|
成分、结构分析 1.热导率测试——瞬态激光法/稳态热流法 热扩散系数的定义： 导热系数也叫导热率，是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K，℃），在1秒钟内（1S），通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/(m·K)，此处为K可用℃代替）。导热系数是表示材料热传导能力大小的物理量。 导热系数是针对均质材料而言的，对于多孔、多层、多结构、各向异性材料，可以叫做平均导热系数。导热系数与材料的种类、结构、密度、湿度、温度、压力等因素有关。 热扩散系数的定义： 热扩散系数又叫导温系数，它表示物体在加热或冷却中，温度趋于均匀一致的能力，单位为平方米/秒（m2/s) 。在导热系数高的物质中热能扩散的很快，而导热系数低的物质中热能则扩散的较慢。这个综合物性参数对稳态导热没有影响，但是在非稳态导热过程中，它是一个非常重要的参数。热扩散系数是表示材质均温能力大小的物理量。 热扩散系数与材料的导热系数、密度、比热容等因数有关。热扩散系数采用非稳态（瞬态）法测量，在稳态导热中不起影响。  2.激光闪射法 原理： 激光法直接测试的是材料的热扩散系数，其基本原理示意图如下，在炉体控制的一定温度下，由激光源发射光脉冲均匀照射在样品下表面，使试样均匀加热，通过红外检测器链接测量样品上表面相应温升过程，得到温度（检测器信号）升高和时间的关系曲线。   激光法原理示意图 应用： 瞬态法适用于高导热系数的材料，如金属、合金、陶瓷以及多层材料等。 3.稳态热流法 原理： 将一定厚度的样品放入两个平板间，在其垂直方向通入一个恒定的单向热流，使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，传感器在平板与样品之间与样品接触。当冷板和热板的温度稳定后，测得样品厚度、样品上下表面的温度和通过样品的热流量，根据傅里叶定律即可确定样品的导热系数。  热流法原理示意图 应用： 该法适用于导热系数较小的固体材料、纤维材料与多空隙材料，例如各种保温材料。 4.导热系数测试方法-测试标准 针对材料导热系数测试，除了需要有对应的测试方法和测试设备，还需要有对用的标准来规范测试方法、测试过程、测试条件、测试样品、测试范围等信息。 在材料导热系数的测试领域，常用的导热系数测试标准主要采用美国材料试验协会（ASTM）的 ASTM-D5470，ASTM-E1461，ASTM-E1530，ASTM C518-04等。 5.不同导热材料特点 对于电子器件而言，高分子绝缘材料具有独特的结构和易改性、易加工的特点，使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能。但是一般高分子材料都是热的不良导体，其导热系数一般都低于 0.5Wm-1·K-1。一些常见的高分子在室温下的导热系数如下表所示。  常见高分子材料导热系数 力学性能测试 1.拉伸性能测试 基本概念：在拉伸试验中，保持这种受力状态最终，就是测量拉伸力直至材料断裂为止，所承受的最大拉伸应力称为拉伸强度。 实验原理：拉伸实验是对材料沿纵轴方向施加静态拉伸负荷，使其破坏。通过测定试样的屈服力破坏力和材料标距间的伸长来求得材料的屈服强度、拉伸强度和伸长率。 基本定义： 拉伸应力：试样在计量标距范围内，单位初始横截面上承受的拉伸负荷。 拉伸强度：在拉伸试验中试样直到断裂为止，所承受的最大拉伸应力。 拉伸断裂应力：在拉伸应力-应变曲线上，断裂时的应力。 拉伸屈服应力：在拉伸应力-应变曲线上，屈服点处的应力。 断裂伸长率：在拉力作用下，试样断裂时，标线间距离的增加量与初始标距之比，以百分率表示。 弹性模量：在比例极限内，材料所受应力与产生响应的应变之比。 应力-应变曲线 由应力-应变的相应值彼此对应的绘成曲线，通常以应力值作为纵坐标，应变值作为横坐标。应力-应变曲线一般分为两个部分：弹性变形区和塑性变形区，在弹性变形区，材料发生可完全恢复的弹性变形，应力和应变呈正比例关系。曲线中直线部分的斜率即是拉伸弹性模量值，它代表材料的刚性。弹性模量越大，刚性越好。在塑性变形区，应力和应变增加不在呈正比关系，最后出现断裂。  常用拉伸试样形状  高聚物的应力-应变曲线 实验步骤： ①试样的状态调节和试验环境按国家标准规定。 ②在试样中间平行部分做标线，示明标距。 ③测量试样中间平行部分的厚度和宽度，精确0.01mm，II型试样中间平行部分的宽度，精确到0.05mm，测3点，取算术平均值。 ④夹具夹持试样时，要使试样纵轴与上下夹具中心连线重合，且松紧适宜。 ⑤选定试验速度，进行试验。 ⑥记录屈服时负荷，或断裂负荷及标距间伸长。试样断裂在中间平行部分之外时，此试样作废，另取试样补做。 实验影响因素： (1)成型条件：由试样自身的微观缺陷和微观不同性引起 (2) 温度和湿度 (3)拉伸速度：塑料属于粘弹性材料，其应力松弛过程与变形速率紧密相关，需要一个时间过程 (4)预处理：材料在加工过程中，由于加热和冷却的时间和速度不同，易产生局部应力集中，经过在一定温度下的热处理或称退火处理，可以消除内应力，提高强度 (5)材料性质：结晶度、取向、分子量及其分布、交联度 (6)老化：老化后强度明显下降 2.压缩性能测试
