基于 FIB-SEM 研究多孔聚合物薄膜微观结构与力学性能的关系

Posted · Add Comment

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”。 表1:测量的薄膜试样物理性质 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 […]