羅軍鵬，龐 勛，郭曉菊，侯現(xiàn)重

（青海大學土木工程學院，青海西寧 810016）

超高分子量聚乙烯材料性能優(yōu)異，應用極其廣泛，黃安平等［1］指出，我國的超高分子量聚乙烯的年生產增長率突破30%，因此迫切需要對其進行相應的研究分析。鄭高飛等［2］研究了濕度含量對高分子材料力學性能的影響。黨智敏等［3］研究了熱處理對聚乙烯性能的影響。張世明等［4］研究紫外線對高分子材料影響，分析光氧化過程發(fā)生的反應是交聯(lián)和化學鍵斷裂交替進行的，分子鏈斷裂最終導致聚合物分子量減小，分子結構發(fā)生缺陷，從而使高分子材料力學性能降低。高俊剛等［5］測試紫外老化400 h和1 030 h的LLDPE（線型低密度聚乙烯）材料的拉伸強度，發(fā)現(xiàn)未達到屈服而直接斷裂，對于mPE/TiO2，LLDPE/ZnO復合材料，相同紫外老化時間下，拉伸強度變化緩慢，拉伸強度保持率較高。郭鳳玲等［6］對大棚用膜聚乙烯和摻雜復合納米粒子（TiO2、ZnO、SiO2等）的聚乙烯改性膜做紫外老化對比實驗，經過28個月暴曬后，發(fā)現(xiàn)未添加復合納米粒子改性的聚乙烯材料的斷裂伸長率保留率僅為40%，而摻雜納米復合粒子的聚乙烯膜的斷裂伸長率保留率維持在80%左右，耐紫外老化能力提高較大。然而，目前對于高原強紫外線下超高分子量聚乙烯材料（UHMWPE）性能的研究較少，我國的青藏高原、黃土高原以及云貴高原等地區(qū)紫外線輻射強，因此，對高原強紫外線輻射地區(qū)而言，研究強紫外線下超高分子量聚乙烯的材料力學性能有著實際應用價值。本文依據(jù)超高分子量聚乙烯材料的應用范圍及其特點，采用掃描透射電鏡（SEM）觀察經過強紫外線老化處理的超高分子量聚乙烯試樣表面微觀特性，分析研究微觀機理，同時，通過萬能試驗機測試應力（σ）-應變（ε）曲線，分析該材料的斷后伸長率、拉伸強度和拉伸彈性模量與強紫外照射時長關系，并對老化處理后的試樣采用ANSYS軟件進行疲勞壽命分析。

1 實驗部分

1.1 實驗試樣

對300萬分子量超高分子量聚乙烯板原材料選取標準試樣設計尺寸進行銑床加工，如圖1所示，其厚度為9.6 mm。

1.2 實驗條件

本實驗以恒溫紫外線強度為基本要點，研究強紫外線環(huán)境下高分子聚乙烯材料老化拉伸實驗中的力學性能，為強紫外地區(qū)的高分子材料使用壽命的預測以及強度校核提供參考。

依據(jù)文獻［7］，自然條件下太陽光年輻射量按照最高值取值:7 000 MJ/m2，紫外線按照自然太陽光輻射的6%取值:420 MJ/m2。為能夠使實驗過程連續(xù)進行，將該實驗試樣放置在紫外線強度約為200 W/m2的試驗箱中進行老化處理。

實驗箱模擬時間所依據(jù)的基本原理公式為:

實驗箱紫外線模擬時間=自然紫外線輻射總量/試驗箱紫外強度。

故模擬一年紫外線照射時間:420 ×106（J/m2）/200（W/m2）=2.1 ×106s，合為583 h。

本文根據(jù)上述換算關系，設置等效強紫外線照射時長分別為 20、40、60、80、100、120、140、160、180 h，對試樣進行老化處理。未經任何處理的材料試樣作為參比樣品:記為0 h，試樣測試室溫處于25℃。

2 實驗結果與分析

2.1 老化處理對材料表觀的影響

上述實驗環(huán)境下對標準試樣進行老化處理，老化處理過程中，試樣主要體現(xiàn)在兩個方面（圖2）的變化:（1）試樣顏色變黃，顏色的變化在老化處理后不久就出現(xiàn)，并且隨著后期處理時間的延長顏色的變化不明顯。（2）試樣表面變得粗糙，失去滑膩感，有輕微的磨砂感。

