西南交通大學(xué)蔣晗團隊：解答高分子材料劃痕升溫的宏微觀機理

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，這一獨特現(xiàn)象的復(fù)雜宏微觀機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刮擦實驗中，蔣晗教授課題組研究人員利用高速紅外測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)化與競爭。通過在非線性彈塑性本構(gòu)模型中考慮銀紋萌生準則，引入脆韌競爭轉(zhuǎn)化機制(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、斷裂三個階段（圖3-b）。通過宏觀本構(gòu)的銀紋萌生準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，最終獲得銀紋到達流動斷裂狀態(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刮擦實驗溫升演化機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。該系列研究工作對理解非晶態(tài)脆性高分子材料的銀紋斷裂機理，描述由此導(dǎo)致的刮擦劇烈溫升現(xiàn)象，提供了宏觀現(xiàn)象與微觀機理的連接橋梁。這一研究工作得到國家自然科學(xué)基金（11472231，11872321）資助。