压缩应力松弛测试

在纤维纺丝、薄膜拉伸和塑料注塑成型加工过程中，聚合物结晶一般都发生在高速取向变形过程中，这一过程还伴随着聚合物的应力松弛。因此聚合物结晶、取向和松弛这三种非平衡动力学过程相互竞争，对应的调控因素例如加工温度、应变速率和拉伸应力就共同决定着聚合物材料制品最终的半结晶织态结构及其综合性能。在国家自然科学基金委的项目支持下，南京大学胡文兵课题组在采用动态蒙特卡洛分子模拟研究应变诱导聚合物结晶微观机理方面近年来取得了一系列的进展。分子模拟结果揭示了应变诱导结晶成核阶段所存在的分子内链折叠成核和分子间缨状微束成核之间的竞争关系（Polymer, 2013, 54, 3402）以及结晶成核、晶体生长和后生长三个阶段不同的链折叠变化趋势及其微观机理（Polymer, 2014, 55, 1267）；研究还推广到双链长分布聚合物（Chin. J. Polym. Sci., 2014, 32, 1218），无规共聚物（Soft Matter, 2014, 10, 343 Eur. Polym. J., 2016, 81, 34 Polymer, 2016, 98, 282），溶液聚合物（J. Phys. Chem. B, 2016, 120, 6890），结晶/非晶共混物（J. Phys. Chem. B, 2016, 120, 12988），外消旋共混物（J. Phys. Chem. B, 2018, 122, 10928）和短链支化聚合物（Polym. Int., 2019, 68, 225）等复杂多组分体系。最近，他们将麦克斯韦应力松弛模型引入到每条高分子链中。分子模拟结果揭示了非晶聚合物应力松弛的熵势垒微观机制（Chin. J. Polym. Sci., 2021, 39, 906）以及聚合物重复单元结构间各种局部相互作用对链扩散势垒的贡献（Polymer, 2021, 224, 123740），他们甚至还发现了低温区非晶聚合物非线性粘弹性的微观发生机制（Chin. J. Polym. Sci., 2021, 39, 1496）。他们进一步对比了引入和不引入应力松弛的聚合物拉伸结晶过程，如图1所示，发现应力松弛在结晶成核、晶体生长和后生长阶段三个阶段都发挥了独特的作用。图1：没有应力松弛（Strain-induced）和引入应力松弛（Stress-induced）的聚合物应变诱导结晶对比示意图。在结晶成核阶段，聚合物的取向变形减小了构象熵，提升了聚合物的平衡熔点，导致结晶成核的过冷度，即热力学驱动力增强，于是结晶的起始应变随温度升高而变大。增大应变速率，聚合物链内调整这一动力学效应将推迟结晶成核的发生，结晶的起始应变也相应变大。一开始他们合理地猜想应力松弛将削弱聚合物的取向变形程度，给热力学上带来不利于结晶成核的作用。由于在高速拉伸过程中应力松弛的时间窗口很小，对聚合物取向变形程度的影响较为有限，实际的模拟结果显示这一热力学效应并不明显。实际上引入应力松弛对结晶起始应变的影响与增大应变速率的效果相似，即在高温区都不改变结晶的起始应变，说明聚合物来得及链内调整；在低温区都增大了结晶的起始应变，说明应力松弛对结晶主要起到了动力学阻滞效应，而不是预期的热力学削弱效应。在晶体生长阶段，由于折叠链片晶生长动力学主要由链内次级成核机理所控制，应力松弛同样在动力学上阻滞晶体生长。于是，应力松弛显著减缓了拉伸过程中结晶度随应变增大而提高的动力学过程，导致在相同应变程度下，引入应力松弛的结晶过程所能达到的结晶度相对较低。在后生长阶段，聚合物晶体发生应变诱导的熔融重结晶过程。在这一过程中晶体的折叠链被迫打开转变为伸直链，片晶转化为纤维晶，对应于半结晶聚合物冷拉的细颈化过程。分子模拟观察到熔融重结晶带来显著的应力松弛加速现象，证明外力做功迫使折叠链晶体熔化，然后以重结晶生成伸直链纤维晶的形式将外界冲击能转化为热能耗散到周边的环境中去，从而使得半结晶聚合物表现出优异的韧性特点，不同于金属和陶瓷材料。这一阶段应力松弛与增大应变速率对结晶形态的影响有所不同：在其它条件相同时，应力松弛显著减少晶粒的数目，而增大应变速率显著减小晶粒的尺寸，如图2所示。图2：不同拉伸速率下应变诱导与应力诱导结晶的晶区形貌快照，20000对应于相对慢速的拉伸应变过程，5000对应于中速应变。这项工作揭示了聚合物应力松弛、拉伸变形和结晶这三个非平衡过程之间在聚合物取向结晶过程中的微观相互竞争机理，有助于更好地理解实际聚合物高速取向加工成型过程中的高分子结晶行为以及各种加工因素对半结晶聚合物制品内部结构和性能的调控机制。相关成果发表在Polymer（2021, 235, 124306）。论文的第一作者是博士生罗文。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.polymer.2021.124306

