聚合物基纳米复合材料的抗时变性能

聚合物和复合材料的广泛工程应用已成为最先进的技术，因为它们比金属和合金具有许多优点，如重量轻，易于加工和制造，以及可接受的机械性能。然而，热塑性塑料的普遍缺陷是其相对较差的抗蠕变性能，损害了服务耐久性和安全性，这是进一步发展其潜在应用的重大障碍。近年来，聚合物纳米复合材料作为材料科学的一个新领域日益受到关注。关于这些材料的最佳性能组合仍存在许多科学问题。本工作的主要任务是研究不同纳米颗粒和多壁碳纳米管填充的热塑性塑料的抗蠕变性能。

通过实验观察和建模预测，对三种不同的纳米复合材料体系进行了系统研究。在第一部分中，制备了纳米颗粒/PA系统，在不同的应力水平(20、30、40 MPa)和不同的温度(23、50、80℃)下进行蠕变测试。目的是了解不同纳米颗粒对蠕变性能的影响。1 vol. %的300 nm和21 nm TiO2纳米颗粒和纳米粘土被考虑。研究了表面改性的21 nm TiO2颗粒。在相应的温度下进行静态拉伸试验。研究发现，纳米颗粒在不牺牲静态拉伸性能的情况下，不同程度地提高了材料的抗蠕变性能。蠕变由不同温度和应力水平下的等时应力-应变曲线、蠕变速率和蠕变柔度表征。简要介绍了定向硬化、热活化和应力活化过程，进一步了解了这些纳米复合材料的蠕变机理。

第二种材料体系是填充1 vol. % 300 nm和21 nm TiO2纳米颗粒的PP，用于获得更多关于粒径对蠕变行为影响的信息，基于另一种Tg低得多的基质材料。研究发现，小纳米颗粒尤其能显著提高抗蠕变性能。此外，更小的纳米颗粒明显延长了在高应力水平下的蠕变寿命。抗蠕变性能的提高归因于小颗粒形成的非常密集的网络，有效地限制了聚合物链的流动性。蠕变试验前后试样中球晶形态和结晶度的变化证实了这一解释。

在第三种材料体系中，目的是探讨多壁碳纳米管增强PP的蠕变行为。使用了1 vol. %的短宽比和长宽比纳米管。结果表明，纳米管显著提高了基体的抗蠕变性能，降低了基体的蠕变变形和蠕变速率。此外，复合材料在高温下的蠕变寿命显著延长了1000%。这种增强有助于碳纳米管和周围聚合物链之间有效的负载转移。

最后，通过对长期蠕变行为的建模分析和预测，对所研究材料的蠕变有了全面的了解。应用Burgers模型和Findley幂律对实验数据进行了较好的模拟。基于Burgers模型的参数分析解释了结构与性能的关系。由于幂律与Burgers模型的内在差异，幂律比Burgers模型更能预测长期行为。采用时间-温度-应力叠加原理，根据短期实验数据预测长期蠕变性能，为预测材料未来性能提供了可能。