微裂紋

微裂紋是聚合物特有的一種形態學特徵。它是聚合物在張應力作用下，出現於材料的缺陷或薄弱處，與主應力方向相垂直的長條形微細凹槽。由於光線在微裂紋的表面上發生全反射，它在透明塑膠中呈現為肉眼可見的明亮條紋，所以也稱銀紋。

基本介紹

• 中文名：微裂紋
• 外文名：craze 
• 拼音：wēi liè wén
• 別稱：銀紋 

特徵

微裂紋寬度約10μm，厚度在0.1~0.5μm之間，長度約100μm，但在適當的條件下，微裂紋長度甚至可以擴展到試樣寬度的巨觀尺度，如下圖（圖1）。

圖1聚苯乙烯拉伸試樣上的微裂紋及其拉伸應力-應變曲線

產生微裂紋的部位叫做微裂紋體，與完全由空隙構成的裂縫不同，微裂紋是由延外力方向高度取向的聚合物微纖（直徑在0.6~30mm）及其周圍的空洞組成的，因而微裂紋體的質量不為零，但密度下降，因而微裂紋體的折光指數比聚合物本體低。如聚苯乙烯微裂紋的密度相當於本體密度的40%，微裂紋體的折光指數為1.33，而本體為1.59，因此光的全反射現象，如果微裂紋體的厚度與光的波長數量級相同時，會產生如油膜浮在水面上一樣的干涉色。在聚苯乙烯中，微裂紋體內的空隙大小約為20nm，微裂紋的表面積為200m²/cm³。微裂紋與裂縫之間的另一點不同是它有可逆性，在壓力下或T_g以上退火時微裂紋能回縮和消失。例如具有應力銀紋的聚苯乙烯、有機玻璃、聚碳酸酯，若加熱到各自的T_g以上，可回復到未開裂時的光學均一狀態。

產生原因及過程

產生原因

引起聚合物產生微裂紋的基本原因有兩種：一種是力學因素（這裡的應力是指張應力，純壓縮力不會產生微裂紋，一般出現在試樣的表面或接近表面處，或在裂縫的尖端處形成而成為裂縫擴展的先導）；另一種是環境因素（同某些化學物質接觸）。

很多熱塑性塑膠，在儲存以及使用過程中，由於應力以及環境的影響，往往會出現微裂紋。環境因素引起的銀紋的分布與應力銀紋不同，它通常是不規則排列的，分別取任意的方向。這種銀紋的產生，一般是與材料內應力的存在聯繫在一起的，因此也稱為環境應力銀紋。它時常直接發展為環境應力開裂。根據環境因素的不同，環境應力開裂包括下述四種：（1）溶劑銀紋，可能是由於溶劑溶脹聚合物表面使T_g降低或者導致結晶引起的；（2）非溶劑（包括醇、潤濕劑等表面活性物質）引起的環境應力開裂可能是由於表面活性物質浸潤微裂紋的表面，降低了表面能，從而有利於微裂紋的發展；（3）熱應力開裂是由溫度變化使聚合物內部發生形態結構的改變引起的，其微裂紋主要發生在物質內部；（4）氧化應力開裂則是氧化劑引起分子鏈斷裂的一種不可逆過程。其中溶劑和非溶劑引起的應力開裂的試驗，已經成為研究聚合物內應力和耐開裂性能的重要方法。

產生機理

下圖（圖2）是微裂紋增長示意圖，在圖上y方向應力作用下，微裂紋體的上下表面被拉開，微纖的直徑縮小，空洞擴大，同時微裂紋沿x方向擴展，增長前沿的聚合物本體繼續發生塑性形變，形成新的微纖，如圖2（b）、圖2（c）、圖2（d）所示。高分子鏈在微纖中沿應力的方向高度取向，與玻璃態聚合物的強迫高彈性的情況相類似，這就不難解釋微裂紋的可逆性了。

圖2 微裂紋增長機理示意圖

應力愈大，微裂紋的產生和發展愈快，而應力低於某一數值時則不產生微裂紋，因此產生微裂紋有一個最低的臨界應力。另外產生微裂紋也有一個最低的伸長率，稱為臨界伸長率。一旦達到臨界伸長率，在試樣內部就產生了微裂紋。微裂紋並不一定引起斷裂和破壞，它具有原始試樣的一半以上的拉伸強度。如果超過了一定限度，則微裂紋體中的微纖發生斷裂，微裂紋體破裂而產生裂縫。表1是幾種聚合物室溫下產生微裂紋的臨界應力和臨界伸長率。

聚合物	臨界應力sc; （kg/cm^2）	臨界應變ec; （%）	tmax*; （hr）	Tg（℃）	屈服應力sy; （kg/cm^2）
聚苯乙烯	113	0.35	24	90	703
有機玻璃	≈246	1.30	0.1	100	≈914
聚苯醚	≤429	1.50	≈24	210	703
聚碳酸酯	≤430	1.80	≈24	145	633

註：t_{max是指臨界應力或臨界應變下產生微裂紋所需的最大時間。}

危害

有機玻璃、聚苯乙烯、聚碳酸酯等透明塑膠出現微裂紋，使光學透明度下降，影響塑膠的使用性能。在較大的外力作用下微裂紋會進一步發展，以微裂紋的微纖斷裂產生附加的空洞開始，逐漸發展到臨界大小，此後微裂紋便快速地增長為裂縫，而微裂紋則繼續在裂縫頂端形成，最後使材料發生斷裂而破壞。

用橡膠增韌的塑膠，像高抗沖聚苯乙烯、ABS樹脂等，它們在拉伸變形或彎曲變形或受衝擊的破壞時試樣有發白現象，這種發白現象稱為應力發白。這也是材料受力後出現了微裂紋，與很多熱塑性塑膠類似。發白的區域就是無數微裂紋體的總和，由於微裂紋體的密度與樹脂的密度不同，遮光簾不同，所以顯得發白。