《功能梯度高分子材料连续制备技术的开发研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《功能梯度高分子材料连续制备技术的开发研究（62页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、四川大学硕士学位论文功能梯度高分子材料连续制备技术的开发研究材料加工工程研究生：徐燕君指导教师：刘廷华教授功能梯度材料( F u n c t i o n a l l yG r a d e dM a t e r i a l s ，简称F G M ) 是在材料的制备过程中选择两种或两种以上性质不同的材料，通过连续地控制材料的微观要素( 包括组成和结构) ，使其沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续变化，从而使材料的性质和功能也呈梯度变化的新型材料。尽管高分子材料在材料领域占有重要地位，功能梯度高分子材料的研究却相对较少，并且这类研究集中在功能梯度高分子材料的非连续制备技术方面。本文针对上述这类研究的不足之
2、处，尝试采用现有的聚合物加工装备，通过复合共挤一梯度分配一二维混合的方法来实现简单高效的功能梯度高分子材料连续制备。为了研究需要，本论文自行设计加工了带有梯度分配元件和混合元件的口模，选用H D P E P S 体系，让这两种高分子材料由两台挤出机分别进入口模，由梯度分配元件产生宏观梯度，再经过混合元件实现微观的梯度分布。结果表明，这种方法可以得到成分上里梯度变化的高分子材料从而实现此类材料的连续制各。关键词：F G M 功能梯度高分子材料复合共挤梯度分配二维混合混沌混合功能梯度高分子材料连续制各技术的开发研究S t u d yo nT e c h n i q u ef o rC o n t
3、i n u o u sP r e p a r a t i o no fF u n c t i o n a l l yG r a d e dP o l y m e rM a t e r i a l sP o l y m e rP r o c e s s i n gE n g i n e e r i n gP o s t g r a d u a t e ：Y a n j u nX uS u p e r v i s o r ：P r o f T i n g h u aL i uF u n c t i o n a l l yG r a d e dM a t e r i a l s ( F G M )
4、w a san e wt y p eo fm a t e r i a lw h o s em i c r oe l e m e n t s ，i n c l u d i n gc o m p o s i t e sa n ds t r u c t u r e ，c h a n g e dc o n t i n u o u s l yw i t hp o s i t i o n A l t h o u g hp o l y m e rm a t e r i a l sw e r ep l a y i n gam o r ea n d m o r ei m p o r t a n tr o l e
5、i nt h em a t e r i a lf i e l d ，t h er e s e a r c hw o r ko ff u n c t i o n a l l yg r a d e dp o l y m e rm a t e r i a l sw a sn o te n o u g h ，a n dm o s to ft h e mw e r ec o n c e n t r a t e do nt h ed i s c o n t i n u o u sp r e p a r a t i o no ft h i sk i n d o fm a t e r i a l T h e
6、r e f o r e ，t h i st h e s i si n v e n t e dan e wp r o c e s so fc o e x t r u s i o n - -g r a d e dd i s t r i b u t i o n - - 2 - d i m e n s i o n a lm i x i n gt or e a l i z et h ec o n t i n u o u sp r e p a r a t i o no ff u n c t i o n a l l yg r a d e dp o l y m e rm a t e r i a l ，i nw
7、 h i c ht h ec o n v e n t i o n a le q u i p m e n tf o rp o l y m e rp r o c e s s i n gw a su s e d T ot h er e q u i r e m e n t so ft h er e s e a r c hw o r k ，ad i ew a sd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d e dag r a d e dd i s t r i b u t i o nu n i ta n da2 - d i m e n s i o n a lm i x i n
8、 gu n i t I nt h ee x p e r i m e n t ，t w od i f f e r e n tp o l y m e r sH D P E P Sw e r ee x t r u d e di n t ot h ed i ef r o mt w oe x t r u d e r s M e a n w h i l e ，t h em a c r O s c o p i c a 儿yg r a d e ds t r u c t u r ew a sg e n e r a t e db yt h eg r a d e dd i s t r i b u t i o n u
