高分子材料如塑料、橡胶和复合材料在工业应用中广泛使用，但老化与开裂是其常见失效模式，可能导致结构破坏、安全隐患及经济损失。本报告聚焦老化（Aging）与开裂（Cracking）机理，通过分析环境因素、分子变化和应力作用，探讨根因诊断方法，并提出有效预防策略，为企业提升产品耐久性提供科学依据。
一、高分子材料失效概述
高分子材料失效指材料在应力、环境或时间作用下性能衰减，无法满足设计要求。老化涉及热、光、化学降解，导致链断裂和性能退化；开裂多源于环境应力裂纹（ESC），表现为微裂纹扩展，常发生在低应力下，远低于材料抗拉强度。
二、失效分类
- 老化失效：渐进性性能衰减，如变脆、变色。
- 开裂失效：裂纹形成，可能为疲劳裂纹或环境应力裂纹（ESC）。
- 其他：疲劳、蠕变、磨损等。
三、老化机理研究
老化机理主要涉及自由基反应和高分子链降解。高分子链在热、光或化学作用下断裂，产生自由基，引发交联或链降解。热老化加速分子运动，光老化（UV）引发光氧化，化学老化常由溶剂或环境化学剂渗透引起。
| 老化类型 | 机理概述 | 典型特征 | 示例材料 |
|---|---|---|---|
| 热老化 | 热能激活链断裂 | 变脆、强度下降 | 聚乙烯管 |
| 光老化 | UV光引发自由基氧化 | 表面粉化、颜色褪变 | 户外塑料制品 |
| 微生物老化 | 微生物降解聚合物 | 生物膜形成、孔洞 | 生物降解塑料 |
老化过程可通过差示扫描量热法（DSC）监测玻璃化转变温度变化。
四、开裂机理研究
开裂机理常由环境应力裂纹（ESC）引起。在低应力下，化学剂降低分子间力，导致链拉出和解缠，微裂纹从表面缺陷处起始，逐渐扩展为宏观裂纹。疲劳开裂则发生在循环载荷作用下，伴随链断裂和热积累。
开裂过程步骤：
- 起始阶段：应力集中导致微裂纹形成。
- 扩展阶段：裂纹沿晶间或链间传播。
- 断裂阶段：裂纹快速扩展，导致失效。
五、失效分析方法
失效分析结合微观观察与热谱学测试：
| 方法 | 原理 | 适用机理 |
|---|---|---|
| 扫描电子显微镜 (SEM) | 电子束扫描微观结构 | 开裂形貌分析 |
| 傅里叶变换红外光谱 (FTIR) | 分子振动吸收谱图 | 老化化学变化 |
| 热重分析 (TGA) | 质量损失监测 | 热降解量化 |
加速老化测试可模拟长期环境对材料的影响。
六、预防措施
- 材料优化：增加支链、提高分子量，增强链缠结。
- 添加剂策略：使用抗氧剂、UV稳定剂、抗氯剂等。
- 环境控制：避免暴露于高温、化学剂或UV光。
- 结构设计：减少应力集中，提升整体可靠性。
- 测试验证：进行ESC和老化模拟测试，评估耐久性。
七、实际案例研究
- PEX管失效：高温和氯导致ESC开裂，SEM显示微裂纹，通过添加抗氯剂改善。
- 汽车塑料部件：光老化引发表面氧化，FTIR确认化学变化，改进为添加UV吸收剂。
八、总结
高分子材料老化和开裂机理研究揭示了链降解和应力扩展的核心过程。通过SEM、FTIR、TGA等分析手段，可有效进行根因诊断。预防策略包括材料改性、环境管理及结构优化，能够显著延长材料寿命。企业应整合这些研究成果，建立失效预防体系，提升产品可靠性和材料创新能力。
