高分子材料在纳米压入表征中尺寸效应的产生机理及力学模型

During the nanoscale characterization of nanoindentation on polymers, the size effect is a very important and key problem. In order to understand and solve this problem, the objective law of the size effects in experiments, the macro and micro mechanical responses, the influence of the surface roughness and indenter tip bluntness, the macro and micro plastic deformation behaviors and the relationship between the strain gradient plasticity and the deformations in micro structures will be researched by means of some methods such as experimental characterization, strain gradient plasticity, Hertz contact theories and molecular mechanics simulations in this project. A micro contact mechanical model will be achieved to describe the micro mechanical behaviors of polymers under the loading of nanoindentation and the mechanism of the size effect of polymers in nanoindentation is expected to be provided in this model. A theoretical model will be deduced to describe and predict the size effects of polymers in nanoindentation by considering the rotational gradient, tensile gradient and the strain rate synchronously. This project is not only of theoretical significance in pushing the reasonable application of nanoindentation characterization methods in the fields of polymers and their composites, but also has great significance in developing and perfecting the microstructural and deformation theories in polymers.

高分子材料在微纳米尺度的纳米压入表征过程中，尺寸效应是非常重要和关键的问题。为了理解和解决这一问题，项目将采用实验表征、应变梯度塑性理论、Hertz接触理论以及分子动力学模拟等方法重点研究高分子材料在纳米压入表征过程中的尺寸效应表现规律、宏微观力学响应、表面粗糙度和压头钝化因素的影响过程、材料的宏微观塑性变形行为以及应变梯度与微观结构变形之间的关系等，建立描述高分子材料在纳米压痕局部位移载荷下的微观接触力学模型，从微观尺度得到高分子材料在纳米压入表征过程中尺寸效应的产生机制；建立同时考虑旋转梯度、拉伸梯度和应变率影响的描述高分子材料尺寸效应的力学模型，更准确和全面地描述和预测高分子材料在纳米压入表征过程中的尺寸效应。项目不仅对于纳米压入表征方法在高分子及其复合材料领域的合理应用具有重要的理论意义，同时对于高分子材料的微观结构及变形理论的发展、完善也具有重要意义。

尺寸效应是压入表征中广泛存在的一种试验现象，表现为测试所得的压痕硬度或压痕模量会随测试深度的减小而增大。关于高分子材料的压痕尺寸效应，目前还没有广泛认可的力学模型。项目的目的是探索聚合物的压痕尺寸效应的产生机理，并建立能够阐明这一现象的力学模型。项目采用实验表征、分子动力学模拟以及Hertz接触理论等方法重点研究了高分子材料在纳米压入表征过程中的尺寸效应、宏微观力学响应、表面粗糙度和压头钝化因素的影响过程，得到了表面粗糙度、加载应变率、分子结构等对高分子材料的尺寸效应影响规律。项目将修正的偶应力弹性理论引入赫兹接触问题中，假设偶应力弹性位移场与线弹性位移场具有相同的数学形式，推导出了旋转梯度场/偶应力场的解析表达式，得到了更显式的线弹性应力场/应变场表达式。基于偶应力场建立了偶应力弹性框架下的赫兹接触载荷模型，建立了接触模量尺寸效应模型，该模型成功描述了压入表征中观察到的模量尺寸效应。项目将所建立的接触载荷尺寸效应模型引入压痕表征的相关计算方法中，分别建立了可描述压痕模量尺寸效应、压痕硬度中的弹性尺寸效应以及它们之间的比例关系的模型。模型成功描述了常规聚合物压痕试验数据中的尺寸效应。基于模型对试验数据的应用结果，项目进一步研究了分子结构对压痕尺寸效应的影响，证实了现有结果中推测的具有复杂分子结构的聚合物的压痕硬度中弹性尺寸效应占主导地位，发现塑性尺寸效应只与非晶相的塑性变形有关。项目基于非晶态聚合物的剪切转变塑性理论，建立了一个可体现并能定量描述压痕硬度中塑性尺寸效应的力学模型，模型与现有试验数据高度吻合。项目建立的弹塑性形变过程中的模量、硬度模型能更准确和全面地描述和预测高分子材料在纳米压入表征过程中的尺寸效应。项目的结果不仅对于纳米压入表征方法在高分子及其复合材料领域的合理应用具有重要的理论意义，同时对于高分子材料的微观结构及变形理论的发展、完善也具有重要意义。