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）作为一种新兴的低温燃料电池，具有效率高、工作温度低、零排放等优点，是新型绿色能源的主要发展方向之一。燃料电池是将化学能转化为电能的在线发电装置，由于突破了传统内燃机的效率限制，成为未来汽车动力装置发展的重要方向。燃料电池单体内部最重要的部件就是膜电极（Membrane Electrode Assembly，简称MEA），是燃料电池乃至新能源汽车动力部分的关键组成部分。 碳纸 —气体扩散层（GDL）基材最理想材料PEMFC的核心部件是膜电极组件，由两个催化层（CL）、两个气体扩散层（GDL）和一个质子交换膜（PEM）组成。气体扩散层是膜电极中的关键部分，起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的作用。常用的气体扩散层（GDL）基材主要有：碳纸、碳布、炭黑纸、金属材料等，其中碳纸因具有高导电性、耐腐蚀性以及出色的尺寸稳定性，是GDL基材的最理想材料。 质子交换膜燃料电池工作原理图 碳纸，又称为碳纤维纸，是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的专用材料，即气体扩散层，主要作用是传导电流，引导反应气体从石墨板导流到触媒层，并把反应水排除在触媒层之外，是燃料电池膜电机组（MEA）中不可或缺的材料。 强度性能是碳纸的重要指标之一，具有较好强度的碳纸可为质子交换膜燃料电池的安装和使用带来保障，同时稳定整个电极的结构，提高电池的寿命。 因此，对碳纸材料进行拉伸、压缩、三点弯曲和剥离强度测试，可以有效检验碳纸强度，在碳纸材料的开发与规模化生产中发挥极为重要的作用。 岛津方案目前，碳纸作为新能源领域的新材料，仍然处于大规模生产的初级阶段，不同国家不同的碳纸制造商，因为技术与工艺的差异，对碳纸产品的技术参数尚未达成统一。国内多数企业参考《GB/T 20042.7-2014 质子交换膜燃料电池 第7部分碳纸特性测试方法》的要求，结合各自工艺水平，对碳纸材料从拉伸、压缩、弯曲、剥离多个方面进行测试评估。 岛津电子万能试验机，选择合适的夹具，按标准要求设定好试验方法，能够很方便地获取测试数据与曲线，大大提高碳纸力学测试的效率。 1拉伸测试将碳纸裁切为120×10mm的长条形试样，此次试验用碳纸厚度为0.19mm。裁切边缘尽量保持光滑平整。将裁切好的碳纸拉伸试样夹在1KN气动双推夹具上完成测试。碳纸拉伸测试与夹具碳纸拉伸测试应力-应变曲线 表1. 测试结果 从上图可知，试验机获取了客户所需的应力曲线，通过观察，6个试样的应力-应变曲线形态相似，从而判断碳纸拉伸性能比较均一。结合表中数据可知，最大应力分布在36~40MPa的区间内，拉伸强度的离散型也保持较好。 2压缩测试将碳纸裁成50×50mm的正方形，推荐选择带有调平功能的压盘夹具来完成超薄材料的压缩测试。碳纸压缩测试与可调平压盘 碳纸压缩测试载荷-行程曲线 表2. 测试结果如上图可知，根据岛津AGS-X电子万能试验机获取的压缩测试载荷-行程曲线，观察3个试样的测试曲线形态相似，从表中数据可知，最大应力分布在0.008-0.009MPa的区间内，数值稳定，说明三个碳纸试样的抗压性相似。 3三点弯曲测试将碳纸裁切成120×20mm长方形试样，保证切口光滑平整。碳纸三点弯曲试验选择岛津1KN塑料三点弯曲夹具。视频点击查看：https://mp.weixin.qq.com/s/9Aut652JEjR6-n6ay7Wo-Q 碳纸三点弯曲测试载荷-时间曲线 表3. 测试结果 从图表和三点弯曲载荷-时间曲线，以及抗弯强度差异不大，可判断3个试样的抗弯强度和断裂点载荷保持稳定，进而可判断本批次样品的抗压水平保持在一个水平。 4剥离测试将碳纸粘贴在不锈钢基板上，碳纸表面再贴上胶带。选用1KN气动拉伸夹具来完成拉伸测试。 使用岛津试验机与夹具进行碳纸180°剥离试验 结语使用岛津的AGS-X或AGX-V电子万能试验机，配合拉伸、压缩、三点弯曲、剥离各种不同的夹具与附件，符合现行标准或行业客户的自身测试要求，可以满足您对碳纸的各种力学测试与质量控制的需要，为碳纸规模化制造保驾护航。 