高分子材料的韧性篇1

关键词：电子精密管；界面；力学性能

中图分类号：TG115文献标识码：A

1精密管概述

精密管是一种通过冷拔或冷轧工艺生产的高精密度、高光亮度的无缝钢管。其内外径尺寸可精确至0.2mm以内，在搞弯、抗扭强度相同时，重量较轻，所以广泛用于制造精密机械零件和工程结构。

精密管特点：外径更小；精度高可做小批量生产；冷拔成品精度高，表面质量好；钢管横面积更复杂；钢管性能更优越，金属比较密。

根据精密管产生脆性的回火温度范围，可分为低温回火脆性和高温回火脆性。精密管低温回火脆性合金钢淬火得到马氏体组织后，在250～400℃温度范围回火使钢脆化，其韧性一脆性转化温度明显升高。已脆化的精密管不能再用低温回火加热的方法消除，故又称为%26ldquo;不可逆回火脆性%26rdquo;。它主要发生在合金结构钢和低合金超高强度精密管等钢种。已脆化精密管的断口是沿晶断口或是沿晶和准解理混合断口。产生低温回火脆性的原因，普遍认为：(1)与渗碳体在低温回火时以薄片状在原奥氏体晶界析出，造成晶界脆化密切相关。(2)杂质元素磷等在原奥氏体晶界偏聚也是造成低温回火脆性原因之一。含磷低于0.005%的高纯精密管并不产生低温回火脆性。磷在火加热时发生奥氏体晶界偏聚，淬火后保留下来。磷在原奥氏体晶界偏聚和渗碳体回火时在原奥氏体晶界析出，这两个因素造成沿晶脆断，促成了低温回火脆性的发生。

精密管中合金元素对低温回火脆性产生较大的影响。铬和锰促进杂质元素磷等在奥氏体晶界偏聚，从而促进低温回火脆性，钨和钒基本上没有影响，钼降低低温回火精密管的韧性一脆性转化温度，但尚不足以抑制低温回火脆性。硅能推迟回火时渗碳体析出，提高其生成温度，故可提高精密管低温回火脆性发生的温度。

膨胀系数检查的方法可以用肥皂水抹在退火炉各个接头缝隙处，看是否跑气；其中最容易跑气的地方是退火炉进管子的地方和出管子的地方，这个地方的密封圈特别容易磨损，要经常检查经常换。提出了冷弯成型前对无锡精密钢管进行预处理的工艺方案;研究分析了正火温度、保温时间和冷却方式对原料管组织和力学性能的影响规律;确定了无锡精密钢管的常规正火工艺:加热(890±10)℃,保温6min后散置空冷。常规正火工艺可完全消除无锡精密钢管的魏氏组织,使其屈服强度和抗拉强度的匹配更加合理,屈强比σS/bσ≤0.78,延伸率5δ≥30%,冷成型性能大幅度提高并避免出现冷弯开裂现象。膨胀系数可以用体积或者是长度表示，通常是用长度表示。密度物质的密度是该物质单位体积的质量，单位是kg/m3或1b/in3。残余拉应力主要来自设备在焊接过程中产生的残余拉应力。当前，工程上广泛采用焊接冷却后进行退火处理消除残余应力，而焊后冷却是残余应力产生的重要过程，这种做法既浪费了能源又容易产生较大的焊接残余应力。焊接后热处理是一种新的消除残余应力技术。焊前将无锡精密钢管预热至后热处理温度并在焊接过程中对焊件持续加热保持这一温度，焊接完成后使用保温棉对其进行保温使其缓慢冷却。淬火能增加钢管的强度和硬度，但要减少其塑性。淬火中常用的淬火剂有水、油、碱水和盐类溶液等。无锡精密钢管的回火将已经淬火的无锡精密钢管重新加热到一定温度，再用一定方法冷却称为回火。其目的是消除淬火产生的内应力，降低硬度和脆性，以取得预期的力学性能。回火分高温回火、中温回火和低温回火三类。回火多与淬火、正火配合使用。调质处理淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。

钢管内外壁高精度、高光洁度，热处理后钢管无氧化层，内壁清洁度高，钢管承受高压，冷弯不变形，扩口、压扁无裂缝，能作各种复杂变形及机械加工处理。钢管颜色：白中带亮，具有较高金属光泽。汽车、机械配件等用对钢管的精度、光洁度有很高要求的机械。而现在的精密钢管用户不仅仅是对精度、光洁度要求比较高的用户了，因精密光亮管精度高，公差能保持在2--8丝，所以很多机械加工用户为了节省工、料、时的损耗，将精密光亮无缝管或者圆钢正慢慢的转变为精密光亮无缝钢管。

2电子精密管材料的力学性能试验

材料的力学性能指标是控制材料质量的重要参数。材料的常规力学性能通常是指强度、弹塑性、韧性和硬度等。每种金属材料，除了规定的其化学成分范围之外，还对它在一定状态下的力学性能指标作出较详细的规定，这些性能指标不仅是结构设计、选材的基本依据，也是材料研发、工艺评定及内外贸易定货的主要依据。现阶段测量金属材料力学性能的试验一般有拉伸实验、弯曲试验、冲击试验和硬度实验等。通过这些实验，就可获知所测金属的一般力学性能指标，如弹性模量、屈服强度、抗拉强度、硬度、冲击韧度等。

2.1布氏硬度试验

金属的硬度表示金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力，硬度测量定量地给出金属材料的软硬程度。金属材料在其表面以下不同深处所承受的应力和所发生的变形程度都不同，所以硬度值用来综合地反映压痕附近局部体积内金属的弹性、塑变强化能力、微量塑变抗力以及形变抗力等。硬度值越大，说明金属抵抗塑性变形的能力越大，材料就越难产生塑性变形。此外，硬度值与其他机械性能之间有着一定的内在联系，因此，从某种意义上来说，硬度值的大小对机械零件或工具的使用寿命具有决定性的意义。

布氏硬度的试验原理，以一定大小的载荷P(kgf或N)将直径为D的球形压头压入试样表面，经规定保持时间后卸除载荷，根据压痕的表面积A(mm2)，计算出单位面积上所承受的载荷，并以此来表征硬度。

实验室中制取电子精密管材料的布氏硬度试样，试样表面光滑，厚度为7mm。对试样从内层管到外层管依次进行布氏硬度试验。

从试验结果分析，电子精密管材料基层的布氏硬度值为198-214HB，过渡层的硬度值为153-198HB，覆层的布氏硬度值为128-153HB。

2.2夏比缺口冲击试验

夏比缺口冲击试验也称为大能量一次冲击试验，常用于表征材料冲击性能和行为，可用来测定材料的冲击韧度，评定材料的韧脆性质。夏比缺口冲击试验的原理是:将待测定的材料先制备成带缺口的标准试样，然后放置在试验机支座上，缺口位于冲击相背方向，并使缺口位于支座的正中间位置；将质量为G的摆锤举至一定的高度h，使其获得势能Gh，再将摆锤释放，摆锤下落至最低位置时试样被冲断，剩余的动能会将摆锤再扬起一定高度h'，即试样被冲断后摆锤剩余的能量为Gh'。试样被冲断时所用的能量称为冲击功，以A表示。Ak=G(h-h')。