9、 n i ta n dt h e nt h em i c r o s c o p i c a l l yg r a d e ds t r u c t u r e 、w a sg e n e r a t e db yt h e2 - d i m e n s i o n a lm i x i n gu n i t T h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h i sk i n do fe q u i p m e n ta n dn e wp r o c e s sw e r ev i a b l ei nt h ec o n t i n u o u sp
10、r e p a r a t i o no ff u n c t i o n a l l yg r a d e dp o l y m e rm a t e r i a l s K e yW o r d s ：F G M ，F u n c t i o n a l l yG r a d e dP o l y m e rM a t e r i a l s ，c o m p o u n dc o e x t r u s i o n ，g r a d e dd i s t r i b u t i o n ，2 - d i m e n s i o n a lm i x i n g ，c h a o t i
11、cm i x i n g四川大学顾士学位论文1 引言材料是现代科学技术和社会发展的支柱，现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料、特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力，直接体现国家的科技水平和经济实力，也是一个国家综合国力和文明进步的标志。新材料的开发与研究作为材料科学的先导，是2 l 世纪科技发展的基石。1 1 功能梯度材料概述1 1 1 功能梯度材料定义功能梯度材料( F G M ) 是在材料的制各过程中，选择两种或两种以上性质不同的材料，通过连续地控制材料的微观要素( 包括组成和结构) ，使其沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续变化，从而使材料的性质和功能也呈梯度变化的
12、新型材料。1 1 2 功能梯度材料概念的提出功能梯度材料是由日本学者平井敏雄、新野正之等人于1 9 8 4 年首次提出，并于1 9 8 7 年开始进行这方面的研究“1 。他们的构想与航天技术的发展密切相关目的在于研究开发出表面使用温度很高的新型超耐热材料。例如航天飞机发动机燃烧室壁燃烧气体一侧温度在2 0 0 0 1 2以上，而另一侧直接接触致冷材料液氢，机体材料内部将产生巨大的热应力，因而对材料提出十分苛刻的要求。分散均一的耐热材料不能满足此要求。目前广泛使用的隔热性耐热材料由于存在明显的相界面，两相的膨胀系数很大，加热至高温将产生很大的热应力，使涂层遭到破坏甚至引起重大事故，所以此种材料也
13、不能使用予上述环境。功能梯度材料正是在这种背景下提出的，其成分和结构呈连续的梯度变化，从而消除了金属、陶瓷复合材料之间的界面，这样材料的力学、热学和化学性能等将从材料的一侧向另一侧呈连续地变化，从而达到缓和热应力和耐热隔热的目的。图l 和图2 为此类材料的示意图0 1功能梯度高分子材料连续制各技术的开发研究图1 功能梯度材料典型的组织结构特征0 陶瓷参胁+ + 纤维0 L 稚图2 功能梯度材料的结构与特性示意圈功能梯度材料由于其特殊的组成和结构，与均质材料和界面复合材料相比有显著的性能特征。图3 ”1 给出了均匀材料、界面复合材料及功能梯度材料的有关性能分布状态，从而说明了功能梯度材料缓和热应
14、力的机理。从这三种材料的材料组成和特性可以看出，功能梯度材料具有明显的缓和热应力的功能。在普通复合材料中，金属和陶瓷之间存在明显界面，材料的性质在界面处发生突变，当温度发生变化时，界面两侧的金属和陶瓷的热膨胀系数不同，伸缩率不相等，从而在界面处产生热应力。而在功能梯度材料中，陶瓷与金属无明显界面，材料组分和性质光滑平稳变化，所以在温度变化时，材料的伸缩率不会发生突变，也就不会产生特别大的热应力。2Ooooo + o + o + o +十十o + o + o + o +o o O o o o o o0 0 0 0 0 0 0 0 0四川大学硕士学位论文234斟崮 黼滁藤黼刻圈3 不同材料断面构成
15、与内部特征变化示意图1 1 3 功能梯度材料的历史发展过程功能梯度材料并不是新的事物，它的概念在钢中的应用已有数千年的历史，如图4 所示H 1 。1 9 8 7 年，日本科学技术厅航空宇宙技术研究所和东北大学的研究者们共同提出了“功能梯度材料”的新概念，旨在进行“关于开发热应力缓和型功能梯度材料的基础性技术”的研究。在这项研究中，设想采用计算机理论和尖端的材料合成技术，使材料的构成鼹素多元化，制造出一面耐超高温而另一面耐超低温的“双面功能材料”。由于这种材料的构成要素的成分分布和组织结构趋于合理化，大大降低了双表之间相临材料薄层间的热膨胀系数差，使熟应力得以缓和，从而合成出满足服役条件的功能梯
16、度材料。与传统的功能( 无梯度) 材料相比，功能梯度材料的组成、组织( 含亚结构和空隙在内) 的形态和结合方式有所不同，功能梯度材料组成的连续分布、组织的宏观连续微观不连续形态以及要素的共轭结合方式等特征使得这种材料能以所期望的成分分布形式出现。复合材料界面上热应功能梯度高分子材料连续制备技术的开发研究力过度的累积是导致材料开裂和剥离发生的主要因素，因此，使超耐热材料和耐低温材料( 如陶瓷金属) 之间的组成连续地梯度变化，消除两种材料直接按合引起的性质突变因素，从而最好地缓和了热应力而又最多地保留了两种材料的优良特性。“4 1日本提出这一概念后，美、法、英、德等国家先后发表了特超音速客机“N e wO r i e n tE x p r e s s ”、载人航天飞机“H O T O L ”、“t t e r m e s ”和“S A N G E R ”等与F G M 相关的各种计划“。而日本在功能梯度材料研制上一直处于领先地位，已研制了w P S Z 、S i C C 和T i
