光学级聚碳酸酯冲击断面典型形貌及形成机理

冯跃战，王 波，郑海丽，陆 波，王志新，郑国强，刘春太

（郑州大学材料科学与工程学院，橡塑模具国家工程研究中心，河南省郑州市 450001）

聚碳酸酯（PC）由于其高透明性已被广泛应用于光学透镜、光盘、汽车灯罩以及航天器材的制造，其抗冲击性能是判别PC材料性能的主要标准之一。冲击破坏是一种高速动态失效过程，研究其断面形貌有助于了解PC的冲击断裂机理以及破坏与材料微观结构的关系[1]。

缘于PC在工程领域的广泛应用，国内外学者对其典型的脆性冲击断面形貌进行了广泛研究[2-5]。Hull等[2]将经退火处理的PC脆性断面分为：断裂源区、雾区、镜面区和末端带状区。其中，断裂源区及镜面区的形成机理已被学者广泛认同；然而，对于雾区内的周期条纹及末端带状区内的带状形貌的形成机理却仍然不是十分清晰。许多学者认为周期条纹的形成与应力波有关[6-10]，其中Agrawal等[7]提出的临界银纹诱导裂纹萌生模型较好地描述了周期条纹的形成和宽度变化。末端带状区内带状形貌的形成被认为是一个“黏-滑”过程[2,7,9]。本工作研究了光学级PC经退火处理后的冲击断面形貌，提出周期条纹形成机理模型——应力波干涉模型，该模型能合理解释本实验中观察到的断面形貌（如周期条纹形貌和带状形貌）。

1 实验部分

1.1 原料

PC，Lexan OQ 2720，光学级，沙特阿拉伯SABIC公司生产。

1.2 试样制备

首先将PC颗粒于120℃真空干燥8 h，然后使用宁波海天股份有限公司生产的HTF80-w2型注塑机制备冲击试样。熔体温度和模具温度分别为295，100℃，注射速率为30 cm3/s。冲击试样的尺寸为4 mm×10 mm×80 mm。冲击试样中部的V形缺口的深度、角度和缺口底部半径分别为2 mm，45°，0.25 mm。缺口冲击试样在120℃真空条件下退火12 h。

1.3 测试与表征

按GB/T 1843—2008在美斯特工业系统（中国）有限公司生产的ZBC1000型仪表化摆锤式冲击试验机上进行悬臂梁缺口冲击试验，并对冲击断面进行保护。

使用日本电子株式会社生产的JSM-6360 LV型扫描电子显微镜观察冲击断面的形貌。截取厚度为1～2 mm的冲击断面，喷金处理后在20 kV的加速电压下进行扫描电子显微镜（SEM）观察。

2 结果与讨论

由图1可知：光学级PC冲击断面依次由断裂源区（B部分）、雾区（C部分）和末端带状区（D部分）组成。断裂源区位于距缺口（A部分）根部下方一定距离的中间位置，这是因为在冲击载荷下，应力三轴性水平峰值刚好出现在该位置[2]；约占断面面积60%的雾区分布在断裂源区周围，其中，雾区内部的周期条纹形貌所占比例最大；末端带状区则位于断面末端裂纹扩展方向发生改变的断面上。另外，所有试样的断面末端均出现了裂纹扩展方向改变后形成的断裂偏离区（E部分）。

2.1 PC冲击断面雾区内的周期条纹

2.1.1 周期条纹形貌

图1 PC冲击断面沿裂纹扩展方向的垂直截面示意Fig.1 Schematic diagram for vertical cross-section of fracture surface of PC along the crack propagation direction

由图2可知：周期条纹是自断裂源周围沿裂纹传播方向扩展的。仔细观察发现周期条纹的周期宽度[银纹带（即发白区域）与无特征区（即暗区）宽度之和]沿裂纹传播方向缓慢减小，通过对典型区域1和区域2测量得到其周期宽度分别约为50，40μm。另外，由图2b可知周期条纹中银纹带宽度大于无特征区宽度。

图2 光学级PC冲击断面中周期条纹形貌Fig.2 The morphology of cycle stripes of the impact fracture surface of optical-grade PC

图3a显示周期条纹由银纹带和无特征区交替组成，图3b显示裂纹沿着银纹质与基体的界面扩展。银纹带的形成是由于银纹质在界面附近断裂和银纹中的空洞破裂所致，翻卷的片状形貌是银纹质断裂之后分子链的松弛所致。多数学者采用应力波在银纹中的传播来解释周期条纹的形成[6-10]。Murray等[3,6]在聚苯乙烯的冲击断面上观察到类似的周期条纹，并将其称为“鱼骨”花样形貌。

图3 周期条纹和银纹带详貌Fig.3 The detailed morphology of cycle stripes and craze band

2.1.2 应力波干涉模型

冲击载荷作用下，PC内部首先产生银纹，当内部银纹扩展到临界尺寸后，裂纹在银纹内部弱化区域出现。因此，银纹尖端在PC内部的扩展先于裂纹的扩展[7]。裂纹路径在银纹内部的改变以及裂纹扩展速率的变化是产生各种断面特征形貌的基础。

高速运动的摆锤冲击静止的固体时，其作用效果不会立即传播到固体各个部分，而是从受力点附近以应力波的形式逐次向四周传播[11]。在聚合物悬臂梁冲击破坏过程中，冲击力与聚合物基体界面成一定角度作用时，冲击力即在上下两界面间多次反射并沿前进方向形成应力波，并直接影响断裂形貌。图4显示的是应力波在银纹界面上反射传播示意，同时应力波的出现也改变了银纹及其附近基体的应力场，从而使裂纹的传播路径从银纹层的一侧到另一侧。

