1、纳米 Cu 掺杂 PMP 泡沫的结构与性能杜凯 张林 罗炫 尹强 （中国工程物理研究院 激光聚变研究中心， 四川绵阳， 621900）低密度、微孔聚合物泡沫是惯性约束聚变（ICF）物理实验重要的靶材料之一，在激光和离子束物理实验，激光与物质相互作用研究，材料状态方程研究等领域均有重要的应用 15。为了提高泡沫的机械强度或满足物理诊断实验实验需求，有时需要在聚合物泡沫中掺入少量的高原子序数元素。本文以纳米 Cu 粉为掺杂材料，聚 4甲基1戊烯（PMP） 为泡沫骨架材料，通过热诱导相分离技术制备纳米金属掺杂低密度聚合物泡沫。利用高温超声波分散技术实现了金属粉末在聚合物泡沫骨架材料中的均匀分散，获得
2、了均匀掺杂的聚合物泡沫材料。采用扫描电子显微镜，万能材料实验机等对泡沫的结构与机械性能进行了表征。讨论了纳米 Cu 粉对泡沫结构与性能的影响。PMP，均四甲苯和萘（质量比 60/40）在烧瓶中混合后升温至 160，搅拌形成均匀溶液，加入适量的纳米 Cu 粉继续搅拌。待纳米 Cu 粉分散均匀后将烧瓶转移至恒温 80以上的超声波浴中，超声分散 1h2h。再转移至油浴中加热至 160以上，将混合液迅速转移至模具中，控制一定速率降温，待溶剂固化后加工成所需的形状和大小，最后采用真空(-0.08MPa, 35oC)脱出溶剂即得到所需泡沫样品。根据掺杂泡沫的垂直密度分布可知：未使用超声波分散时，掺杂泡沫密
3、度的轴向分布较均匀，从上到下有所增加。因为纳米金属粉末具有很高的表面能，在通常情况下容易发生团聚，形成微米量级的颗粒，从而在溶液的凝胶化过程中发生一定程度的沉降。通过超声波分散将微米量级的金属颗粒重新分散为纳米粉末，在溶液凝胶化之前发生的沉降可以忽略，因此获得密度垂直分布较均匀的掺杂聚合物泡沫。PMP 泡沫通过热诱导相分离技术制备，该技术包括聚合物溶液形成凝胶和聚合物结晶化两个过程。它是通过一种缓慢的、受控制的方式冷却聚合物溶液来制备泡沫。控制冷却的目的是保证凝胶阶段在临界混溶温度附近形成。在凝胶形成后结晶化可能发生，也可能不发生，主要取决于聚合物/溶剂体系的性质和组成，但为了获得稳定的泡沫结
4、构结晶化十分重要。在聚合物结晶过程中，掺入泡沫制备体系的纳米 Cu 粉可以作为“晶核” 。按照 Gibbs 相变理论，聚合物通过“形核长大”的方式生成晶体。加入的 Cu 粉颗粒越多， “晶核”的数量越多，晶体长大的程度越低。另外在同样理论密度下，泡沫的掺杂元素含量越高，泡沫骨架材料的含量越少。因此，在同样理论密度下，随着 Cu 原子百分含量的升高，掺杂泡沫的骨架尺寸减小，泡沫结构由“片状”向“网络状”转变。泡沫材料的机械性能与密度的关系可以表示为下式：（1）nsfsfCP)(式中，P f与 Ps 分别是泡沫材料与块状材料的某一物理性质， f与 s 分别是泡沫材料与块状材料的密度，n 是定标指数
5、（对于模量，通常 n2）。图 1 给出了不同密度的掺杂泡沫的压缩应力应变曲线（Cu 原子百分含量 2.2%） 。图 2是掺杂泡沫相对密度与相对模量的关系（虚线表示 C=1， n=2 时式 1 描述的相对密度与相对模量的关系） 。从图中可以看出：掺杂泡沫的定标指数大于 2，而且模量高于理论计算值。原因在于纳米 Cu 粉在掺杂泡沫中可以作为聚合物骨架结构的增强剂，另外，纳米 Cu 粉作为聚合物结晶的晶核提高了聚合物骨架结构相互连接的程度。012345678.0.20.40.60.80.1Density 43.25mg/c3 1. 6.34g/c3 89.Stres/MPa Displacemnt/
6、4x10-25x10-26x10-27x10-28x10-29x10-2-110-210-1010Relativ modulsRelativ density 图1 不同密度的掺杂泡沫的压缩应力应变曲线 图2 掺杂泡沫相对密度与相对模量的关系参 考 文 献1. Ainslie T. Young. Microcellular foams via phase separation. J. Vac. Sci. Technol. , 1986, A4(3):11282. N.G.Borisenko, A.I.Gromov, W.Nazarov. Regular foams, loaded foams a
7、nd capsule suspension in the foam for hohlraums in ICF. Fusion Technology, 2000, 38: 1153. J. H. Aubert, R. L. Clough. Low-density, microcellular polystyrene foams. Polymer, 1985, 26: 2047Structure And Properties of PMP Foams Doped with Cu NanopowdersK. Du L. Zhang X. Luo Q. Yin(Research Center of L
8、aser Fusion, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, 621900)Poly-4-methyl-1-pentene (PMP) foams doped with Cu nanopowders have been prepared by thermally induced phase separation. Ultrasonic dispersal was exploited to increase dispersion uniformity of Cu nanopowders in the foam skeleton. Wit
9、h increasing the concentration of Cu nanopowders, the structure of the doped PMP foams becomes finer and the size of cells smaller. The modulus data of the doped foams described by a scaling constant larger than 2 significantly overestimate the predicted value. These indicate two roles of Cu nanopowders in PMP foams: fortifiers of foam structure and nuclei in polymer crystallization.Key words: poly-4-methyl-1-pentene (PMP) foams Cu nanopowders
