｗａｓ　ｆｏｌｌｏｗｅｄ　ｂｙ　ｉｒｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ　ｐｏｓｔｃｕｒｅｄ　ａｎｄ　ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ　ｒｅａｃｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈ　ｗｅｒｅ　ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｍｏｄｕｌｕｓ．Ｕｓｉｎｇ　ａｎ　ａｎａｌｏｇｙ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　１ｉｎｅａｒ　ｓｏｌｉｄ　（ＳＬＳ）ｍｏｄｅｌ，ａ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｍｏｄｕｌｕｓ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｔｏ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｍｏｄｕｌｉ　ｏｆ　ｇｌａｓｓ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｈｅｎｏｌｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｍｏｄｕｌｕｓ　ｏｆ　ｇｌａｓｓ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｈｅｎｏｌｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ａｇｒｅｅｄ　ｗｅｌｌ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］　ｇｌａｓｓ　ｆｉｂｅｒ；ｐｈｅｎｏｌｉｃ　ｒｅｓｉｎ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｓｔｏｒａｇｅ　ｍｏｄｕｌｕｓ　１　引　言　高聚物复合材料的粘弹性与其结构、性能密切相关，对　材料粘弹性的描述可以预测材料在力的作用下随温度和时　间而产生的性能变化，从而可反映出材料的使用寿命和使　用状态＿】］。玻纤增强酚醛复合材料在升温测试或使用时，　会发生如后固化、热分解等反应，此过程中材料粘弹性能的　变化与其后固化性能的改变、降解过程中微孑Ｌ的形成以及　基体与纤维的开裂等密切相关＿２］。本文通过动态力学分析　（Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ，简称ＤＭＡ）表征了玻纤增强　酚醛复合材料的动态粘弹性能，并利用相应的数学模型定　量地描述材料在升温（或延长时间）过程中储能模量的变　化，为预测材料的使用寿命和使用状态提供理论支持。　２　实　验　２．１玻纤增强酚醛树脂复合材料的制备　］　短切无碱玻璃纤维（长度：１～６ｍｍ，直径：１～３“ｍ）与热　固性酚醛树脂（ｒｅｓｏ１）在捏合机中充分混合，加入热塑性酚　醛树脂（ｎｏｖｏｌａｃ）及其他助剂继续捏合混匀，取出后在双辊　开炼机上塑炼均匀，而后冷却、粉碎制得玻纤增强酚醛复合　材料。该材料在硫化机上压制成ＤＭＡ测试样条（３５．５×　ｌ１．５×１．９５ｍｍ），其中模具温度为１７０℃，压制时间为　２ｍｉｎ。　２．２　ＤＭＡ测试　采用ＤＭＡ　Ｑ８００型动态力学分析仪，测试温度范围为　５０￣４００℃，升温速率２．５℃／ｒａｉｎ，进行多组频率扫描测试，　频率分别为０．０５、０．３、１、２、３Ｈｚ。　３　结果分析与讨论　３．１材料储能模量在升温过程中的变化　玻纤增强酚醛树脂复合材料的储能模量（Ｇ　）随温度的　变化趋势如图１。从图中旬以看出（以测试频率０．３Ｈ　为　收稿日期：２００７—１２—０７；修订日期：２００８—０１—２９　作者简介：周大鹏（１９７７一），男，博士，副教授，主要从事酚醛树脂及其复合材料方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｄｐ９２７０＠１６３．ｃｏｒｎ。

ANSYS 粘弹性材料

1.1 ANSYS中表征粘弹性属性问题

粘弹性材料的应力响应包括弹性部分和粘性部分，在载荷作用下弹性部分是即时响应的，而粘性部分需要经过一段时间才能表现出来。一般的，应力函数是由积分形式给出的，在小应变理论下，各向同性的粘弹性本构方程可以写成如下形式：

002ttdedGtdIKtddd (1)

其中

＝Cauchy应力

Gt＝为剪切松弛核函数

Kt＝为体积松弛核函数

e＝为应变偏量部分（剪切变形）

＝为应变体积部分（体积变形）

t＝当前时间

＝过去时间

I＝为单位张量。

该式是根据松弛条件本构方程(1)，通过将一点的应变分解为应变球张量（体积变形）和应变斜张量（剪切变形）两部分，推导而得的。这里不再敖述，可参考相关文献等。

ANSYS中描述粘弹性积分核函数Gt和Kt参数表示方式主要有两种，一种是广义Maxwell单元（VISCO88 和 VISCO89）所采用的Maxwell形式，一种是结构单元所采用的Prony级数形式。实际上，这两种表示方式是一致的，只是具体数学表达式有一点点不同。1.2 Prony级数形式

用Prony级数表示粘弹性属性的基本形式为：

1expGniGiitGtGG (2)

1expKniKiitKtKK (3)

其中，G和iG是剪切模量，K和iK是体积模量，Gi和Ki是各Prony级数分量的松弛时间(Relative time)。再定义下面相对模量(Relative modulus)

0GiiGG

(4)

0KiiKK (5)

其中，0G，0K分别为粘弹性材质的瞬态模量，并定义式如下： 010GniiGGtGG (6)

1. 构型与构象有何区别？聚丙烯分子链中碳－碳单键是可以旋转的，通过单建的内旋转是否可以使全同立构的聚丙烯变为间同立构的聚丙烯？为什么?

答：构型：是指分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列。

构象：由于分子中的单键内旋转而产生的分子在空间的不同形态。

全同立构聚丙烯与间同立聚丙烯是两种不同构型，必须有化学键的断裂和重排。

3. 哪些参数可以表征高分子链的柔顺性？如何表征？

答： 空间位阻参数δ

212,20rfhh答：因为等规PS上的苯基基团体积较大，为了使体积较大的侧基互不干扰，必须通过C－C键的旋转加大苯基之间的距离，才能满足晶体中分子链构象能量最低原则；对于间规PVC而言，由于氢原子体积小，原子间二级近程排斥力小，所以，晶体中分子链呈全反式平面锯齿构象时能量最低。

δ越大,柔顺性越差；δ越小，柔顺性越好；

特征比Cn 220nlhcn

对于自由连接链 cn=1

对于完全伸直链cn=n，当n→∞时，cn可定义为c∞，c∞越小，柔顺性越好。

链段长度b：链段逾短，柔顺性逾好。

7.比较下列四组高分子链的柔顺性并简要加以解释。

解：（1）PE>PVC>PAN

主链均为C－C结构，取代基极性－CN﹥－Cl，所以，聚丙烯腈的柔顺性较聚氯乙烯差；

（2）2>1>3

1与3中都含有芳杂环，不能内旋转；3中全为芳环，柔顺性最差；主链中-O-会增加链的柔顺性；

（3）3>2>1

因为1中取代基的比例较大，沿分子链排布距离小，数量多，分子链内旋转困难；2和3中均含有孤立双键，易内旋转，故柔顺性较好。

（4）2>1>3

2中取代基对称排列，分子偶极矩极小，易内旋转；3中极性取代基较中比例大，分子内旋转困难，故柔顺性最差。

第2章 聚合物的凝聚态结构

1. 名词解释 凝聚态：物质的物理状态，是根据物质的分子运动在宏观力学性能上的表现来区分的，通常包括固体、液体和气体。高分子的凝聚态是指高分子链之间的几何排列和堆砌状态，包括固体和液体。