用冲击功除以试样缺口截面积A0的值定义为冲击韧度，以ak表示。冲击韧度用来表征材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。ak值的大小表示材料的韧性的好坏，一般把ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为韧性材料，ak值越高，说明材料的韧性越好。

电子精密管材料比单金属具有更大的冲击功和冲击韧度。这说明电子精密管材料的韧性显著优于单金属；与电子精密管相比，单金属更易发生脆性破坏而断裂。

2.3单向静拉伸试验

单向静拉伸试验是指在室温、大气环境中，对长棒状试样(横截面可为圆形或矩形)沿轴向缓慢施加单向拉伸载荷，使其伸长变形直到断裂的过程。对试样加载的试验机有多种类型，一般带有载荷传感器、位移传感器和自动记录装置。可把作用于试样上的载荷(力)及所引起的伸长量自动记录下来，绘出载荷―伸长曲线，简称拉伸曲线或拉伸图。除可以得到载荷―伸长曲线外，还可直接绘出工程应力与工程应变的关系曲线，简称应力―应变曲线。应力一应变曲线是表征材料拉伸行为的重要资料，可由它获得基本的拉伸性能指标。

电子精密管比单金属更易发生屈服，而其抗拉强度略小于单金属。这是因为电子精密管的屈服强度要小于单金属，所以在拉伸过程中电子精密管的内层先发生屈服，这样就降低了整个管体的屈服强度。

参考文献：

[1]先越蓉.俄罗斯双金属生产和应用概述[N].世界金属导报,2010

高分子材料的韧性篇2

关键词：断裂力学、裂纹、断裂韧度、弹塑性断裂、应力强度因子COD、J积分

一、理论分析

弹性断裂力学有线性和非线性，以脆性断裂为主要破坏状态，以Griffith理论为主，现代方法以三维问题、表面裂纹问题、个向异性体问题，对于线弹性断裂以KC为硬力准则。弹塑性断裂力学以裂纹尖端前缘区域，塑性区域的尺寸和大小，包括小范围屈服，大范围屈服和全面屈服即准脆性断裂，可用弹性断裂力学近似处理，对于后二者不适用，可采用COD、JC，对于塑性区以COD位移准则，COD是裂纹变形的度量，实验表明对于低强度钢的临界CODδc，可达100μm，在高强度钢临界CODδc，可达100μm，J积分可认为是以能量有关的准则，实际中对压力容器高度钢和低温材料以及后截面中低强度钢可采用Kc准则。也就是说，塑性尺寸小于不开裂的韧带深度（壁后减去裂纹深度）1/10时可采用Kc，此时断裂状况是符合平面应变理论。但在大范围或全面屈服时Kc不适用，需用COD特别是对带接管及有残余应力的场合。

经典固体力学的材料以均匀连续为假设的强度理论，只能在一定范围内运用，断裂力学是以材料存在裂纹状态，缺陷这一前提，并同时裂纹在材料承载时发生扩展，最终材料失效，裂纹的启裂、扩展、失稳的断裂力学为主要内容。同时对材料的韧-脆转变温度导致韧性下降，引起的失效。没有严格的理论基础和定量计算。针对材料温度对材料研究也有针对性和局限性。

由Griffith提出的基础能量理论揭示断裂力学与裂纹尺寸之间的定量联系。对脆性材料失效是由于裂纹扩展，裂纹体弹性能的释放补充形成新的裂纹，表面所需要的表面能。对于韧性材料由于塑性的存在，裂纹存在的钝化现象同时Irwin和Drowan，提出裂纹扩展所需即应力强度因子，对于断裂类型中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的KⅠ、KⅡ、KⅢ，表征不同载荷下的裂纹端部的应力场的强度，同时对应不同的零件应力KⅠc、KⅡc、KⅢc，线弹性断裂力学为分析在役过程中压力容器材料含裂纹结构的强度，从应力强度因子K和能量释放率G两方面描述含裂纹体的力学行为，从而测定材料对裂纹扩展的抗力（断裂韧度），以初始裂纹扩展到临界裂纹尺寸的疲劳寿命，为有效评定缺限安全可靠提供理论基础。有于压力容器的材料韧性效好，在载荷增大时，伴随着裂纹扩展的塑性区已达到裂纹尺寸，此时塑性变形条件不能满足，线弹性假设不成立，必须由弹塑性断裂力学来解释。由WELLS提出的COD作为裂纹的扩展的参量，不仅用线弹性情况，也用于弹塑性情况，裂纹顶端CTOD用于塑性变形度量对一定材料可测定其临界值。以及Rice和Hutchinson等人基于全量塑性理论（非线性弹性理论）得到与裂纹顶端路径无关的J积分即积分值为裂纹顶端的应力，应变状态的综合度量，J积分的临界值成为材料的常数，提出的JR阻力曲线，随后王自强等人建立的裂纹尖端弹塑性高阶场的基本方程，为弹塑性断裂双参数断裂准则提供理论的基础即J―Q和J―K双参数准则。J积分针对非线弹性是严格定义的，对于弹塑性材料也适用，对于线弹性而言与G（能量释放率）等同。对于动态断裂的定量分析，由Mott、Yoffe等人提出的裂纹动力学，围绕裂纹的发展（即动载荷下的裂纹起始扩展，界面动态裂纹扩展）裂纹止裂，裂纹分叉，快速裂纹的起裂点，动态能量释放率，动态裂纹韧度等进入理论分析和实验阶段。

随着将概率论、统计学与断裂力学的结合理论方法和研究、微观断裂力学、宏观断裂力学进入了深入研究和发展阶段，微观断裂力学是研究原子位错等晶粒尺度内的断裂过程，建立支配裂纹扩展和断裂的依据，宏观断裂力学是在不涉及材料内部不断裂几机理条件下通过连续介质力学分析和实验，做出断裂强度估算和控制。

二、工程应用

压力容器的常规设计的基本点是：避免应全面屈服而导致的失效，设计标准中所规定的性能是材料的流变应力，通常取0.2%屈服应力（及条件屈服应力），考虑安全系数的主要目的，容器在使用安装制造使用过程中可能出现的附加应力，会使作用应力升高而引起局部塑性塌陷和失效。此时，安全系数来考虑脆性断裂，对于选用较高的安全系数，并不能避免产生低应力断裂情况，在脆性断裂中存在的应力集中，在局部区域失效，而不会引起全面屈服破坏，实际容器服役过程中应力集中与裂纹缺陷，特别是高应力区域，如角焊缝、热影响区，因疲劳或应力腐蚀等产生的亚临介扩展裂纹。断裂力学的目的，测算一个给定尺寸的缺陷，在服役载荷下是否以失效方式扩展，从而确定结构对于断裂失效的安全余度。从而阻止裂纹快速扩展的性能及该材料的断裂韧性，实际中无缺陷的容器材料是不存在的。避免材料在所承受应力，原小于材料的屈服应力发生低应力脆断失效。

