聚合物基纳米复合材料的抗时间依赖性变形性能

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点是其相对较差的抗蠕变能力，损害了使用耐久性和安全性，这是进一步发展其潜在应用的重大障碍。近年来，高分子纳米复合材料作为材料科学的一个新兴领域日益受到关注。关于这些材料的最佳性能组合仍然存在许多科学问题。本课题的主要任务是研究各种纳米颗粒和多壁碳纳米管填充热塑性塑料的抗蠕变性能。

采用实验观测和建模预测的方法对三种不同的纳米复合材料体系进行了系统的研究。在第一部分中，制备了纳米颗粒/PA体系，并在不同温度(23、50、80℃)下进行了不同应力水平(20、30、40 MPa)下的蠕变试验。目的是了解不同纳米颗粒对蠕变性能的影响。300 nm和21 nm的TiO2纳米颗粒和纳米粘土分别为1 vol. %。研究了表面改性的21 nm TiO2颗粒。在这些温度下进行静态拉伸试验。结果表明，纳米颗粒在不牺牲静态拉伸性能的情况下，不同程度地显著提高了材料的抗蠕变性能。在不同温度和应力水平下，蠕变表现为等时应力-应变曲线、蠕变速率和蠕变柔度。简要介绍了取向硬化、热激活和应力激活过程，以进一步了解这些纳米复合材料的蠕变机制。

第二种材料体系是填充了1 vol. % 300 nm和21 nm TiO2纳米颗粒的PP，该体系基于另一种Tg低得多的基体材料，用于获得更多关于粒径对蠕变行为影响的信息。研究发现，小颗粒纳米颗粒能显著提高材料的抗蠕变性能。此外，在高应力水平下，较小的纳米颗粒显著延长了蠕变寿命。抗蠕变性能的提高是由于小颗粒形成的非常致密的网络，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，目的是探索多壁碳纳米管增强PP的蠕变行为。采用长宽高比为1 vol. %的纳米管。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，对长期蠕变行为进行建模分析和预测，使人们对所研究材料的蠕变有了全面的了解。采用Burgers模型和Findley幂律对实验数据进行了较好的模拟。基于Burgers模型的参数分析提供了结构-属性关系的解释。由于它们内在的差异，幂律比汉堡模型更能预测长期行为。采用时间-温度-应力叠加原理，在短期试验数据的基础上预测材料的长期蠕变性能，使材料的未来性能预测成为可能。