式中：σ-压缩应力，MPa；P-压缩负荷，N；F-试样原始横截面积，mm²。试样在压缩负荷作用下高度的该变量称为压缩变形，按下式计算：
式中：ΔH-试样的压缩形变，mm；H0-试样原始高度，mm；H-压缩过程中任何时刻试样的高度，mm。
式中：ε-试样压缩应变；ΔH-试样的压缩形变，mm；H0-试样原始高度，mm；H-压缩过程中任何时刻试样的高度，mm。
式中：E-试样的压缩模量，MPa。
压缩屈服应力：指应力-应变曲线上第一次出现应变增加而应力不增加的转折点（屈服点）对应的应力，以MPa表示。
3.弯曲性能测试 方法原理试验时将一规定形状和尺寸的试样置于两支坐上，并在两支坐的中点施加一集中负荷，使试样产生弯曲应力和变形。这种方法称静态三点式弯曲试验。（另一加载方法为四点式，这里不介绍。）  弯曲测试试验装置 基本定义： 挠度：弯曲试验过程中，试样跨度中心的定面或底面偏离原始位置的距离。 弯曲应力：试样在弯曲过程中的任意时刻，中部截面上外层纤维的最大正应力。 弯曲强度：在到达规定挠度值时或之前，负荷达到最大值时的弯曲应力。 定挠弯曲应力：挠度等于试样厚度1.5倍时的弯曲应力。 弯曲屈服强度：在负荷－挠度曲线上，负荷不增加而挠度骤增点的应力。 实验步骤： ①使用游标卡尺测量试样中间部位的宽度和厚度，测量三点，取其平均值，精确到0.02mm。 ②电子式万能材料试验机使用前预热30分钟。 ③调节好跨度，将试样放于支架上，上压头与试样宽度的接触线须垂直于试样长度方向，试样两端紧靠支架两头。 ④启动下降按钮，试验机按设定的参数开始工作。当压头接触到试样后，计算机开始自动记录试样所受的载荷及其产生的位移数据。至试样到达屈服点或断裂时为止，立即停机。 ⑤保存数据，并根据数据作弯曲载荷-位移曲线图，并保存。根据图形分析试样的弯曲力学行为。 实验影响因素： ⑴试样尺寸和加工试样的厚度和宽度都与弯曲强度和挠度有关。 ⑵加载压头半径和支座表面半径如果加载压头半径很小，对试样容易引起较大的剪切力而影响弯曲强度。支座表面半径会影响试样跨度的准确性。 ⑶应变速率弯曲强度与应变速率有关，应变速率较低时，其弯曲强度也偏低。 ⑷试验跨度当跨厚比增大时，各种材料均显示剪切力的降低，可见用增大跨厚比可减少剪切应力，使三点弯曲试验更接近纯弯曲。 ⑸温度就同一种材料来说，屈服强度受温度的影响比脆性强度的大。现行塑料弯曲性能实验的国家标准为GB/T9341-2008。 4.冲击强度的测定 冲击试验是用来度量材料在高速冲击状态下的韧性或对断裂的抵抗能力。 一般冲击实验采用三种方法： ⑴摆锤式：试验安放形式有简支梁式（charpy）----支撑试样两端而冲击中部；悬臂梁式（Izod）---试样一端固定而冲击自由端。 ⑵落球式 ⑶高速拉伸法：此方法虽较理想，可直接转换成应力—应变曲线，计算曲线下的面积，便可得冲击强度，还可定性判断是脆性断裂还是韧性断裂，但对拉力机要求较高。 简支梁冲击试验较普遍，其原理如下图：  实验影响因素： ⑴冲击过程的能量消耗 ①试样发生弹性和塑性形变所需的能量。 ②使试样产生裂纹和裂纹扩展断裂所需的能量。 ③试样断裂扩展后飞出所需的能量。 ④摆锤和支架轴、摆锤刀口和试样相互摩擦损失的能量。 ⑤摆锤运动时，试验机固有的能量损失。 ⑵温度和适度 材料的冲击性能测试依赖于温度。 ⑶试样尺寸 使用同一配方和同一成型条件而厚度不同的材料做冲击试验时，所得的冲击强度不同。 ⑷冲击速度 摆锤的冲击速度高时冲击强度的数值反而降低。 光学测试 1.TEM——基本形貌、结晶结构、高分子的组装形貌等信息 在光学显微镜下无法看清小于0.2微米的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超细结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。 