脆性断裂的K准则中，材料对裂纹扩展的阻力和抗力可用Kc和Gc临界值来度量，Kc和Gc作为断裂韧度雨其他，如热处理状态、温度等因素有关，当通过热处理提高材料的屈服强度和极限强度时，其韧性随之降低，Kc和Gc也随之降低，同时断裂韧度也随温度下降而急剧降低，再很窄的范围内会有冷脆现象产生，当K>Kc，理想脆性材料裂纹尖端不产生塑性变形，脆性断裂由于在裂纹顶端的塑性区域产生，对于线弹性分析不适用。此时利用弹塑性分析Irwin等人建立的裂纹尖端附近高应力区塑性模型（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）。按Tresca准则（剪应力准则）和Von，Mise准则可知道：平面应力和平面应变状态对于材料板厚有很大关系，会影响裂纹开始扩展时应力强度因子K，材料板厚的不同的载荷的增大，材料断裂的断口形貌不同，波板断裂时断口为斜断口与表面呈45°角，板厚中间会有部分断口垂直与板面即拉伸型平面断口，随着板厚增加会出现“剪切唇”。当裂纹应力K1达到K1c时裂纹开始起裂并快速扩展，从能量角度分析：当能量释放率G达到材料对立文扩展阻力R时，裂纹开始起裂并快速扩展，R为常数，平面应力状态的R（断裂阻力）除与材料的厚度和外界温度有关，同时也是裂纹扩展量a的函数，而与裂纹长度2a无关，即R是以裂纹扩展量a为函数的断裂阻力曲线，详见张行理论裂纹阻力曲线公式。R是以裂纹扩展量a函数，与初始裂纹无关（初始裂纹长度不变的条件）G随应力σ而增大与a=a+a为线性关系，当G=R时，对于a，外载荷不增加时裂纹不会扩展，在动态变化中G、σ、a不断变化，同事不断有彼此的平衡点，当达到临界点时，σ不增加时，裂纹一旦扩展，扩展会一直发展到完全断裂即失稳条件（能量准则）。K应力强度因子的确定有复变函数法、边界配置法、有限元法、权函数法、能量差率法、叠加法、组合法等。

一般来说对于压力容器材料其断裂韧性必须满足：，对于带裂纹的压力容器强度计算情况：

1、确定裂纹的尺寸、形状、位置与方法，可采用UT超声波和表面探伤，若探不出缺陷，可采用探伤的灵敏度。

2、对材料进行应力分析，确定裂纹部位的工作应力，包括残余应力。

3、按断裂力学的理论和方法，计算出近似应力强度因子。

4、测定材料的K1c，对于动展和应测定动态Ktd。

5、采用脆性断裂判据对其计算、设计及在K1

6、三维与二维裂纹的近似处理与当量尺寸，裂纹面积相同时，以长短轴比c/a=2。

三、结语

断裂力学分析判断压力容器材料断裂临界值、韧性、裂纹扩展速率、宏观断裂参数与材料成份的组织、结构等建立定性、定量的关系是宏观与微观相结合研究断裂力学的方向，利用断裂力学进行压力容器的定量设计。反之，通过容器结构的应力分析，可解得引起容器破坏时的零件裂纹尺寸、裂纹扩展速率，取得一定的安全系数为容器提供安全依据。另外通过亚临界裂纹在低循环的疲劳及应力腐蚀或蠕变过程中扩展速率的分析，可预测，容器及其部件的使用寿命，同时为容器选材提供强度和韧性性能互相制约条件，选用抗裂纹能力强的钢材，确定钢材料的合理许用应力和裂纹长度。

参考文献

1、郦正能主编《应力断裂力学》-北京北京航空航天大学出版社2012.1

2、王志强、陈少华《高等断裂力学》-北京科学出版社2009

3、张行主编《断裂与损伤力学》-北京北京航空航天大学出版社2009

4、郑长卿《西北工业大学学报》-西安1985

5、范天佑《断裂力学基础》-江苏江苏科学出版社1978

6、黄克强、余寿文《弹塑性断裂力学》-北京清华大学出版社1985

高分子材料的韧性篇3

陶瓷也可以变柔软吗？

近日，美国和新加坡科学家们利用纳米化学，联合制造出了一种非常微小的陶瓷，这种被称为柔性陶瓷的新型复合材料不仅弯曲后不会破碎，而且还具有形状记忆，可以被广泛地应用在生物医学和燃料电池等诸多工业领域中。

这种材料的特别之处还在于，在透射式电子显微镜下，它的分子结构是“双层连续立方体结构”，这种结构与100年来的数学假设竟然相吻合，仅凭这一点它就引起了研究人员的特别关注。负责该项研究工作的美国康奈尔大学材料学与工程学副教授乌尔里克·维斯纳说：“我们如今在聚合体研究中发现了数学家很久以前用理论证明存在的结构。”这种特性或许能让其有更多的用武之地。

与增韧异曲同工

拥有形状记忆意味着这种新型陶瓷材料被弯曲、加热时，它们会回复到原来的形状。负责这项新材料研究的麻省理工学院材料科学和工程学教授克里斯托弗·舒说：“人们一直认为金属和某些聚合物才具有这种属性，从来没有想过陶瓷也会有。”

从原理上来讲，陶瓷的分子结构可以使其具有形状记忆，但陶瓷脆弱易碎是个障碍。最新研究表明，让陶瓷能弯曲并拥有形状记忆的关键在于让其变得很小。

研究人员通过两个关键的方式做到了这一点。首先，他们制造出了肉眼看不见的小陶瓷；接着，再使单个晶粒跨越整个结构，并剔除了晶粒的边界，因为碎裂更有可能发生在这些边界上。最终，他们制造出了微小的陶瓷样本，整个样本的7%可以弯曲变形。研究生阿兰·莱说：“包括普通的陶瓷在内的大多数物品只有1%能弯曲，而我们在最新研究中得到的这些直径仅为1微米的长纤维，其7%到8%能被弯曲而不破碎。”

最新材料兼具金属和陶瓷的优点。金属的强度更低，但非常容易变形；而陶瓷的强度更大，但几乎无法弯曲。新研发的陶瓷则兼具“类似于陶瓷的强度以及金属的柔软性”。在克里斯托弗·舒看来，新陶瓷有望用来制造微米和纳米设备；也可以用作生物医学领域广泛使用的微观激励器，触发微小的植入物释放出药物等。

