纳米颗粒增强热塑性聚合物复合材料的蠕变与回复特性

耐蠕变性能差是热塑性聚合物的一个固有缺陷，严重影响了这类材料更广泛的工程应用。研究发现添加低含量的无机纳米颗粒，通过影响高分子链的机动特性，可以非常有效地提高聚合物的耐蠕变性能。和静态性能相比较，长效性能(包括蠕变、松弛和疲劳寿命等)对于热塑性聚合物微观结构更加敏感，通过系统的蠕变和回复性能研究，可以帮助我们更加深入地了解无机纳米颗粒对于聚合物微观结构的影响规律。本项目针对无定形热塑性聚苯乙烯和热塑性弹性体聚氨酯，通过优化纳米颗粒形貌、含量，在基本不影响其准静态力学性能前提下，以大幅度提高耐蠕变性能为目标。以纳米颗粒影响热塑性聚合物从线性粘弹性到非线性粘弹性的转变为切入点，结合从宏观到细观的蠕变及松弛实验，研究多种形貌纳米颗粒和高分子链的相互作用机制；研究注重多尺度实验分析和理论模拟相互结合，充分利用多种粘弹性模型进行数值模拟，建立跨尺度蠕变性能的关联，探索纳米复合材料粘弹性本构关系。

和金属及陶瓷材料不同，高分子材料普遍在室温（甚至低温）下受力就会发生蠕变，这被认为是制约高分子材料更广泛应用的主要瓶颈之一。我们前期的实验研究发现在多种高分子材料中添加很低含量（1%含量）的纳米颗粒，在基本上不影响基体其它力学和物理性能的前提下，能够大幅度提高其耐蠕变性能；另外和其它准静态力学性能相比较，蠕变和松弛等特性对于高分子材料微观结构的变化更加敏感，蠕变和松弛实验能够在新型纳米复合材料的力学设计中提供更加丰富的纳米颗粒表介面和高分子链相互作用的信息。.本项目包括购置和搭建了纳米压入实验系统，发展了碳纳米管改性聚丙烯(半结晶型热塑性高分子)和聚苯乙烯(无定形型热塑性高分子)两个体系纳米复合材料的制备工艺，同时研究了其在不同温度、载荷下的拉伸蠕变和松弛性能；研究了聚苯乙烯/碳纳米管复合材料在循环拉伸荷载下的蠕变及回复行为；以及臭氧功能化碳纳米管增强热塑性聚氨酯的蠕变行为；同时还利用熔融纺丝法制备多壁碳纳米管/聚碳酸酯复合纤维，并研究了其在高温下的耐蠕变行为。.本项目严格按照项目申请书中的研究计划实施，并取得了突出进展。在国际知名期刊共发表SCI论文15篇，发表中文综述1篇，申请中国发明专利2项。发表论文中影响因子大于3.0的共8篇，其中于2011年发表在ACS Nano和International Journal of Plasticity的两篇论文他引分别为41和24次。本项目研究工作培养了多名硕士研究生和博士研究生，其中3人已获得博士学位。.项目负责人应邀于2011年8月在韩国济州岛举办的第18届国际复合材料会议(ICCM-18)做关于纳米复合材料的大会特邀报告(plenary lecture)，该会议是国际复合材料领域最具学术影响力的系列会议；应邀于2011年1月在墨西哥Puerto Vallarta举办的第17届国际塑性力学及应用大会上做题为“纳米复合材料蠕变性能”的大会主题报告(keynote lecture)；还应邀参加于2014年4月28-30日由澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)在墨尔本举办的先进材料大会，并做大会特邀报告(plenary lecture)。