采用掃描透射電鏡將老化處理0、20、40、60 h試樣放大至100μm觀察表面微觀形態(tài)，如圖3所示。可知未處理的試樣圖像明亮，試樣表面雖偶有瑕疵，并沒有大的縱向裂紋，但是老化處理后的試樣圖像光線較為暗淡，有較多的裂紋，呈撕裂狀，實驗發(fā)現(xiàn)隨著紫外照射時長不同，裂紋數(shù)及長度不同，表面龜裂程度增加。

2.2 老化實驗對材料的力學性能的影響

通過對不同時長強紫外線照射材料進行拉伸力學性能測試，外載荷采用300 N環(huán)境條件，在拉伸過程中從微觀角度觀察并分析試樣的斷裂形態(tài)。對比分析老化處理前、后試樣微觀結構破壞現(xiàn)象，如圖4所示。未經紫外處理的試樣，表面沒有裂縫，因此呈現(xiàn)較高的塑性，在拉伸時伸長率非常高，由于沒有裂縫，試樣不斷伸長，出現(xiàn)一條較細的拉伸段，并在最后由于截面面積過小被拉斷，始終沒有出現(xiàn)裂縫（圖4a）。老化處理試樣在斷裂時呈現(xiàn)爆裂狀態(tài)，而處理后的試樣表面出現(xiàn)凹痕，正是這些凹痕的出現(xiàn)，使得試樣在受力拉伸時出現(xiàn)應力集中［8］，容易在多處出現(xiàn)裂縫，使得試樣的塑性減小甚至喪失，隨著應力的增大，裂縫逐漸展開，最后出現(xiàn)多條寬度較大的裂縫，并沿其中一條裂縫突然斷裂，因此其斷裂形態(tài)呈圖4b所示狀態(tài)。

通過對不同照射時長每組3個試樣進行拉伸實驗，取平均值繪制如圖5所示的應力-應變關系曲線，由圖中可以看出，不同照射時長的試件性質發(fā)生了明顯變化，導致材料力學性能有所不同。

未處理的試樣拉伸時曲線與高聚物應力-應變曲線類似，先是試樣經受小變形，呈彈性階段，繼而隨著應變的增大，試樣出現(xiàn)塑性變形，曲線開始偏離直線軌跡，但總體上仍然是隨著應力的增大應變增大。隨后，試驗中觀察到試樣出現(xiàn)了一個拉伸的長柱段，這一階段出現(xiàn)后，試樣進入屈服階段，應力值有所減小而應變迅速增加，這是由于長柱出現(xiàn)以后，受力面積減小，長柱的承載能力降低導致的。這一階段之前的長柱形成階段應力隨著應變的增大而減少［9］。

處理過的試樣，單軸拉伸應力-應變關系的整體趨勢沒有明顯的屈服階段，對應地，在實驗當中也沒有出現(xiàn)屈服階段的柱狀體。在拉伸過程中試樣不久便出現(xiàn)裂縫，裂縫的出現(xiàn)使試樣的彈性喪失，呈現(xiàn)曲線形態(tài)，隨后裂縫增大，使得試樣屈服，裂縫越來越大，應力值不增大而應變急速增大，最終破壞。

圖6表明試樣隨紫外線的照射時長變化其表面裂紋長度和斷裂時的最大力的變化。不難發(fā)現(xiàn)，試樣表面裂紋長度大致相同的試樣，其斷裂時最大力隨著照射時長先增加后趨于穩(wěn)定，而試樣隨紫外線的照射時長表面裂紋長度與試樣的力學性能有一致的對應關系。

將UHMWPE的拉伸強度變化趨勢、材料的拉伸彈性模量變化、材料斷裂時的伸長率［10］進行縱向對比材料力學性能的變化情況，繪制如圖7所示的曲線圖，其計算公式如下:

式中，l:試樣拉斷后標距長度；

l0:原標距長度；

n:長試樣和短試樣的標志。

紫外輻照造成UHMWPE拉伸強度總體呈現(xiàn)上升的趨勢，最后趨于穩(wěn)定；拉伸彈性模量開始穩(wěn)定，然后經歷微幅下降后突然升高最后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)；總的結果是斷裂伸長率呈下降趨勢。

