LDPE/MWCNTs复合材料低能电子辐致力学损伤效应与机理研究
批准号:
51503053
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
20.0 万元
负责人:
杨剑群
依托单位:
学科分类:
E0305.高分子共混与复合材料
结题年份:
2018
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
田丰、刘超铭、张雪峰、董赛赛、栾晓楠、郭宏亮
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中文摘要
聚乙烯/碳纳米管(CNTs)复合材料是未来空间辐射防护结构材料的理想选材,在空间辐射环境下受到损伤,会导致结构与力学性能发生变化,影响其辐射防护效果。空间低能电子(<200 keV)是重要的辐射环境因素,深入研究聚乙烯/CNTs复合材料低能电子辐致力学损伤效应与机理,具有重要的学术价值和实际意义。国内外已有相关研究多偏于力学性能指标变化的定性评价,尚缺乏针对辐致微观结构变化与力学行为内在关系的研究。本项目以低密聚乙烯(LDPE)/多壁碳纳米管(MWCNTs)复合材料为研究对象,基于同步辐射X射线散射技术、原位拉伸试验及多种材料测试手段,深入研究低能电子能量和注量对LDPE/MWCNTs复合材料微观结构与拉伸变形行为的影响规律,揭示该材料低能电子辐致力学损伤效应的特征与机理,建立相应物理模型,为聚合物/CNTs复合材料的优化设计和成功用于空间辐射防护结构材料提供理论依据和技术支持。
英文摘要
Polyethylene/carbon nanotubes (CNTs) composites as a kind of structural material for space radiation shielding are very promising. In the space irradiation environment, the composites are sensitive to radiation damage which changes their microstructure and mechanical performance, directly affecting their shielding effectiveness. Low energy electrons (<200 keV) are important radiation environmental factors. Effects and mechanisms for mechanical damage of polyethylene/CNTs composites induced by low energy electrons will be studied, which has important academic value and practical significance. Previous research mainly involves the qualitative evaluation of the changes in the mechanical performance index. The inner relationship between microstructural changes induced by radiation and mechanical behaviour has not been deeply researched so far. In this project, low-density polyethylene (LDPE)/ multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) composites are chosen as research object. Effects of energies and fluences for low energy electrons on microstructure and tensile deformation behavior of the LDPE/MWCNTs composites will be investigated by an in-situ synchrotron radiation combined with tensile test and various material analysis methods. Basic characteristics of effects and mechanisms for mechanical damage of LDPE/MWCNTs composites induced by low energy electrons are revealed. Physical model of effects for mechanical damage of LDPE/MWCNTs composites induced by low energy electrons is built. These results could provide a theoretical basis and technical support for the reasonable design and successful application of CNT-based polymer composites as structural material for space radiation shielding.
随着航天技术的发展,对轻质、高性能和低成本的辐射防护材料提出了迫切需求。聚乙烯具有优良的空间辐射防护效果,但力学性能及热稳定性尚显不足。针对航天器用空间辐射防护的需要,系统研究低密度聚乙烯/多壁碳纳米管(LDPE/MWCNTs)复合材料在低能电子辐照下力学性能的变化特点及机理,具有重要的学术价值与工程实际意义。本项目,以LDPE/MWCNTs复合材料为研究对象,基于低能电子辐照,利用同步辐射X射线散射技术、原位拉伸试验并结合多种材料分析手段,深入开展低能电子辐照对LDPE/MWCNTs复合材料微观结构的影响规律;低能电子辐照对LDPE拉伸变形行为影响的动态表征;以及低能电子辐照LDPE/MWCNTs复合材料拉伸行为特征及变形机理。研究表明,不同能量低能电子辐照对MWCNTs微观结构影响不同。110 keV电子辐照可诱导MWCNTs产生位移效应并伴随电离效应;而70 keV电子辐照可诱导MWCNTs产生电子激发和电离效应。110 keV电子辐照对LDPE第一阶段的变形机制无影响,仍由非晶区分子链变形所主导。在第二、三阶段中,110keV电子辐照交联强化效应对原始片晶破碎及片晶转动未产生明显影响,却可延缓新片晶的形成。不同能量电子辐照条件下,LDPE/MWCNTs复合材料的拉伸变形行为相似。经电子辐照后,LDPE/MWCNTs复合材料的拉伸变形行为同未辐照前相比,其应变强化速率显著提高,导致拉伸强度升高和断裂延伸率降低。随着辐照注量和应变量增加,均使MWCNTs组元与LDPE基体的界面层畸变度增大。在拉伸变形过程中,主要强化机制涉及辐照对LDPE基体产生交联导致的强化效应,以及辐照对界面强化效应。基于上述结果,建立了低能电子辐照诱导力学损伤效应的物理模型。本项目研究结果为聚合物/CNTs复合材料的优化设计和成功用于空间辐射防护结构材料提供理论依据和技术支持。基于上述研究结果,发表SCI论文4篇,申报国家发明专利7项。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:--
发表时间:2016
期刊:Acta Physica Sinica
影响因子:1
作者:杨剑群;刘超铭;田丰;侯春风
通讯作者:侯春风
Effects of 1 MeV electrons on the deformation mechanisms of polyethylene/carbon nanotube composites
1 MeV电子对聚乙烯/碳纳米管复合材料变形机制的影响
DOI:10.1016/j.nimb.2017.04.046
发表时间:2017-10
期刊:Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B
影响因子:--
作者:Jianqun Yang;Xiaodong Zhang;Chaoming Liu;Xingji Li;Hongxia Li;Guoliang Ma;Feng Tian
通讯作者:Feng Tian
Electron irradiation-induced change of structure and damage mechanisms in multi-walled carbon nanotubes
电子辐照引起的多壁碳纳米管结构变化和损伤机制
DOI:10.1088/1674-1056/24/11/116103
发表时间:2015
期刊:Chin. Phys. B
影响因子:--
作者:Yang Jian-Qun;Li Xing-Ji;Liu Chao-Ming;Ma Guo-Liang;Gao Feng
通讯作者:Gao Feng
DOI:--
发表时间:2016
期刊:物理学报
影响因子:--
作者:马国亮;杨剑群;李兴冀;刘超铭;侯春风
通讯作者:侯春风
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