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深入剖析塑料刮擦的微观世界

作者:admin    添加时间:2015-03-16 02:28:32    浏览量:3644

小小的刮痕,大大的玄机。在无情地撕破材料表面的那一刻,就会在其内心深处留下三种不同程度的受伤害的烙印。这正是塑料耐刮擦的故事系列第一篇《刮擦过程中究竟发生了什么?》所提到塑料在刮擦过程中先后发生的凹槽形变(groove)、周期性微裂纹(periodic crack)、犁痕(plowing)三种不同现象。那么究竟是什么样的原因导致了这些现象的产生呢?

 

正所谓因者能生,果者所生,接下来笔者将带您深入塑料刮擦的微观世界来探索其中扑朔迷离的奥秘。

 

在深入剖析刮痕的各种形态之前,我们首先得了解一下塑料材质在受到法向负载压力时不同区域的应力分布状态(图1)。其中A区为法向负载施加区域(刮擦头的位置),C区为刮擦前端区域,而B区则为刮擦后端区域。


图1 法向负载情况下的应力分布状态

 

在低负载和应力水平的“groove”阶段,刮擦头后端的B区会承受两个不同方向的作用力,即沿刮擦方向的拉伸应力和垂直平面的法向压缩应力。当负载应力水平较低时,施加在材料两个方向的应力低于材料本身的屈服应力。因此B区域所经历的形变包含完全可回复的弹性形变、时间依赖的粘性形变,少量不可回复的塑性形变,宏观表现为“groove”现象(图2)。



图2 “groove”现象

 

当负载进一步增加时,刮擦头会进一步渗透至材料内部,极大地增加摩擦系数。在压缩应力和摩擦系数均共同增加的双重作用下,B区表面的沿刮擦表面的拉伸应力会急剧增加。这时刮擦头在材料表面产生三种不同的作用,即滑移、拉伸和压缩(图3)。


图3 刮擦头运动示意图

 

对于韧性材料而言,一旦图3c中对材料的压缩应力超过材料的屈服应力,就会产生周期性的鱼鳞纹(fish-scale)(图4)。


图4 鱼鳞纹(fish-scale)现象

 

那么就算是鱼鳞纹,为什么一定是周期性地出现呢?这是因为刮擦头在材料表面的实际刮除速度并非恒定而是有所震荡的。刮擦头的前进,导致C区材料的褶皱堆积。同样随着负载的增加,刮擦头渗透至材料内部的程度也随之增加,从而带来了更大的摩擦力。这两方面均会给刮擦头带来前进的阻力和对材料拉伸应力的增加。然后一旦刮擦头滑越过材料屈服区域,释放了材料积聚的应变能,其速度就会迅速增加,导致施加在材料表面的拉伸应力下降。所以当刮擦头在这样刺穿-滑移重复性的表面接触和基材压缩作用下,就会表现出周期性的特征。对于脆性材料而言,就会表现出周期性的微裂纹(periodic crack)(图5和图6)


图5刮擦头运动示意图



图 6周期性微裂纹(periodic crack)

 

当应力水平达到材料的破坏极限强度时,C区的垂直于刮擦方向拉伸应力能够使材料发生横向切割作用,伴随着刮擦头的前推,就会发生类似犁田的材料刮除现象(如图1 C区的箭头所示),即所谓的“plowing”现象(图7)。



图7 “plowing”现象

 

由此可见以上三种现象的产生并非偶然,而是具有深层次的原因。刮擦过程中产生的现象与材料表面所受的负载应力大小和分布密切相关。随着负载应力的增加,材料表面就会依次出现凹槽、周期性裂纹和犁痕三种不同的现象。从本文还可以看出塑料的粘弹行为,拉伸与压缩屈服强度,摩擦系数,脆韧表现均会影响其耐刮擦行为。那么耐刮擦行为到底与塑料性能之间存在怎么样的密切联系呢?如欲继续跟笔者一起了解塑料耐刮擦的故事,敬请耐心等待下一期《耐刮擦与塑料性能的前世今生》。