2.3 疲勞壽命分析

（1）有限元模型、網(wǎng)格劃分、邊界條件。依據(jù)掃描透射電鏡對老化處理的高分子聚乙烯試樣觀察側面，結果如圖8a所示，試樣微缺陷清晰可見，以此為依據(jù)對材料進行ANSYS有限元建模，其缺陷深度取平均值，間距取兩缺陷之間距離，建立模型10 mm×9.6 mm，如圖8b所示，材料屬性楊氏模量為0.6E2，泊松比0.46［11］，采用8節(jié)點二維實體單元（PLANE183）對模型進行網(wǎng)格劃分，如圖8c所示，邊界條件設置采用模型水平X方向左端固定，右端施加均布靜荷載拉力為300 N的約束。

（2）有限元應力分析。通過ANSYS計算得到如圖9所示的應力-應變云圖，最大應力強度（圖9a MX）位置發(fā)生在節(jié)點號為55的節(jié)點上，該位置也是疲勞發(fā)生位置，應力值為2.094 87 GPa，最大應變值為0.037 852 mm。

（3）疲勞壽命計算。ANSYS疲勞分析進入后處理片POST1，恢復數(shù)據(jù)庫，提取最大節(jié)點（節(jié)點號55）應力并將其儲存，確定循環(huán)次數(shù)，最后采用Miner疲勞積累理論計算疲勞壽命并查看結果。

UHMWPE疲勞壽命預測時關鍵的疲勞性質是材料S-N曲線［12］，如圖10所示。

設計存儲一個事件的兩個荷載，設定事件的循環(huán)次數(shù)，進行疲勞計算，疲勞分析輸出允許的疲勞循環(huán)次數(shù)和疲勞使用系數(shù)見ANSYS分析結果:

PERFORM FATIGUE CALCULATION AT LOCATION 1 NODE 0

***POST1 FATIGUE CALCULATION***

LOCATION1NODE55

EVENT/LOADS11AND12

PRODUCE ALTERNATING SI（SALT）=2.363 2

WITH TEMP=0.000 0

CYCLESUSED/ALLOWED=0.100 0E+06/0.109 1E+08=PARTIAL USAGE=0.009 16

CUMULATIVE FATIGUEUSAGE=0.009 16

對不同老化材料進行疲勞壽命分析，結果發(fā)現(xiàn)存在微缺陷情況下不考慮彈塑性影響材料疲勞壽命是不變的，從而得出，強紫外輻射對UHMWPE材料疲勞壽命產生影響較小。

3 討論與結論

高分子材料由于陽光、水、氧氣以及腐蝕性氣體的侵害易引發(fā)降解，這樣很容易縮短高分子材料的使用壽命［16］。能夠吸收紫外線的高分子材料，特別是含有重鍵（如羰基）的高分子，能直接吸收紫外光，容易引發(fā)光化學反應，使材料喪失原有的性能［17］。目前有很多學者已經致力于高分子材料光氧老化的機理和防治［18］的研究。本文通過試驗，發(fā)現(xiàn)經過老化處理的試樣在拉伸試驗時有較大的性質變化，具體呈現(xiàn)出試樣表面失去光澤，在紫外線作用下UHMWPE產生裂紋，并隨著輻射時長增加裂紋密度增加，主裂紋長度先增加后減小，這與劉穎［13］研究結果基本一致；紫外線輻照影響材料拉伸破壞形式呈現(xiàn)爆破狀，拉伸曲線屈服階段消失，斷裂位移迅速減小并趨于穩(wěn)定，這與高俊剛等［15］測試紫外線老化400 h和1 030 h的LLDPE（線型低密度聚乙烯）材料的拉伸強度，發(fā)現(xiàn)未達到屈服而直接斷裂結果吻合。此次實驗研究隨著照射時長的增加，能承受的最大力先伸高，最后趨于穩(wěn)定；拉伸強度逐步增強，最后趨于穩(wěn)定；斷裂伸長率呈下降趨勢；拉伸彈性模量先穩(wěn)定然后經歷微幅下降最后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，這與張世明等［14］測試經長時間紫外線老化會引起高分子材料的拉伸強度、相對伸長率、剪切強度、彎曲強度、抗沖擊強度、應力松弛等力學性能降低的結果一致；此外，強紫外線輻射并不會對UHMWPE材料疲勞壽命產生影響。