石蜡微胶囊及脲醛树月旨囊壳的力学试验研究

第３８卷第１１期－学术　湖南农机　２Ｏ１　１年１　１月　Ｖｏ１．３８　Ｎｏ．１　１　ＨＵＮＡＮ　ＡＧＲｌＣＵＬＴＵＲＡＬ　ＭＡＣＨｌＮＥＲＹ　Ｎｏｖ．２０１　１　石蜡微胶囊及脲醛树月旨囊壳的力学试验研究　杨博瀚，戴杰君，申海峰，宗冬冬　（徐州空军学院研究生管理大队，江苏徐州　２２１０００）　摘要：试验应用多功能纳米材料测试仪，借助纳米探针对石蜡微胶囊及其脲醛树脂囊壳材料进行压痕实验。通　过非线性拟和计算，得到了微胶囊和囊壳材料的力学指标并观察到脲醛树脂在微观状态下与其宏观状态具有的不同　性质。　关键字：石蜡微胶囊；脲醛树脂；纳米压痕检测　中图分类号：ＴＵ４５８￣．３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—８３２０（２０１１）１１－０１０１—０２　Ｐａｒａｆｉｆｎ　ａｎｄ　ｕｒｅａ－ｆｏｒｍａｌｄｅｈｙｄｅ　ｒｅｓｉｎ　ｍｉｃｒｏｃａｐｓｕｌｅｓ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｐｓｕｌｅ　ｓｈｅｌｌ　ｌｒＡ＾　Ｂｏ－ｈ￣ｎ，ＤＡＩ　Ｊｉｅ　ＳＨＥＮ日　ｆ＿　ｎｇ，ＺＯＮＧ　Ｄｏｎｇ－－ｄｏｎｇ　Ｘｕｚｈｏｕ　Ａｉｒ　Ｆｏｒｃｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｕｎｉｔ，Ｘｕｚｈｏｕ，Ｊｉａｎｇｓｕ　２２１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ－ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｎａｎｏ－ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｔｅｓｔ　ｔｅｓｔｅｒ，ｎａｎｏ－ｐｒｏｂｅ　ｗｉｔｈ　ｐａｒａｆｉｆｎ　ａｎｄ　ｕｒｅａ－ｆｏｒｍａｌｄｅｈｙｄｅ　ｒｅｓｉｎ　ｍｉｃｒｏｃａｐｓｕｌｅｓ　ｃａｐｓｕｌｅ　ｓｈｅｌｌ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｔｏ　ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｆｉｔｔｉｎｇ　ｔｏ　ｇｅｔ　ａ　ｍｉｃｒｏ－ｃａｐ—　ｓｕｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｐｓｕｌｅ　ｓｈｅｌｌ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｕｒｅａ－ｆｏｒｍａｌｄｅｈｙｄｅ　ｒｅｓｉｎ　ｉｎ　ａ　ｍｉｃｒｏ—　ｓｔａｔｅ　ｗｉｔｈ　ｉｔｓ　ｍａｃｒｏ－ｓｔａｔｅ　ｈａｓ　ａ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｎａｔｕｒｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐａｒａｆｆｉｎ　ｍｉｃｒｏｃａｐｓｕｌｅｓ；ｕｒｅａ－ｆｏｒｍａｌｄｅｈｙｄｅ　ｒｅｓｉｎ；ｎａｎｏ－－ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　式中，Ｂ、ｈ、ｍ为拟合参数；ｈ，为残余压痕深度。　１　基本原理　则由卸载曲线端部的斜率即可求出材料的测量刚度．也　１９９２年Ｏｌｉｖｅｒ和Ｐｈａｒｒ提出．应用纳米压痕测试试样硬　就是接触刚度Ｓ为：　度Ｈ，可由最大加载载荷Ｐ眦与压头的接触面积（投影面积）Ａ　的商求得：　ｓ＝ｌ　｛～＿Ｂｇ唧　一ｈＯ　（５）　式中，ｈ～为最大压痕深度。　Ｈ＝Ｐ　皿／Ａｆｌｘ＝１　（１）　由此得到接触深度ｈ．与压头面积Ａ㈨的甬数表达式为　传统的弹性模量定义考虑的仅仅是反映被测材料的弹性　Ａ（Ｉｘ　＝Ｃｏｈ　＋Ｃ１ｈ。．＋Ｃ２ｈ／２＋Ｃ３ｈ。／４＋Ｃ，ｈＪ８＋ＣＡ／１６＋Ｃ￣ｄ３２＋ＣＴｈ。／　变形，但实际上，在压头压人再抬起而使材料慢慢恢复的过程　６４＋Ｃｓｈ．／１２８　（６）　中，压头的弹性变形也起一定作用，所以可通过约化模量Ｅｒ来　对于Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ压头：　求取试样材料的弹性模量。约化模量Ｅｒ与试样材料和压头材　料的弹性模量Ｅ及泊松比　之间的关系为　Ｃｏ＝２４．５６，Ａ　１＝２４．５６ｈｃ　（７）　接触深度　的表达式为：　＝【　＋【　（２）　ｈ　＿＿ｈ　一￡Ｐ　，√Ｓ　（８）　式１—２中，金刚石压头Ｅ＝Ｉ１１４ＧＰａ，　＝０．０７，未知材料的　式中，８为与压头形状有关的常数。对于球形或　＝０．２９。而其约化模量Ｅｒ为：　Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ压头，８＝０．７５。获得了Ｓ和Ａ　值，被测材料的硬度　和弹性模量就可由式（１）一（３）求得。