柔性陶瓷材料由氧化锆制成，不过，克里斯托弗·舒认为，同样的技术应该也适用于其他陶瓷材料，氧化锆是“我们研究得最多的陶瓷材料”，广泛应用于工程领域。此外，氧化锆也被用于燃料电池领域，尽管燃料电池并不需要柔韧性，但拥有柔性会大大增强燃料电池抗破坏能力。

北京化工大学材料与工程学院博士生导师刘家祥告诉《中国经济和信息化》记者：“二氧化锆是一种硬度仅次于金刚石的材料。”这次，美国和新加坡的科学家用二氧化锆做材料的陶瓷，其实与国内陶瓷研究领域中一直致力于的陶瓷增韧不谋而合，其目的都是使陶瓷变得更加坚韧。由于陶瓷本身虽材质较硬，但易碎性很强，因此解决陶瓷的易碎性、增加陶瓷韧性成了各国科学家共同研究的方向。

韧性标准待定

中国对于二氧化锆陶瓷的研究起步也不晚，早在上世纪90年代，就已有大量企业和实验室对这类陶瓷进行系统研究试验。美国和新加坡联合研究出的微小陶瓷比头发丝还要细，尽管技术上有所保留，但从本质上讲，与国内的陶瓷增韧技术并无变化。

刘家祥认为，从科学的角度来分析，这种柔性陶瓷材料并非不严密，但是还并不能得出肯定的结论，因为其技术导向尚不明显。虽说可以用在医疗和电池上，但具体应用还需要进一步探讨。

与国外不同的是，国内虽然已在陶瓷增韧上有了不少年头的历史，也做出了陶瓷刀等十分成熟的韧性陶瓷产品，但目前对于柔性却并没有严格的定义。究竟韧性达到了多少才算得上是柔性？并没有一个准确的答案。

“在没有严格标准的今天，我们能做的就是一步步给陶瓷增韧。”刘家祥说。与传统金属相比，陶瓷既有相对优势也有劣势。其优势除了材质较硬外，陶瓷还能耐高温和抗腐蚀。由于材质较硬，陶瓷可将大多数金属锯断。根据这个特点，陶瓷可以大量运用在机床生产中，代替原本由稀有的金刚石做材料的零部件。这样不仅可以解决金刚石数量少的问题，也可以使陶瓷扩大用途。

不能完全替代钢铁

传统的钢铁材料易腐蚀。在长期风吹日晒下，钢铁若碰到腐蚀性气体就会被快速腐蚀，但是陶瓷不会。比如日常用的茶杯、盘子等，根本不存在腐蚀问题。一般的水果刀削水果久了容易生锈，而这种情况在陶瓷刀上是不会发生的。

此外，陶瓷还具有耐高温的特点。所谓的耐高温指的是1000摄氏度以上的温度，有些更优质的材质甚至可以耐2000摄氏度的高温。而这种特性是钢铁等金属不具备的。如此高温下，钢铁会逐渐变软。

结合陶瓷的这些优势，如果其增韧达到一定的标准，工业生产中那些容易发热的大机器机体外壳，甚至在机器高速运转时容易发热的核心部件都可以采用新型陶瓷材料制造。

河南维纳精细陶瓷有限公司在陶瓷工业上已做了20多年的研究，董事长冯立明对《中国经济和信息化》记者表示，现在他们已经由最初的做陶瓷首饰延伸到了工业仪器相关产品的生产。如今该企业不仅和武汉钢铁厂取得了合作，还做出了发动机零件等产品，并在一些领域实现了陶瓷对传统钢铁的替代。

冯立明介绍：“陶瓷作为工业生产中的新型材料，具有传统材料没有的特性。一旦陶瓷的韧性得到增加，几乎可以替代所有大机器中需要高速运转的部件，成为新一代的优良工业材料。”

此外，除了二氧化锆，国内还会用到三氧化氯作为陶瓷增韧的元素。这两种材料共同的特性是硬度强，但也同时都有易碎的缺点。

工业生产中，陶瓷材料的成本非常昂贵。一吨钢材大致加工成本在3000元左右，加工完造价为6000元。而一吨陶瓷加工后的价钱最低也要20万元，比钢铁足足高了40倍。即使实现了大批量生产，其造价也很难和钢铁相媲美。正因为如此，目前陶瓷在工业领域中的应用面非常窄。目前，陶瓷只能运用在一些工业机械的关键部位，以及包括军工、飞机等一些对于价格因素并不敏感的行业中。

然而，可以肯定的是，陶瓷材料尤其是柔性化的陶瓷材料，其本身具有的优势是其他材料都不具备的，不管是金属材料、高分子塑料橡胶、还是铜、铅、锌、铁，都望尘莫及。值得注意的是，陶瓷材料也分三六九等，有的陶瓷可以耐1000摄氏度高温，有的耐温则可以达到2000摄氏度。针对不同情况选用适当的陶瓷才能恰到好处地发挥陶瓷的作用。

高分子材料的韧性篇4

【关键词】陶瓷；刀具；赛阿龙；立方氮化硼

0引言

随着工业水平的提升，科学技术的不断发展，随着数控机床的迅速升级，出现了各种各样传统的硬质合金刀具难以加工的高硬度、高强度、耐磨、耐高温等特性的具有高难度的新型加工材料。而陶瓷刀具作为新型的切削刀具材料，由于其不但拥有良好的高速切削性能，还能进行干切削，满足了实际的生产需求，使得陶瓷刀具在切削加工中起到了越来越重要的作用。陶瓷刀具的大量应用也印证了新技术的不断进步。

1氧化铝基陶瓷

氧化铝基陶瓷是目前市面上应用最广的陶瓷刀具材料。该系列刀具以氧化铝为主体，通过添加的成分不同可分为纯氧化铝陶瓷、氧化铝-碳化物系陶瓷、氧化铝-金属系陶瓷和氧化铝-碳化物-金属系陶瓷。其中的纯氧化铝陶瓷由于性能较差，切削时易崩刃，已逐渐被其他氧化铝复合陶瓷取代。氧化铝-碳化物系陶瓷是一种发展速度快、使用性能好的陶瓷刀具材料，具有相当高的硬度和抗弯强度，而氧化铝-金属系陶瓷由于其抗氧化性差所以极少被采用。氧化铝基陶瓷具有良好的耐高温性和耐磨性，在高温下仍可保持稳定的化学性能，具有良好的抗粘结能力，工件表面粗糙度低。但是由于氧化铝基陶瓷中含有大量铝元素，使其与金属铝有较强的亲和力，在加工铝合金工件时会出现较大的磨损，故氧化铝基陶瓷刀具不适合加工切削铝合金工件。[1]