图4 应力波干涉模型示意Fig.4 Schematic diagram for the model of stress waves interference

形成周期条纹的具体过程如下：银纹扩展至临界厚度之后，暂时处于稳定状态。当应力波在银纹层内传播时，在反射点处由于应力最大而最先形成微裂纹，并以反射点为中心沿应力最大点向两边扩展，并在两反射点之间某一位置处通过中间空洞相连，形成在界面间跳跃的裂纹。以图4中银纹带为例，Ⅱ侧银纹质中断裂的分子链由于其周围应力场消失而发生松弛，形成带有翻卷片层的银纹带结构；另外，由于反射点附近的裂纹开始最早，且断裂后留下的银纹质最厚，所以显现出银纹带中间部分剥离最严重的形貌，而银纹带两边的最大应力位置偏离界面向应力波位置靠近，银纹断裂留下的银纹质较薄，松弛时间较短，从而显现出银纹带两端的银纹带不明显的现象。同时，在Ⅰ侧断面留下的是部分银纹质和聚合物基体，SEM照片呈现无特征区域。

从观察方向看，应力波在银纹中反射传播造成的裂纹路径改变形成了银纹带较宽的周期条纹。同时在断面的另一侧也观察到类似的周期条纹。

由图5可知：由于应力波的作用，裂纹传播的路径在银纹两个界面上转换。银纹尖端的传播速率（c0）正比于冲击能量，由于冲击能量在裂纹扩展过程中逐渐耗散，所以导致c0逐渐减小。

应力波的传播速率（cs）仅与聚合物基体有关[11]，按式（1）计算。

式中：G，ρ0分别为聚合物基体的模量和密度。

应力波在断裂平面上传播的相对速率（cs1）按式（2）计算。

图5 周期条纹区域裂纹在银纹中传播模型Fig.5 The model of crack propagation in the craze layer at the region of cycle stripes

由于裂纹是由应力波引起的微裂纹扩展连接形成的，所以裂纹尖端的传播速率（c1）正比于cs1，裂纹在这一区域的传播速率基本保持不变。

由图2还可知，周期条纹的周期宽度沿裂纹传播方向逐渐减小。这是因为裂纹传播过程中c1赶上甚至超过c0，裂纹尖端相对于银纹尖端逐渐由位置1向位置2，位置3前进，进入楔形区域（见图5）。当裂纹在楔形区域内传播时，由于银纹厚度逐渐减小，银纹带与无特征区宽度之和与银纹厚度成正比[见式（3）]，从而导致银纹带与无特征区宽度同时减小。

2.2 PC冲击断面末端带状区内的带状形貌

由图6a可知：末端带状区内的带状形貌呈台阶状，并且在每个台阶上挂有剥离的片状银纹结构。由图6b可大致测量出剥离银纹区宽8～10μm，无特征区宽5～7μm。一些学者认为带状结构的形成可以用“黏-滑”过程解释[2,8-9]。剥离银纹区对应着裂纹的慢速扩展，无特征区则对应着裂纹的快速扩展[9]。

由图5还可知：随着c0的降低，裂纹前端逐渐向银纹前端逼近。当裂纹前端靠近银纹前端时，该处银纹质的临界强度超过外加应力，裂纹暂时停止前进。银纹前端继续向前扩展，当银纹厚度达到一定程度时，裂纹重新启动。裂纹重新启动时c1较小，对应着带状结构上的剥离银纹区；c1逐渐增加，剥离银纹形貌逐渐消失，裂纹快速传播对应着带状结构上的无特征区。当裂纹前端再次靠近银纹前端时，裂纹再次暂时停止前进，进入下一个循环。裂纹重复暂停-启动，c1由慢到快，形成了周期的带状结构。

图6 末端带状区的带状形貌及其局部放大图Fig.6 The band morphology in the end-wall band region and its partial enlarged drawing

由图6还可知：在带状结构的台阶处出现许多纤维结构。这可能是因为裂纹在停止运动时，部分冲击能量再次积聚，导致基体内分子链滑移后断裂，形成短纤维结构。

2.3 PC冲击断面末端的脊状形貌

由图7a可知：经退火处理后试样的冲击断面发现肋状形态区域，主要分布在末端带状区和断裂偏离区交界的位置，面积很小，且集中在试样厚度方向上的中部。由图7b可知：脊状形态中脊的走向是沿着裂纹扩展的，且脊间间隔大致相等，为2～4μm。另外在脊的顶部有分子链束滑移留下的短纤维出现。推测该区域内由于冲击能量较弱，致使分子链断裂变得困难，裂纹尖端分子链逐渐沿裂纹扩展方向取向和滑移，形成了顺着裂纹扩展方向的脊状形态。

图7 断面末端的脊状形貌及其局部放大图Fig.7 The ridged morphology at the end of the fracture surface and its partial enlarged drawing

3 结论

a）冲击载荷作用下产生的应力波改变了裂纹传播的路径，这是周期条纹形成的主要因素。

b）本工作提出的应力波干涉模型能够很好地解释周期条纹的形成机理，周期条纹宽度的变化是裂纹扩展进入到银纹层内楔形区域的缘故。

c）光学级PC冲击断面末端带状区内带状形貌的形成是裂纹停止和重新启动过程所留下的痕迹。

d）光学级PC冲击断面末端的脊状形貌是裂纹尖端分子链取向后发生滑移的结果。

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