撰稿人：王正宇 *本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）作为一种新兴的低温燃料电池，具有效率高、工作温度低、零排放等优点，是新型绿色能源的主要发展方向之一。燃料电池是将化学能转化为电能的在线发电装置，由于突破了传统内燃机的效率限制，成为未来汽车动力装置发展的重要方向。燃料电池单体内部最重要的部件就是膜电极（Membrane Electrode Assembly，简称MEA），是燃料电池乃至新能源汽车动力部分的关键组成部分。 碳纸 —气体扩散层（GDL）基材最理想材料PEMFC的核心部件是膜电极组件，由两个催化层（CL）、两个气体扩散层（GDL）和一个质子交换膜（PEM）组成。气体扩散层是膜电极中的关键部分，起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的作用。常用的气体扩散层（GDL）基材主要有：碳纸、碳布、炭黑纸、金属材料等，其中碳纸因具有高导电性、耐腐蚀性以及出色的尺寸稳定性，是GDL基材的最理想材料。质子交换膜燃料电池工作原理图 碳纸，又称为碳纤维纸，是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的专用材料，即气体扩散层，主要作用是传导电流，引导反应气体从石墨板导流到触媒层，并把反应水排除在触媒层之外，是燃料电池膜电机组（MEA）中不可或缺的材料。 强度性能是碳纸的重要指标之一，具有较好强度的碳纸可为质子交换膜燃料电池的安装和使用带来保障，同时稳定整个电极的结构，提高电池的寿命。 因此，对碳纸材料进行拉伸、压缩、三点弯曲和剥离强度测试，可以有效检验碳纸强度，在碳纸材料的开发与规模化生产中发挥极为重要的作用。 岛津方案目前，碳纸作为新能源领域的新材料，仍然处于大规模生产的初级阶段，不同国家不同的碳纸制造商，因为技术与工艺的差异，对碳纸产品的技术参数尚未达成统一。国内多数企业参考《GB/T 20042.7-2014 质子交换膜燃料电池 第7部分碳纸特性测试方法》的要求，结合各自工艺水平，对碳纸材料从拉伸、压缩、弯曲、剥离多个方面进行测试评估。 岛津电子万能试验机，选择合适的夹具，按标准要求设定好试验方法，能够很方便地获取测试数据与曲线，大大提高碳纸力学测试的效率。 1拉伸测试将碳纸裁切为120×10mm的长条形试样，此次试验用碳纸厚度为0.19mm。裁切边缘尽量保持光滑平整。将裁切好的碳纸拉伸试样夹在1KN气动双推夹具上完成测试。碳纸拉伸测试与夹具碳纸拉伸测试应力-应变曲线 表1. 测试结果从上图可知，试验机获取了客户所需的应力曲线，通过观察，6个试样的应力-应变曲线形态相似，从而判断碳纸拉伸性能比较均一。结合表中数据可知，最大应力分布在36~40MPa的区间内，拉伸强度的离散型也保持较好。 2压缩测试将碳纸裁成50×50mm的正方形，推荐选择带有调平功能的压盘夹具来完成超薄材料的压缩测试。碳纸压缩测试与可调平压盘碳纸压缩测试载荷-行程曲线 表2. 测试结果如上图可知，根据岛津AGS-X电子万能试验机获取的压缩测试载荷-行程曲线，观察3个试样的测试曲线形态相似，从表中数据可知，最大应力分布在0.008-0.009MPa的区间内，数值稳定，说明三个碳纸试样的抗压性相似。 3三点弯曲测试将碳纸裁切成120×20mm长方形试样，保证切口光滑平整。碳纸三点弯曲试验选择岛津1KN塑料三点弯曲夹具。视频观看请点击：https://mp.weixin.qq.com/s/TzDqFlZRp7Gjnsyxl7sZ9Q碳纸三点弯曲测试载荷-时间曲线 表3. 测试结果 从图表和三点弯曲载荷-时间曲线，以及抗弯强度差异不大，可判断3个试样的抗弯强度和断裂点载荷保持稳定，进而可判断本批次样品的抗压水平保持在一个水平。 4剥离测试将碳纸粘贴在不锈钢基板上，碳纸表面再贴上胶带。选用1KN气动拉伸夹具来完成拉伸测试。使用岛津试验机与夹具进行碳纸180°剥离试验 结语 使用岛津的AGS-X或AGX-V电子万能试验机，配合拉伸、压缩、三点弯曲、剥离各种不同的夹具与附件，符合现行标准或行业客户的自身测试要求，可以满足您对碳纸的各种力学测试与质量控制的需要，为碳纸规模化制造保驾护航。 撰稿人：王正宇 *本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。