多尺度界面结构有机—无机层合玻璃的服役性能及其可靠性研究

作     者：钟凡 

作者单位：南昌航空大学 

学位级别：硕士

导师姓名：卢金山

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：有机-无机层合玻璃 周期性微结构 梯度胶层 服役性能 可靠性 有限元模拟 

摘      要：有机-无机层合玻璃结合了无机玻璃的高强度、高硬度、耐热耐腐蚀性以及有机玻璃的轻质、易成型、抗冲击性等特点,有望作为新型透明材料应用于航空透明件。然而,由于玻璃和有机玻璃热膨胀系数失配,服役过程中中间胶层容易脱胶失效,严重影响其可靠性和使用寿命。本文从提升有机-无机层合玻璃界面粘接性能考虑,在层合玻璃粘接界面建立多尺度界面结构。采用丝网印刷结合混合酸刻蚀,在无机玻璃表面加工周期性微结构;采用预聚法和溶解-扩散法,分别制备有机硅改性聚氨酯（PU）胶层以及有机硅改性聚氨酯/聚甲基丙烯酸甲酯梯度胶层（PU/PMMA）;结合低温等离子体改性,热压层合三种不同界面结构的有机-无机层合玻璃,系统研究多尺度界面结构对界面粘接性能、冲击性能、疲劳性能、湿热老化性能等服役性能的影响规律及其物理本质,为研制高可靠性、长寿命航空透明材料奠定坚实的理论基础。采用顺序聚合法制备PMMA为主体的PU-PMMA复合材料。随PU含量增加,复合材料透明度降低,冲击强度增大,表明互穿网络结构具有优异的抗冲击性能。对于PU/PMMA梯度胶层,随着PU预聚时间延长,层合玻璃透明度显著提高,界面剪切强度先增大后减小,PU预聚时间为18 h时,界面剪切强度达到4.56 MPa。层合玻璃的界面剪切断裂Weibull分析表明,玻璃表面周期性微结构以及梯度胶层有利于提高界面剪切强度,多尺度界面结构的界面粘接可靠性虽然有所降低,但远大于商业化PU胶层层合玻璃,这与界面物理化学改性以及多尺度界面结构有关。冲击试验表明,梯度胶层层合玻璃的冲击强度明显大于PU胶层层合玻璃,梯度胶层的弹性模量梯度使得冲击吸收功增大;随着疲劳循环周次增加,层合玻璃透明度和界面剪切强度降低,但梯度胶层层合玻璃的界面剪切强度仍大于PU胶层层合玻璃。变动剪切应力作用下,层合界面的裂纹萌生与扩展是层合玻璃剪切疲劳的主要原因;随着湿热老化时间延长,三种界面结构的层合玻璃光学性能和界面粘接性能均下降。湿热老化28 d时,梯度胶层层合玻璃的界面剪切强度为2.9 MPa,优于PU胶层层合玻璃。利用Abaqus/Explicit软件建立有机-无机层合玻璃的有限元模型,选择PU胶层和PU/PMMA梯度胶层作为中间层,模拟层合玻璃的冲击试验过程。分析结果表明,梯度胶层层合玻璃的冲击载荷高于PU胶层层合玻璃,最大冲击载荷分别为33 m N和24 m N。梯度胶层改善层合玻璃抗冲击性能,这与冲击试验结果一致。