X射线三维成像技术原位研究天然橡胶碳黑填料网络形变与能量耗散机理

The excellent mechanical properties of polymer composites come from the enhancing effects of filled nano particles, which form filler network fracturing and partially recovering on loading to dissipate strain energy. Because of the complex of network structures and limitations of research techniques, how the influence of some key factors on the energy dissipation and their contributions on the mechanical properties of polymer composites, such as the filler network evolution on loading, are not clear. Aim at the challenge, the project plans to develop micro-mechanical measurement device which can be used to measure the relationship of strain-stress of thin film in-situ with synchrotron X-ray 3D imaging technique. Taking carbon black enhanced natural rubber as example, the correlations of the structure changes of filler network to the mechanical properties of the rubber composite during tensile deformation are detected and the contributions of filler network fractures and the hysteresis by carbon black aggregates on energy dissipation are studied. Moreover, the structural factors of filler network on the enhancement of rubber composites by X-ray 3D imaging technique are discussed. The main purpose of the project is to establish synchrotron-based method for studying the mesoscopic mechanics in natural rubber filled with carbon black and provide more useful help for users from polymer materials by X-ray 3D imaging techniques as well as give evidences for designing and producing the nanoparticle enhanced polymer composites filled with special mechanical properties.

高分子纳米复合材料优异力学性能的一个重要因素就是纳米颗粒形成的填料网络在应力作用下发生形变、断裂和再结合以耗散外场施加在体系上的能量。然而，由于填料网络结构的复杂性和技术手段的限制，填料网络的结构演化规律和能量耗散的关系及其对复合材料力学性能的贡献机制还不清楚。针对纳米填料网络的结构特点，本项目利用同步辐射X射线三维成像技术，以碳黑填充天然橡胶为研究对象，设计研制模拟橡胶加工和服役条件的微型拉伸装置，从碳黑聚集体在橡胶基体内分布、结构变化与拉伸应变的关系着手，构建碳黑填料网络，并对填料网络的形变、断裂和修复、滑移分别对体系能量耗散的贡献进行研究，揭示纳米填料补强的物理机制和结构因素，为设计、制作特殊性能的高分子纳米填料补强体系提供理论和实验依据，也为发展利用X射线三维成像技术应用于高分子复合材料中的填料网络的结构演化动力学过程的研究方法，推动其在复合材料补强体系结构和性能研究中的应用。

天然橡胶有着优良的力学性能，如很高的拉伸性能、优异的抗撕裂性能等，在工农业生产和国防领域都有着广泛的应用。但单一的橡胶其力学性能还达不到使用要求，往往还需要添加炭黑等填料进行补强。由于填料网络结构的复杂性和技术手段的限制，填料网络的结构演化规律和能量耗散的关系及其对复合材料力学性能的贡献机制还不清楚，很多理论模型因为没有实验数据支撑，还停留在唯象层面。针对纳米填料网络的结构特点，本项目利用同步辐射X射线三维成像技 术，以炭黑填充天然橡胶为研究对象，设计研制模拟橡胶加工和服役条件的微型拉伸装置，从炭黑聚集体在橡胶基体内分布、结构变化与拉伸应变的关系着手，构建炭黑填料网络，并对填料网络的形变、断裂和修复、滑移分别对体系能量耗散的贡献进行研究，揭示纳米填料补强的物理机制和结构因素，为设计、制作特殊性能的高分子纳米填料补强体系提供理论和实验依据，也为发展利用X射线三维成像技术应用于高分子复合材料中的填料网络的结构演化动力学过程的研究方法，推动其在复合材料补强体系结构和性能研究中的应用。