2氮化硅基陶瓷

氮化硅基陶瓷刀具是从20世纪80年展起来的非氧化物工程陶瓷刀具材料。它是以高纯度的氮化硅为原料，添加MgO、AL2O3，Y2O3等为助烧结剂，通过热压成型烧结而成。具有较高的强度和抗弯强度、良好的耐磨性、耐热性、化学稳定性和耐热冲击性，相对于以往陶瓷刀具要搞的疲劳强度，以及良好的断裂韧性。在许多方面其性能都超过了氧化铝陶瓷，但是在切削钢材方面不如氧化铝陶瓷效果好，因此不适合加工钢材。现阶段应用较为广泛的氮化硅基陶瓷种类有单一氮化硅陶瓷及氮化硅复合陶瓷。[1，4]

3复合氮化硅―氧化铝陶瓷

Si3N4-Al2O3-Y2O3复合陶瓷叫赛阿龙（Sialon）。最初由英国研制成功，是将氧化铝和氮化硅热压烧结产生的固溶体。相比于氮化硅陶瓷，具有更好的耐热性、耐磨性、化学稳定性、抗蠕变能力、抗塑性变形和抗氧化性。赛阿龙陶瓷刀具适合进行高速切削、强力切削、断续切削，而且不仅适合于干切削，也适合于湿切削。赛阿龙陶瓷是加工铸铁、镍基合金、钛基合金和硅铝合金的理想道具。因为与钢的化学亲和力大，赛阿龙陶瓷刀具不适合加工钢材。目前国际上对于该陶瓷刀具的研究非常活跃，在各个方面的研制都取得了良好的成果。[2-5]

4钛基金属陶瓷

钛基金属陶瓷是陶瓷和金属的复合材料。作为以TiC为主要成分的合金，拥有和陶瓷相近的硬度和耐热性，但有着比陶瓷更高的抗弯强度和断裂韧性，而且化学稳定性好，具有良好的抗氧化性及抗月牙洼磨损和抗粘结能力。其中的80%是作为硬质相的金属碳化物，其余为作为粘结剂的铁、钴、镍等金属相。主要应用于数控领域中，其可加工范围覆盖了大部分的种类的铸铁、金属和非金属材料，以及各种钢材和耐热合金等。为了配合生产可以制作成各种机类可转位刀具或各种尺寸较小的整体复杂刀具使用。现在有着巨大潜力的钛基金属陶瓷，在将来也是数控领域中重要的刀具品种。[6]

5氧化锆基陶瓷

选择二氧化锆作为提高陶瓷性能的原因是二氧化锆具有耐热，耐磨，耐高温，耐腐蚀，稳定性高，导电性好，热膨胀系数大等特点。氧化锆基陶瓷种类繁多，这是由于氧化锆具有多种相态，而以不同的形态存在时具有不同的性能造成的。目前应用最多有四方氧化锆多晶体（TZP）、部分稳定氧化锆（PSZ）、以TZP或PSZ为基体的增韧陶瓷和以氧化锆为分散相的复相陶瓷。这些不同种类的氧化锆基陶瓷因为其各异的优良性能在相应的场合有着广泛的应用。而氧化锆基陶瓷的优异性能使得其成为应用面最广的氧化物陶瓷之一。[7，9-10]

6纳米陶瓷刀具

纳米复合材料陶瓷是以陶瓷为基体把纳米颗粒、纳米晶须及纤维扩散到其中来起到强化的作用，强化后的纳米复合材料它力学性能、蠕变强度、抗弯强度、断裂韧性和耐高温性能都得到了显著的提高。在切削性能方面纳米复合陶瓷刀具的耐磨性和切削速度显著增强。目前使用纳米技术制备的陶瓷刀具有：纳米复合陶瓷刀具材料和纳米涂层陶瓷刀具材料。其中纳米涂层陶瓷刀具的涂层方法可以采用多种材料的不同组合来满足不同的功能和性能的需求[11]。

7涂层金属陶瓷刀具

涂层金属陶瓷刀具的涂层分为硬涂层和软涂层，目前硬涂层包括TiN、TiC、Ti（CN）、TiALN、CrN等一系列金属氮化物。其中TiN的应用最广泛。硬涂层是提高刀具的硬度和耐磨性。并且在一般情况下可进行多层复合涂层。软涂层主要以MoS为基的涂层。其作用是降低摩擦系数，且软硬涂层还能复合使用。涂层刀具的出现，使刀具的切削性能得到了很大的增强。应用领域不断扩大，特别应用于数控加工领域。目前涂层金属陶瓷刀具发展迅速，在陶瓷涂层的研究中，为了得到较厚的涂层，现在工业的一般做法是按照涂层的组分按一定的比例梯度配比进行涂层，来消除金属和陶瓷因为膨胀系数的不同而产生的应力，这样既能加厚了涂层还能保证涂层与金属的紧密结合以保证使用的可靠和稳定性。目前这类陶瓷也有了成果如山东大学机械工程学院已开发成功了陶瓷一硬质合金复合刀片FH-1和FH-2以及复相梯度陶瓷刀具材料FG-1、FG-2等[7]。

8有机改性陶瓷

有机改性陶瓷又称为聚合陶瓷或有机改性硅酸盐是由无机盐和聚合物以分子和原子为基础聚合而形成的复合材料，它也是以纳米为基础的。它的特点是：复合尺度达到纳米水平，复合材料之间是以化学键相结合的，所以它的性能比起以往的陶瓷刀具可以说是又进了一个台阶。并且制备有机改性陶瓷的温度适中，最终产物的均匀融合度好，性能优良，已普遍得到人们的重视，不过要想得到更加优良的性能开发其潜在的用途还有待于进一步研究[7]。

9增韧陶瓷刀具

9.1相变增韧陶瓷

自Garvie首先研制成功高韧性的氧化锆陶瓷，并提出相变增韧理论，经过了这么多年的精心研究，在相变增韧方面也取得了不少成果，如Mg（Ca或Y）PSZ，Y（Ce）TZP，ZTA，TTZ，ZTM，ZDC等。其中TZP和PSZ陶瓷属于高温结构陶瓷；相变增韧氧化锆系（TTZ）陶瓷属于耐磨陶瓷；而氧化锆弥散陶瓷（ZDC）是现在技术中比较经济适用的增韧方法。其增韧机理是通过控制烧结工艺使其内部微观组织产生增韧相以实现增韧的作用[8]。

9.2纤维（晶须）增强陶瓷

陶瓷基体中含有一定长度的晶须以及类晶须状的不连续弹性增韧相时，断裂过程中纤维的拔出、桥联使裂纹扩展的耗散能量增加，从而提高了陶瓷的抗冲击韧性。经研究表明用两种或两种以上的增韧补强机理对陶瓷的协同作用有很大的研究价值，这使人们对多组份陶瓷的组成工艺和结构性能的关系有了研究兴趣。据了解SiCw是最普遍的增韧体。目前研究的材料有：SiC/ZrO2，J、SiC。/A12O3、SiCw/Si3N4等用以增强MoSi2，Al2O3，ZrO2，Si3N4，以及玻璃及微晶玻璃等[8]。

