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基于分形理论的聚乙烯/贝壳粉复合材料性能的研究

作　者: 施佳炜
导　师: 王依民
学　校: 东华大学
专　业: 材料学
关键词: 分形理论聚乙烯贝壳粉力学性能
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

聚乙烯(PE)作为一种热塑性树脂,具有耐酸碱性、吸水性小、电绝缘性等诸多优点,是中国通用合成树脂中应用最广泛的品种,但在作为UHMWPE纤维胶粘剂制备防弹无纬布时,其抗冲击性能还不够理想。近年来,微细粒子填充改性高聚物制得的复合材料以其优异的性能越来越受到人们的关注。与此同时,颗粒的大小、掺杂比例、改性方法等诸多因素都成为了决定粒子在高聚物中分散程度的主要因素,而颗粒的分散程度又是决定材料力学性能优劣的关键。因此,如何选择合适的颗粒大小、适当的掺杂比例、科学的改性方法,以及如何量化地描述各种因素影响下颗粒在基体中的分散情况成为了困扰人们的主要问题。本论文针对上述问题,创新性地结合分形理论,提出了一种新的度量颗粒在复合材料基质中分散情况的标准,之后运用该标准从理论上得到了最佳的颗粒掺杂比例,并通过力学性能测试证明了该方法的可靠性。本文通过将贝壳粉添加入聚乙烯中,利用贝壳粉的特殊层状结构来达到对聚乙烯材料的增强增韧。因此,贝壳粉在基材中的分散性及与基材的亲和性决定了其对基材的增韧作用。考虑了三种主要影响复合材料性能的因素,并分别对其影响下的样品进行分形特征检验：1.选取三种不同颗粒大小的贝壳粉按照同样的掺杂比例分别与聚乙烯共混,通过对材料脆断表面SEM进行分形特征检验,得到只有在颗粒大小为800目时材料表面才具有良好的自相似性,可以建立分形模型具体分析；2.采用钛酸酯偶联剂与硅烷偶联剂对贝壳粉进行改性处理,全部通过检验；3.按照五种不同贝壳粉掺杂比例将聚乙烯与贝壳粉共混,同样全部通过检验。运用分形理论对贝壳粉颗粒在聚乙烯中的分布情况进行进一步研究,选择建立分形密度相关函数模型来对五种贝壳粉掺杂比例下、分别经过钛酸酯偶联剂与硅烷偶联剂改性处理的复合材料断裂表面分形特征进行描述,通过分形维数的计算与比较得到在钛酸酯偶联剂改性下贝壳粉掺杂比例为3%时的样品断面具有最佳的颗粒分散性,从理论上得到了贝壳粉的最佳改性方法与掺杂比例。为了进一步证实该方法的科学可靠,我们引入了分形布朗运动的概念,并通过建立分形布朗运动模型更精细化地预测了最佳的掺杂比例,而其结果与之前密度相关函数模型所得到结果相吻合。通过冲击测试、拉伸测试、磨擦磨损测试研究了改性后贝壳粉的填加量对聚乙烯复合材料力学性能的影响。实验发现当添加量在聚乙烯的3wt%时,聚乙烯复合材料的冲击强度达到最大的63.5kJ/m2,断裂伸长率达到最佳的180.2%,磨损率达到最小的4.27×10-6mm3/(Nm)-1,从而充分说明了分形模型的建立可以定量地分析材料断面的分散情况,由此帮助人们选择最佳的颗粒掺杂比例与改性方法。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-17
  1.1 聚乙烯/贝壳粉复合材料概述  11-12
    1.1.1 聚乙烯材料概述  11
    1.1.2 贝壳材料概述  11-12
  1.2 分形理论在材料学中的应用  12-15
    1.2.1 分形理论概述  12-13
    1.2.2 分形理论在材料学中的应用  13-15
  1.3 研究内容和结果总结  15-17
第二章分形理论及其在材料科学中的应用  17-34
  2.1 分形理论及经典模型  17-22
    2.1.1 分形的定义及特征  17-19
    2.1.2 几种经典分形模型  19-22
  2.2 分形维数的定义与其测度  22-29
    2.2.1 分形维数的定义  23-24
    2.2.2 分形维数的测度理论  24-27
    2.2.3 实际测度中分形维数的计算方法  27-29
  2.3 分形理论在材料科学中的应用  29-32
    2.3.1 分形理论在表面科学中的应用  29-30
    2.3.2 分形理论在高分子科学中的应用  30-32
  2.4 分形理论发展方向  32-34
第三章聚乙烯/贝壳粉复合材料的制备及影响贝壳粉分散性的重要因素  34-45
  3.1 贝壳粉的结构及改性  34-38
    3.1.1 贝壳粉的结构与性能  34-36
    3.1.2 贝壳优越力学性能的增韧机制  36-37
    3.1.3 贝壳粉的改性处理  37-38
  3.2 聚乙烯/贝壳粉复合材料的制备  38-39
    3.2.1 实验原料及仪器  38
    3.2.2 聚乙烯/贝壳粉复合材料的制备  38-39
  3.3 影响复合材料中贝壳粉分散性的重要因素  39-44
    3.3.1 贝壳粉颗粒大小的影响  39-41
    3.3.2 贝壳粉改性偶联剂的影响  41-42
    3.3.3 贝壳粉掺杂比例的影响  42-44
  3.4 本章小结  44-45
第四章分形特征检验与分形模型的选取及应用  45-63
  4.1 聚乙烯/贝壳粉复合材料的分形特征检验  45-51
    4.1.1 颗粒掺杂复合材料表面分形特征  45-46
    4.1.2 聚乙烯/贝壳粉复合材料的分形特征检验  46-51
  4.2 分形密度相关函数模型的建立与分形维数的测度  51-57
    4.2.1 分形密度相关函数模型的定义  51-52
    4.2.2 分形密度相关函数模型的建立  52-54
    4.2.3 分形密度相关函数分形维数的测度  54-57
  4.3 分形布朗运动模型及分形布朗函数指数的测度  57-61
    4.3.1 分形布朗运动模型的定义  58-59
    4.3.2 分形布朗运动模型在自然地形模型中的应用  59-60
    4.3.3 分形布朗运动模型的建立及分形布朗运动函数指数的测度  60-61
  4.4 本章小结  61-63
第五章聚乙烯/贝壳粉复合材料力学性能表征与分析  63-71
  5.1 聚乙烯/贝壳粉复合材料力学性能测试方法  63-64
    5.1.1 冲击性能测试方法  63
    5.1.2 拉伸性能测试方法  63
    5.1.3 磨擦磨损性能测试方法  63-64
  5.2 聚乙烯/贝壳粉复合材料力学性能测试结果  64-68
    5.2.1 冲击性能测试结果  64-65
    5.2.2 拉伸性能测试结果  65-66
    5.2.3 磨擦磨损性能测试结果  66-68
  5.3 聚乙烯/贝壳粉复合材料力学性能机理分析  68-69
    5.3.1 冲击及拉伸性能机理分析  68
    5.3.2 磨擦磨损性能机理分析  68-69
  5.4 本章小结  69-71
第六章全文总结  71-73
参考文献  73-78
攻读学位期间的研究成果目录  78-79
致谢  79

基于分形理论的聚乙烯/贝壳粉复合材料性能的研究

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