概述
多孔聚合物薄膜由于其制造成本低、结构灵活、容易表面功能化等特点，可广泛应用于选择性吸附剂、电池隔膜、催化剂载体、储能和可生物降解膜等工业领域。提高强度是开发多孔聚合物材料的重要因素，影响产品性能、生命周期和安全问题。为从结构特征角度深入了解多孔聚合物薄膜，本研究基于聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）图像数据创建三维模型，通过有限元模拟探索薄膜微观结构对单轴拉伸载荷下力学性能的影响。
试样准备与扫描
选取两种聚丙烯（PP）薄膜 A、B，测量计算孔隙率。A 的穿刺强度低于 B，因此将 A、B 分别称为“低强度（LS）薄膜”和“高强度（HS）薄膜”。
采用 FIB-SEM 断层扫描技术获取图像数据，横截面间距为 25 nm。为在具有不同电子密度的 SEM 图像中识别分割聚合物和孔隙，使用 RuO4 对聚合物薄膜进行染色，然后通过浸渍环氧树脂固定孔隙。每个试样包含约 400 张具有足够对比度和空间分辨率的高质量显微图像。
图像处理与模拟
将扫描数据导入 Simpleware 软件中，使用滤波器去除噪声，基于阈值分割为聚合物和孔隙。将模型裁剪为 5 × 5 × 5 μm3 的体积，量化孔隙的微观结构特征如孔隙率、迂曲度、孔隙尺寸和形态等。
在 Simpware FE 模块为边长 2.5 μm 的立方体模型生成高质量的四面体网格，包含约 60 万个单元。将网格模型导入 LS-DYNA 进行有限元模拟，假设聚合物为各向同性的弹塑性材料，设置杨氏模量 1.5 GPa、泊松比 0.42、屈服应力 0.3 GPa。
结果与讨论
微观结构表征
比较两个试样的横截面 SEM 图像，两者的微观结构存在显著差异。在 LS 薄膜中沿 MD 方向可观察到纵向树干状结构，HS 薄膜中整个体积的纹理呈现均匀性。
由扫描获得的图像堆栈构建 3D 模型，测得 LS 和 HS 薄膜的平均体积孔隙率分别为 52.95% 和 48.28%。与 HS 薄膜孔隙率的实验值有差异，可能是因为裁剪的局部区域未能准确代表 HS 薄膜的整体体积孔隙率。
对分割的孔隙模型进行结构分析，LS 薄膜的孔径分布比 HS 薄膜更宽，大部分孔隙体积分别由直径为 0.1-0.3 μm 的孔隙（HS）和 0.2-0.5 μm 的孔隙（LS）组成。
HS 薄膜具有相对较高的迂曲度值，表明内部孔隙网络的复杂性。LS 薄膜在 Z 方向与其他方向迂曲度的差异表明微观结构中孔隙沿 Z 轴（MD）方向的伸长程度。根据孔隙形状对多孔材料韧性影响的研究，似乎可以合理假设具有较大纵横比和排列整齐的孔隙结构往往为裂纹的萌生和快速扩展提供了一条便捷路径。代表性体积分析的结果表明，HS 薄膜的微观结构似乎更加各向同性，而 LS 薄膜的微观结构更各向异性。
力学行为
将模拟 LS 薄膜在 MD/TD 方向上施加拉伸载荷的应力-应变曲线与实验值进行比较。16% 应变下的 von-Mises 应力轮廓图显示，较大的树干状结构在 MD 方向上拉伸，而薄的交联结构在 TD 方向上拉伸。MD 方向上两者的应力-应变曲线具有良好的一致性，TD 方向上的模拟值略低于实验值。TD 方向上的差异表明 3D 模型重建可能会导致较小多孔网络中出现局部缺陷，可以认为结合树干状结构的较小多孔网络是 TD 方向刚度特性的主要贡献。此外，尽管只使用各向同性力学模型，但可以清楚地观察到各向异性拉伸行为，这表明亚微米多孔结构对多孔聚合物拉伸载荷作用下的力学特性有很大影响。
16% 应变下，在 HS 薄膜中观察到 MD 和 TD 方向上相对均匀的应力分布，这种各向同性的多孔结构对薄膜更强韧的力学特性做出了主要贡献。
结论
为深入了解多孔聚合物力学性能与结构特征之间的关系，基于 FIB-SEM 图像重建 3D 微观结构模型，量化分析结构信息，通过有限元方法模拟单轴拉伸试验。结合实验和数值分析表明，通过使薄膜的微观结构更加各向同性可以显著提高多孔聚合物薄膜的力学性能。
参考
- Shen J W, Matsumoto H, Maki A, et al. A study on the relationship between microstructure and mechanical properties of porous polymer films[J]. Polymer, 2020, 204: 122784