9.3颗粒弥散强化陶瓷

颗粒弥散复合陶瓷即用第二相颗粒的加入来使材料在外力作用下产生塑性变形时阻碍位错的滑移或产生蠕变去缓解应力集中，来达到增韧的效果，并且因二相粒子的种类数量、含量多少、分布情况、结晶形状及尺寸大小的不同，对基体材料的增强韧化程度和机理也不相同。目前研究的颗粒弥散陶瓷材料有SiC弥散Al2O3，TiC/Ni复合材料，Al2O3-TiC陶瓷，B4C复合Al2O3基陶瓷，TiB2/Al2O3等[7]。

9.4协同增韧陶瓷

协同增韧陶瓷是通过多种增韧机制的共同作用所引起的协同效应来设计复相陶瓷。研究结果表明：各种增韧机理之间是可以相互作用的，但是不是每种增韧机理的叠加都会产生协同效果，而且协同增韧的效果也不是几种增韧效果的简单相加。

10立方氮化硼[12]

立方氮化硼（cBN）是一种人工合成的超硬材料，其硬度仅次于金刚石，具有很高的热稳定性，PcBN刀具在1000℃以下不会出现氧化现象，化学稳定性好，导热性好，摩擦系数低。在现代机械加工行业得到了广泛的应用。由于PcBN加工的对象种类繁多，因此刀具材料的选择尤为重要。根据体系中是否加入结合剂，可以分为有结合剂的PcBN，表面镀覆PcBN和纯PcBN。

（1）有结合剂的PcBN

目前PcBN的结合剂有两种类型。第一种，是由金属及其合金组成的结合剂。这种结合剂对增强PcBN的韧性有良好的作用，缺点是在高温条件下这种结合剂会软化，耐磨性降低。第二种，是陶瓷与金属合金组成的结合剂。这种结合剂解决了高温条件下软化的问题，可是抗冲击性变差了，寿命变了短。目前来看，有结合剂的PcBN正朝着高断裂韧性、高耐磨性方向发展。

（2）表面镀覆PcBN

表面镀覆PcBN是指在PcBN的表面，镀覆陶瓷镀层，如TiN，TiC，Tiw等。实验结果表明，镀层能够提高PcBN刀具的切割性能。

（3）纯PcBN

由于有结合剂的PcBN中存在非cBN的组分，降低了硬度和强度，因此就有了纯PcBN的发展，但是纯的PcBN又有一些新的问题，如韧性不足等。

11结束语

新型陶瓷刀具材料优势明显，发展空间非常巨大。通过对陶瓷刀具的材料、组分、制备工艺、增强机理、材料设计等方面的研究，可以在保持高硬度、高耐磨性的基础上，提高刀具材料的韧性和抗冲击性能，制备出符合现代切削技术要求的材料。陶瓷刀具的研究和发展是一个比较热门的话题，而陶瓷刀具的不断发展和应用必当给机械加工业带来一场新的变革，随着性能更加优良的陶瓷刀具的不断开发和应用，我国的机械制造业定会掀起一场非凡的革命。

【参考文献】

[1]闫石，陈爽，张葆青.陶瓷刀具的应用与发展[J].制造技术与机床，2011，7，53-55.

[2]张慧.新型陶瓷刀具材料及其发展前景[J].机械研究与应用，2006，19，2，1-2，5.

[3]于启勋.现代刀具材料系列讲座（八）新型刀具材料――陶瓷[J].机械工程师，2001，8，67-80.

[4]郭春丽.陶瓷材料在机械工程中的应用[J].陶瓷，2005，12，45-47.

[5]于启勋，朱正芳.刀具材料的历史、进展与展望[J].机械工程学报，2003，39，12，62-66.

[6]孙和.陶瓷刀具研究及应用分析[J].中国科技信息，2012，4：105.

[7]黄传真，孙静，刘大志，刘含莲，邹斌.陶瓷刀具材料的研究现状[J].组合机床与自动化加工技术，2004，10.

[8]徐利华，丁子上，黄勇.高组元陶瓷复合材料的研究与开发[J].硅酸盐通报，1996，6，42.

[9]欧阳胜林.黑色氧化锆陶瓷刀的研制[J].现代技术陶瓷，2008，4：10-12.

[10]余鑫萌，徐宝奎，袁发得.二氧化锆的稳定化及其应用[J].稀有金属快报，2007，26，1：28-32.