根据整条卸载曲线拟合　Ｅｒ－＝　ｐ　ＶＡ　ｇ—害：　（３）　得到的值常出现较大误差，因此计算结果确定拟合时，通常只　式中，Ｂ为与压头形状有关的常数，Ｓ为接触刚度。　取卸载曲线的２０％一９５％之间的ｆ｝｝ｉ线段进行拟合。　圆形压头１３＝１，Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ压头１３＝１．０３４，Ｖｉｅｋｅｒｓ压头Ｂ＝　２试验方法　１．０１２。为了准确计算出材料的硬度和弹性模量，必须先知道Ｓ　和Ａ㈧的值。Ｏｌｉｖｅｒ和Ｐｈａｒｒ提出了确定接触面积的方法，给出　脲醛树脂薄片：不添加芯材，采用原位聚合一步法制备脲　了卸载曲线段的载荷与压痕深度关系的幂律公式为：　醛树脂，脲醛树脂黏附烧杯壁，形成了约１　ｍｍ厚的脲醛树脂　Ｐ＝Ｂ（ｈ－ｈｆ）　（４）　薄片。石蜡微胶囊：平均粒径８９　ｍ。将微胶囊和脲醛树脂　收稿日期：２０１１－０９—２０　薄片同定在样品台上，保持表面干净、平整，保存在２６￣０．１℃　作者简介：杨博瀚（１９８７一），男，江苏徐州人，硕士研究生，主要　的环境下２４ｈ后进行测试。用Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ压头对试样进行压　研究方向：作战工程保障。　痕测试　１０２　湖南农机　２０１　１年１　１月　３　试验结果分析　３．１脲醛树脂薄片压痕分析　由脲醛树脂薄片不同条件下根据公式（１）一（８）非线性拟　和计算得的载荷、压痕深度、约化弹性模量和硬度的变化曲　线。由图１町知，受硬度大的基体影响，５００的各项性能都远　小于１６７６和１７００的。随着保　时间的减小。由于保压时问的　相近，１６７６和１７００的硬度（Ｈａｒｄｎｅｓｓ）、弹性模量（Ｍｏｄｕｌｅｓ）和　载荷（　ａｄ）都很接近，ｆＩ｛都与５００—１５差很远。｝｝ｊ试验结果可　以看到．随着实验条件变化尤其是加载时间变化，脲醛树脂　的力学性能变化很大．说明了脲醛树脂具有非线性粘弹性一　蠕变特征。这是由于材料在微观状态下．纳米探针施加载荷　造成的。　Ｏ　４∞即０　１２Ｄｏ　１ｅ００　硼　Ｄｅ例　ｍ　图１不同实验条件对脲醛树脂的压痕曲线　３．２石蜡微胶囊的压痕分析　根据公式（１）～（８）对微胶囊进行非线性拟和计算的载　荷、压痕深度、约化弹性模量和硬度。脲醛树脂和微胶囊根据　公式计算出的结果并与多功能纳米材料测试仪测得的结果比　较。多功能纳米材料实验仪测得的结果得出的弹性模量是约　化弹性模量，是南仪器测得。它与非线性拟和计算的结果相差　较多．主要是由于压头的实际接触面积和实际接触深度不同　于计算的．且由于长期使用影响压头形状，造成接触面积的公　式与式（７）不一致，从而最终导致弹性模量和硬度不一样。　４　结语　（１）应用多功能纳米材料测试仪的纳米压痕技术测试微　胶囊和囊壳材料的力学性能，实验表明脲醛树脂壳壁和石蜡　微胶囊能够承受一定的外力作用。　（２）通过非线性拟合计算，得到了微胶囊和囊壳材料的硬　度和约化弹性模量等力学指标。并与纳米材料测试仪的结果　对比。发现结果相近．说明应用纳米材料测试仪和纳米压痕法　测试微胶囊的力学性能可行。　（３）通过纳米压痕曲线观察到了囊壳材料一脲醛树脂在　室温下、纳米压头和小载荷的作用下发生蠕变，表现了材料在　微观状态下与其宏观状态有不同的性质。　参　考　文　献　【１］Ｏｌｉｖｅｒ　Ｗ　Ｃ，Ｐｈａｒｒ　Ｇ　Ｍ．１ｍｐｍｖｅｄ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　Ｈａｒｄｎｅｓｓ　ａｎｄ　Ｅｌａｓｔｉｃ　Ｍｏｄｕｌｕｓ　Ｕｓｉｎｇ　Ｌ０ａｄ　ａｎｄ　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　Ｓｅｎｓ　ｉｎｇ　ｉｎ　Ｄｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｆＪ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，　１９９２，７（６）：１５６４－１５８０．　【２］ｕ　Ｘ　Ｄ，Ｂｈｕｓｈａｎ　Ｂ．Ａ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｎａｎｏ－ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｓｔｉｆｎｅｓｓ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ１．Ｍａｔｅｒｉ　ｌａｓＣｈａｒａｅｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，２００２，（４８）：１１—３６．　【３】刘星．ＭＵＦ石蜡的微胶囊制备　高分子材料与工程，２００６，（３）．　ｆ４１孙多先．ＡＰＡ微胶囊膜厚的理论计算与实验研究【Ｊ】．生物医学工程　学，２００２，（１９）．　［５１王建平，张兴祥．相变材料微胶囊研究进展Ｌ玎．材料导报，２００７，（４）．