电子显微镜，简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射电子显微镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍，用于观察超微结构，即小于0.2微米、光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。  电子束与样品之间的相互作用图，来源：《Characterization Techniquesof Nanomaterials》 TEM系统由以下几部分组成： 电子枪：发射电子。由阴极，栅极和阳极组成。阴极管发射的电子通过栅极上的小孔形成射线束，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到对电子束加速和加压的作用。 聚光镜：将电子束聚集得到平行光源。样品杆：装载需观察的样品。 物镜：聚焦成像，一次放大。 中间镜：二次放大，并控制成像模式（图像模式或者电子衍射模式）。 投影镜：三次放大。 荧光屏：将电子信号转化为可见光，供操作者观察。 CCD相机：电荷耦合元件，将光学影像转化为数字信号。  透射电镜基本构造示意图 在实际操作TEM之前，要求所测试样必须满足一定的条件，针对不同类型的试样有不同的制取方法。 高分子材料的特殊制样方法 聚焦离子束技术（Focused Ion beam，FIB）是近年来发展起来的新技术，它是利用电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的离子束轰击材料表面，实现材料的剥离、沉积、注入、切割和改性。聚焦离子束技术（FIB）利用高强度聚焦离子束对材料进行纳米加工，配合高倍数电子显微镜实时观察，成为了纳米级分析、制造的主要方法。要保证样品的纯度，不受环境和人为制样处理的污染，一般使用FIB进行样品的制备。 FIB是一种专业的制样方法，与人工制样的人为影响因素多等缺点相比，FIB能够观察到样品缺陷与基材的界面情况，利用FIB就可以准确定位切割，制备缺陷位置截面样品，完全满足对制样的需求。聚焦离子束（FIB）技术是利用高强度聚焦离子束对材料进行纳米加工，实现样品表面分子和元素种类的空间分布信息，成为了纳米级分析、制造的主要方法。 样品要求： 粉末样品基本要求 ⑴单颗粉末尺寸最好小于1μm； ⑵无磁性； ⑶以无机成分为主，否则会造成电镜严重的污染，高压跳掉，甚至击坏高压枪； 块状样品基本要求 ⑴需要电解减薄或离子减薄，获得几十纳米的薄区才能观察； ⑵如晶粒尺寸小于1μm，也可用破碎等机械方法制成粉末来观察； ⑶无磁性； ⑷块状样品制备复杂、耗时长、工序多、需要由经验的老师指导或制备；样品的制备好坏直接影响到后面电镜的观察和分析。所以块状样品制备之前，最好与TEM的老师进行沟通和请教，或交由老师制备。 影响透射电子显微镜分辨率的因素： 理论：根据电子显微学理论，加速电压越高，理论空间分辨率越高。 缺陷：对于不同的试样，高加速电压同时会带来辐照损伤等问题，影响实际分辨率。 影响因素：加速电压固定后，影响透射电子显微镜分辨率的因素可归结为球差、象散和色差。 2.偏光显微镜（PC） 偏光显微镜是研究晶体光学性质的重要仪器，同时又是其他晶体光学研究法(油浸法、弗氏台法等)的基础。偏光显微镜是利用光的偏振特性对具有双折射性物质进行研究鉴定的必备仪器,可做单偏光观察，正交偏光观察，锥光观察。将普通光改变为偏振光进行镜检的方法，以鉴别某一物质是单折射（各向同行）或双折射性（各向异性）。双折射性是晶体的基本特征。因此，偏光显微镜被广泛地应用在矿物、化学等领域。 研究晶体光学性质所使用的显微镜装有起偏镜（下偏光镜、前偏光镜）和检偏镜（上偏光镜、后偏振镜、分析镜）。自然光经起偏镜后成为在某一固定方向上振动的偏振光。由于装有起偏镜和检偏镜，故将此类显微镜称为偏光显微镜。 光线从偏振片通过呈光学各向同性的聚合物熔融态或无定形态时不改变偏振方向，因此，用偏光显微镜观察时，视野是全暗的。光线通过呈光学各向异性的聚合物结晶态或取向态时会分解成偏振方向相互垂直的两束光。因此，用偏振显微镜观察时，会呈现特征的视野。 偏光显微镜应用实例之球晶观察： 当α=0°、90°、180°和270°时，sin2α为0，这几个角度没有光线通过；当α为45°的奇数倍时，sin2α有极大值，因而视野最亮。于是，球晶在正交偏光显微镜下呈现特有的消光十字图像。 Ziegler-Natta催化剂合成的等规聚丙烯等温结晶形成的球晶 线型聚乙烯熔体冷却形成的球晶 在一定温度下，球晶的生长是等速的，用偏光显微镜可以进行等温结晶动力学的研究，方法是测定球晶半径随时间变化的关系。 |
|
|
