西南交通大學(xué)蔣晗團(tuán)隊(duì)：解答高分子材料劃痕升溫的宏微觀機(jī)理

日常生活與工程應(yīng)用廣泛使用各種高分子材料，難以避免的劃痕會(huì)損傷材料表面，影響其功能性與美觀性。與直覺想象不同，高分子材料劃痕過程伴隨著~100°C的劇烈升溫。經(jīng)過西南交通大學(xué)蔣晗教授（https://faculty.swjtu.edu.cn/HanJIANG）“高分子材料力學(xué)性能”課題組持續(xù)研究，這一獨(dú)特現(xiàn)象的復(fù)雜宏微觀機(jī)理最近得到初步解答。由張建偉、蔣晗、楊卓然等撰寫的相關(guān)系列論文分別發(fā)表在摩擦學(xué)和材料力學(xué)領(lǐng)域老牌著名期刊Tribology International和International Journal of Solids and Structures[1-3]。

在非晶態(tài)高分子材料聚甲基丙烯酸甲酯PMMA刮擦實(shí)驗(yàn)中，蔣晗教授課題組研究人員利用高速紅外測(cè)溫儀觀察到與劃痕密切相關(guān)的溫升現(xiàn)象(Tribology International, doi:10.1016/j.triboint.2015.10.037)[1]，尤其是材料表面裂紋破壞階段伴隨著劇烈的溫升（圖1）。

刮擦劃痕獨(dú)特的加載工況導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)極為復(fù)雜，材料經(jīng)歷脆性與韌性變形/破壞的共存、轉(zhuǎn)化與競(jìng)爭(zhēng)。通過在非線性彈塑性本構(gòu)模型中考慮銀紋萌生準(zhǔn)則，引入脆韌競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)化機(jī)制(International Journal of Solids and Structures, doi:10.1016/j.ijsolstr.2017.06.033)[2]，并通過VUMAT用戶定義材料子程序嵌入有限元算法，高分子材料刮擦復(fù)雜破壞得到了很好的模擬實(shí)現(xiàn)（圖2）。

基于線彈性斷裂假設(shè)的應(yīng)變能耗散較小，即使完全轉(zhuǎn)化為熱能仍然無法描述觀察到的劇烈升溫現(xiàn)象。大量研究表明，非晶態(tài)脆性PMMA材料的宏觀裂紋是由微觀韌性銀紋演化產(chǎn)生，銀紋由微纖和50-80%的孔洞組成（圖3-a）。銀紋演化可分為萌生、生長(zhǎng)、斷裂三個(gè)階段（圖3-b）。通過宏觀本構(gòu)的銀紋萌生準(zhǔn)則作為連接宏觀裂紋與微觀銀紋的橋梁,得到銀紋激活（萌生）應(yīng)力，激活應(yīng)力拉拽銀紋微纖生長(zhǎng)，最終獲得銀紋到達(dá)流動(dòng)斷裂狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變和能量耗散(International Journal of Solids and Structures, doi: 10.1016/j.ijsolstr.2020.04.031)[3]。

利用上述方法，PMMA刮擦實(shí)驗(yàn)溫升演化機(jī)理以及裂紋破壞處的劇烈溫升現(xiàn)象得到了合理描述（圖4）。從銀紋微觀機(jī)理出發(fā)建立其演化過程模型，從能量角度解釋了刮擦過程伴隨的劇烈溫升現(xiàn)象。該系列研究工作對(duì)理解非晶態(tài)脆性高分子材料的銀紋斷裂機(jī)理，描述由此導(dǎo)致的刮擦劇烈溫升現(xiàn)象，提供了宏觀現(xiàn)象與微觀機(jī)理的連接橋梁。這一研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（11472231，11872321）資助。