日常生活与工程应用广泛使用各种高分子材料,难以避免的划痕会损伤材料表面,影响其功能性与美观性。与直觉想象不同,高分子材料划痕过程伴随着~100°C的剧烈升温。经过西南交通大学蒋晗教授(https://faculty.swjtu.edu.cn/HanJIANG)“高分子材料力学性能”课题组持续研究,这一独特现象的复杂宏微观机理最近得到初步解答。由张建伟、蒋晗、杨卓然等撰写的相关系列论文分别发表在摩擦学和材料力学领域老牌著名期刊Tribology International和International Journal of Solids and Structures[1-3]。
在非晶态高分子材料聚甲基丙烯酸甲酯PMMA刮擦实验中,蒋晗教授课题组研究人员利用高速红外测温仪观察到与划痕密切相关的温升现象(Tribology International, doi:10.1016/j.triboint.2015.10.037)[1],尤其是材料表面裂纹破坏阶段伴随着剧烈的温升(图1)。
刮擦划痕独特的加载工况导致应力应变状态极为复杂,材料经历脆性与韧性变形/破坏的共存、转化与竞争。通过在非线性弹塑性本构模型中考虑银纹萌生准则,引入脆韧竞争转化机制(International Journal of Solids and Structures, doi:10.1016/j.ijsolstr.2017.06.033)[2],并通过VUMAT用户定义材料子程序嵌入有限元算法,高分子材料刮擦复杂破坏得到了很好的模拟实现(图2)。
利用上述方法,PMMA刮擦实验温升演化机理以及裂纹破坏处的剧烈温升现象得到了合理描述(图4)。从银纹微观机理出发建立其演化过程模型,从能量角度解释了刮擦过程伴随的剧烈温升现象。该系列研究工作对理解非晶态脆性高分子材料的银纹断裂机理,描述由此导致的刮擦剧烈温升现象,提供了宏观现象与微观机理的连接桥梁。这一研究工作得到国家自然科学基金(11472231,11872321)资助。