高分子材料的韧性篇5

1．概述

为了能高效率、高质晕、大批最地冲压出合格产品，多工位连续模一般多要

求制造精度高、模具寿命长。因此，多工位连续模除了合理地进行结构设计外，

正确选材、合理设计热处理工艺都极为重要。

多工位连续模中的冲裁凸模和凹模、成型模的上模和下模等零件是易损件，

故常选用日本进口的SKDlI、瑞典一胜百的XW-5、XW-IO、XW-41、ASP

-23和国产的Cr12MoV等钢材，这些材料淬透性高且热处理变形小，属空冷微

变形钢，其成分如表l所示。

从表l中可以看出，SKDII和Cr12MoV的成分相当，而用Cr12MoV制造的模

具寿命比用SKDII制造的模具寿命低。为此，我们参照SKDII材料，对Cr12MoV

进行了热处理工艺的研究。

表l几种常用模具钢的成分范围

2，热处理工艺的选择

Cr12MoV是我国较成熟的钢种，广泛用于制造各种冷作模具，它具有高强

度、高硬度、和高耐模性，还具有适当的韧性，淬透性好且热处理变形小。但

Cr12MoV含碳量高，属莱氏体钢，碳化物偏析往往严重。碳化物不均匀度级别

过高，，会损害模具的寿命，因此希望模具材料的碳化物不均匀度≤2级为合适。

我们实验用材料Cr12MoV的碳化物不均匀度约为2级，而已制成凹模的SKDI1

材料的碳化物不均匀度约为2.5级。

采用什么样的热处理工艺才能使Cr12MoV与SKDI1在相同的硬度下具有相

同的模具寿命呢？一般认为模具材料在具有高强度、高硬度的同时还应具有合适

的韧性，以避免早期的脆性断裂和疲劳破坏，从而保证模具的高寿命。真空热处

理在使材料具有相同强度和硬度的前提下，能显著提高材料的韧性，大幅度提高

模具的寿命。如用SKDII制造的搓丝模，1050℃淬火、470℃回火，盐浴加热，

模具寿命为2—2.5万件；而用真空加热淬火，模具寿命提高到8～9.5万件，约提

定以真空淬火处理和冷处理作为Cr12MoV的热处理工序。

细化晶粒在提高材料强度的同时也提高材料的韧性，这是因为晶粒尺寸的减

小，位错塞积群中堆积的位错减少，从而减弱应力集中，推迟微孔坑和微裂纹的

形成，改善材料的塑性和韧性。而第二相粒子常常通过本身断裂或者与基体界面

开裂，成为诱发微孔坑的部位。因此希望第二相粒子细小、均匀分布，而且最好

呈球形，为此采用适当的预处理工序以细化晶粒和改善碳化物的形态和分布。对

成型模（如拉深模、弯曲模）还可以进行表面处理以提高其表面耐磨性。于是，初

步设计Cr12MoV的热处理工艺为：预处理+真空淬火+冷处理+回火+表面强化处

理等。本文重点介绍真空淬火热处理对Cr12MoV材料性能的影响。

3．实验及结果

首先研究了奥氏体化温度对淬火硬度的影响。图1为非真空淬火热处理时保

温温度对硬度的影响。从图l中可以看出，Cr12MoV的非真空加热淬火温度从

980℃到1050℃都比较适合，我们选较底的温度，即980℃作为Cr12MoV的真空

淬火温度。

图l非真空淬火条件下保温温度对硬度的影响

真空热处理过程中，再保湿阶段，真空度维持在5×IO．2乇，采用的试祥尺

寸为10×10×20nun。由于在真空下主要靠辐射传热，加热速度慢，有必要对真

空下的加热保温时间进行探索。加热到980℃，保温不同的时间，其结果如图2

所示。实验结果表明，真空热处理的加热保温时间比常规热处理的加热保温延长

1~2倍；对试样真空加热保温延长到一定时间后，其淬火硬度达到最大值，如果

再延长真空保温时间，淬火硬度反而会有所下降。

图2~真空淬火时保温时间对硬度的影响

为了验证真空热处理在使材料具有相I一强度和硬度的前提下，能显著提高材

料的韧性，对真空淬火后的试样测量了硬度和冲击韧性，以便不同热处理工艺进

行比较，并观察了部分显微组织，实验结果如表2所示。

由表2可见，真空加热试样的硬度稍高于非真空箱式电炉加热试样的硬度

（已装箱保护），而冲击韧性

表2不同热处理工艺的性能比较

均有较大幅度的提高，但高温回火后的Cr12MoV应用于连续模则硬度偏低。经

显微组织观察，已制成凹模的SKDII的晶粒度约为9级，而按C组工艺处理的

Cr12MoV试样的晶粒度约为11～12级；按D组工艺处理的Cr12MoV试样的晶s

粒度约为10级。按C组工艺处理的冲击试样断几的扫描电镜形貌为撕裂状，韧

窝明显；按D组工艺处理的试样碳化物颗粒较圆钝，分布较均匀，为准解理韧

性断口，有较多的撕裂棱和韧窝。以上说明真空热处瑾后试样的韧性较好。

4．生产应用

某摩托车电器厂原来用非真率淬火的Cr12MoV材料做凸凹模，冲压0.8mm

厚的矽钢片，刃磨一次能冲压1,8～2.5万次；现在该厂使用真空淬火的Cr12MoV

材料做凸凹模，冲压4～5万次后才需刃磨，模具寿命提高2倍多。该厂亦曾花费

大量外汇从德国和日本进口许多多工位连续，模，并且采用国产的非真空热处理

的CrI2MoV材料做易损件的备件，作出的备件寿命短，尤其是一些特别小的凸

模，容易断，几乎尤法装模使用，因此只好高价从国外将易损坏的备件邮寄过来。

而现在利用国产的Cr12MoV材料，经过严格的真空热处理做备件，大幅度地节

约了外汇和降低了生产成本。

5．结束语

研究结果表明，多工位连续模中的易损件可用国产的Cr12MoV材料制造，

真空淬火可以明显提高Cr12MoV的冲击韧性，并能使材料的硬度有所提高，从

而显著提高模具的寿命。需要说明的是，虽然采用真空淬火，但如果热处理工艺

高分子材料的韧性篇6

关键词：CTBN；环氧树脂；增韧

1引言

环氧树脂是一类重要的热固性树脂,广泛应用于树脂基复合材料、结构胶粘剂以及电气电工灌封材料。但环氧树脂最大的缺点是固化后偏脆,由于质脆使得环氧树脂基复合材料的断裂韧性、耐冲击性能较差,大大限制了环氧树脂的应用。因此,提高环氧树脂的韧性是扩大其应用范围的关键。液体橡胶增韧是应用最成功的方法之一。用于环氧树脂改性的液体橡胶有很多种,常用的增韧剂是端羧基丁睛橡胶(CTBN)。

在对环氧树脂的增韧中,用CTBN来增韧有其必然性[1]。用CTBN增韧环氧树脂的研究工作,国外是从60年代末开始的,目前已广泛地应用于航空领域,如Brichier的145.2、145.4、Hexsel的ES36D等增韧改性环氧树脂。国内则在70年代末开始了此方面的研究工作,石敏先[2]等人用液体端羧基丁腈橡胶（CTBN）对环氧树脂进行改性,合成了CTBN/EP预聚物。FT-IR分析表明,在反应中环氧基开环后与CTBN的羧基反应生成了酯键。对CTBN/EP/聚醚胺(PEA)体系的力学性能研究表明,随着CTBN含量的增加,其冲击强度、断裂伸长率增加,说明通过CTBN化学预聚改性的环氧树脂具有良好的韧性；SEM分析表明,固化过程中橡胶相均匀分散在环氧树脂基体中。卢少杰[3]以低分子量聚酰胺(PA300)为固化剂,以液体端羧基丁腈橡胶(CTBN)为增韧剂增韧改性双酚A环氧树脂,考察了橡胶增韧剂、固化剂、稀释剂和无机填料对环氧树脂低温韧性的影响。通过对增韧体系应力和动态力学性能的研究表明该体系具有优异的低温韧性。

2CTBN增韧环氧树脂的影响因素

CTBN增韧环氧树脂的关键是相分离,因此凡是影响相分离的因素对增韧效果都有影响。

2.1混料方式的影响

混料方式有两种,一种是将CTBN、环氧树脂、固化剂按比例加人一起固化；一种是把CTBN溶于环氧树脂中进行预聚反应,然后加人固化剂进行固化。当选用不同类型的固化剂时,由于树脂体系的固化反应中存在竞争反应,即与环氧之间的酯化反应及环氧的醚化反应。虽然使用叔胺、双氰胺、砒啶类催化型固化剂能优先促进CTBN与环氧之间的反应,但为了充分保证CTBN与环氧良好的化学键合,扩大固化类型的选用范围,许多研究者都采用Richardson给出的方法[6]，先进行预反应生成环氧-CTBN-环氧的加成物,然后再按比例加人固化剂固化。预反应方法是将环氧树脂、CTBN按一定的比例加人反应器,升温至150℃，在N2保护下搅拌反应,测定羰基全部反应,环氧基无其他损失。实验证明通过预聚能大大提高环氧树脂的断裂韧性。

