高分子材料如塑料、橡胶和复合物在工业应用中广泛使用，但老化和开裂是其常见失效模式，可能导致结构破坏、安全隐患和经济损失。本报告聚焦老化（aging）和开裂（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，并提出预防策略。基于材料科学原理和实验数据，本文提供全面研究指导，助力企业提升产品耐久性。
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；开裂常由环境应力裂纹（ESC）引发，表现为微裂纹扩展。 这些失效多发生在低应力下，远低于材料抗拉强度。
失效分类
- 老化失效：渐进性性能衰减，如变脆、变色。
- 开裂失效：突然或渐进裂纹形成，如疲劳裂纹或ESC。
- 其他：疲劳、蠕变、磨损。
以下是典型失效图像示例：
老化机理研究
老化机理主要涉及自由基反应和链降解。高分子链在热、氧、光作用下断裂，形成自由基，导致交联或降解。 热老化加速分子运动，光老化（如UV）引发光氧化，化学老化则由溶剂渗透引起。
老化类型与特征
| 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 |
| 微生物老化 | 细菌降解聚合物 | 生物膜形成、孔洞 | 生物降解塑料 |
老化过程可通过DSC（差示扫描量热）监测玻璃化转变温度变化。
开裂机理研究
开裂机理常源于环境应力裂纹（ESC），在低应力下由化学剂降低分子间力，导致链拉出和解缠。 微裂纹起始于表面缺陷，扩展成宏观裂纹。疲劳开裂涉及循环载荷下链断裂和热积累。
开裂过程步骤
- 起始阶段：应力集中形成微裂纹。
- 扩展阶段：裂纹沿晶间或链间传播。
- 断裂阶段：快速失效。
开裂图像示例：
分析方法
失效分析方法包括微观观察和热谱学测试。SEM用于断口形貌，FTIR鉴定化学变化，TGA评估热稳定性。 加速老化测试模拟长期环境。
常用工具对比
| 方法 | 原理 | 适用机理 |
|---|---|---|
| SEM | 电子束扫描微观结构 | 开裂形貌分析 |
| FTIR | 分子振动吸收谱图 | 老化化学变化 |
| TGA | 质量损失监测 | 热降解量化 |
预防措施
预防老化需添加抗氧剂和UV稳定剂；防开裂通过高分子量材料提升链缠结，选择化学兼容性强的聚合物。 设计避免应力集中，定期监测环境因素。
- 材料优化：增加支链，提高分子量。
- 环境控制：避免暴露于化学剂。
- 测试验证：进行ESC测试。
实际案例研究
在PEX管失效中，高温和氯导致ESC开裂。通过SEM观察微裂纹，预防措施为添加抗氯剂。 另一案例为汽车塑料部件光老化，FTIR确认氧化，改进为添加UV吸收剂。
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等方法可有效诊断根因。预防策略聚焦材料改性和环境管理，能显著延长寿命。企业应整合这些研究成果，建立失效预防体系，推动材料创新与可靠性提升。