2.2CTBN的用量

CTBN的用量对增韧效果也有明显的影响。随着CTBN用量的增加,体系中橡胶颗粒的体积分数就加大,断裂韧性和冲击韧性相应提高,但CTBN用量的增加,必然导致环氧基体中所溶解的CTBN量增多,使基体柔化,从而降低了材料的某些机械性能及热性能。当CTBN用量大于20phr时,橡胶颗粒还可能聚集,呈现出相不确定的情况。所以一般情况下的用量都控制在15-20phr以下。作为复合材料基体时,其用量一般在10phr左右。

2.3CTBN的分子量

在丙烯睛含量基本相同的情况下,CTBN的分子量不同,增韧环氧树脂的断裂能也不同。在一定的分子范围内,CTBN的分子量越大,其增韧效果越佳。王惠民[7]认为,分子量越大橡胶颗粒的平均粒径越大,但分子量太大在树脂中难溶,分子量太低不易分相,结果是增塑。他认为分子量在3800左右较好。

2.4CTBN中丙烯腈的含量

CTBN中丙烯睛含量的变化，会引起溶解度参数的变化，从而引起相容性变化,并最终影响相分离和相的结构。Rowe[8]的研究强调了12-15%的丙烯睛含量较好，而赵庆章[9]等人则认为23-30%的丙烯睛含量为最佳范围。贾德民[10]等人采用三维溶解度参数计算方法得到CTBN中的丙烯睛含量和环氧树脂溶解度参数图,从而较好地解决了上述二者结论不一致的的问题。他认为二者结论的不一致是所选用的固化剂类型不同引起的溶解度参数和环氧匹配点偏移的结果。

2.5固化条件的影响

CTBN对环氧的增韧不仅受热力学因素影响,也决定于体系在凝胶化以前橡胶颗粒的形成速度、固化过程形成橡胶颗粒的粒径大小和体系粘度变化速率。实验证明,固化温度和时间对改性树脂的增韧效果影响很大。在较低固化温度时,胶凝时间长,体系粘度增长慢,则橡胶粒子有足够的时间析出和增大,可得到大而多的分散相,增韧效果较好。而在较高的固化温度下,胶凝时间缩短,粘度迅速增大,一部分橡胶来不及析出,已析出的粒子也来不及增大，相分离过程就因胶凝而终止,得到小而少的分散相,增韧效果就较差。

2.6基体结构的影响

从根本上讲,基体结构的影响主要是基体交联密度的影响,这可以从以下几个方面看出。N.N.Hemi[11]研究了CTBN分别与二、三和四官能度的环氧树脂体系反应时的相分离情况。结果表明橡胶在二官能度和四官能度体系中的相容性较好,能形成核壳结构,平均粒径较大,具有双重粒径分布。而在三官能度环氧体系中,橡胶和树脂的相容性差一些。由此他们认为,相容性受环氧树脂的分子结构和分子中环氧官能度数影响较大，从而也就影响增韧效果。孙以实[12]等人对环氧基体的平均网链长度对橡胶增韧效果进行了研究,。他们发现环氧固化物的平均网链长度对橡胶增韧作用有着重要的影响,其影响远远超过CTBN的组成和橡胶颗粒大小分布,甚至超过橡胶体积分数的影响。电镜观察也表明,随平均网链分子量增大,橡胶颗粒断面凹坑变大加深,环氧基体的屈服和塑性变形也更明显。另外,通过加入某种添加物也可以改变基体的分子网链长度,如在对环氧的增韧中,人们发现适量加人双酚A能大幅度提高环氧的断裂能,即韧性大为提高。C.K.Riew[13]等人认为,这是由于这一体系中橡胶颗粒粒径呈双峰分布,其中大颗粒引发银纹,小颗粒引发剪切带,两者的协同作用使体系的韧性提高。

3.CTBN增韧环氧树脂的机理

人们在探讨CTBN对环氧的增韧效果时,对其增韧机理的探索也从未停止过。对于弹性颗粒第二相增韧热固性树脂的增韧机制就提出过颗粒拉伸撕裂吸收能量的机理,柔性颗粒相诱发基体塑性变形的银纹剪切屈服机理等。孙以实等人认为,颗粒第二相增韧热固性树脂的增韧机理随着基体结构、颗粒相结构、相界面键合等参数范围的变动而变化。为此他们建立了增韧环氧的机理谱。总之,人们对机理的研究表明,CTBN不是主要的耗能因素,其主要作用在于诱发基体的塑性变形,基体结构是影响耗能的主要因素。

4.结束语

增韧环氧树脂其性能受多方面因素的影响,机理也是复杂多样的。为了获得强韧的环氧树脂体系应考虑以下几个方面：

4.1CTBN与环氧的预聚反应能使分散的橡胶粒子与环氧树脂的界面形成强固的化学键合，这样在界面更易发生大量的微裂纹从而消耗大量能量,提高韧性。因而,固化前先进行预聚是很必要的。

4.2CTBN的用量、分子量、丙烯睛含量及固化条件对橡胶颗粒的大小及分布有影响，即影响相分离和相的结构。因此对于研究特定的树脂体系应努力寻求适当的CTBN以形成最佳橡胶颗粒含量和粒径大小，主要作用在于诱发环氧基体的塑性变形耗能。基体是耗能的主要部分,增韧优劣与环氧基体的结构尤其是交联密度关系很大,所以选用平均分子量较大的树脂体系或体系中加有能增大环氧自身交联点间距离的添加物更有利于改变环氧的脆性。

参考文献

[1]孙以实等,合成橡胶工业,4,313-317(1982)

[2]石敏先,黄志雄,郦亚铭,等.端羧基丁睛橡胶改性环氧树脂的结构与性能[J].高分子材料科学与工程,2008,24(2):47～50.

[3]卢少杰.橡胶增韧环氧树脂低温韧性的研究[J].中国胶粘剂,2003,12(6):5～7.

[4]张健,韩孝族.液体橡胶增韧环氧树脂咪唑体系的形态与力学性能[J].应用化学,22(12):1333～1337.

[5]张斌,关长参,王超,等.液体端羟基丁腈橡胶增韧环氧树脂胶粘剂的研究[J].中国胶粘剂,1995,5(3):3～5.

[6]Richardsonetal.,Nov.1974,BDX-613-1121

[7]王惠民,热固性树脂，2,40-44，（1987）

[8]E.H.Roweetal.,Modplast.,41,110,(1970)

[9]赵庆普等,塑料工业，2，39-44，（1981）

[10]贾德民等,塑料工业,2，37-44，（1987）

[11]N.N.Hemi，J.Appl.Polym.Sci.，31，15，（1986）