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聚合物復(fù)合材料性能解釋以及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-06-23  來(lái)源:  瀏覽次數(shù):45

1.1拉伸性能
  
       拉伸性能包括拉伸強(qiáng)度,彈性模量、泊松比、斷裂伸長(zhǎng)率等。對(duì)于如高壓容器、高壓管、葉片等產(chǎn)品,必須要測(cè)出聚合物復(fù)合材料的拉伸性能,才能進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)。
  
       對(duì)于不同的聚合物復(fù)合材料,拉伸性能試驗(yàn)方法是不同。對(duì)于普通的,用國(guó)標(biāo)GB/T1447進(jìn)行測(cè)試;對(duì)于纏繞成型的,用國(guó)標(biāo)GB/T1458進(jìn)行測(cè)試;對(duì)于定向纖維增強(qiáng)的,用國(guó)標(biāo)GB/T33541進(jìn)行測(cè)試;對(duì)于拉擠成型的,用國(guó)標(biāo)GB/T13096-1進(jìn)行測(cè)試。使用最多的是GB/T1447。
  
      國(guó)標(biāo)GB/T1447,對(duì)于不同成型工藝復(fù)合材料,又規(guī)定不同形狀的拉伸試樣,有帶R型、直條型及啞鈴型。使用拉伸試驗(yàn)機(jī)或萬(wàn)能試驗(yàn)按規(guī)定的加載速度對(duì)試樣施加拉伸載荷直到試樣破壞。用破壞載荷除以試樣橫截面面積則為拉伸強(qiáng)度。從測(cè)出的應(yīng)力----應(yīng)變曲線的直線段的斜率則為彈性模量,試樣橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變比為泊松比。破壞時(shí)的應(yīng)變稱為斷裂伸長(zhǎng)率。
  
       單位面積上的力,稱為應(yīng)力,通常用MPa(兆帕)表示,1MPa相當(dāng)于1N/mm2的應(yīng)力。應(yīng)變是單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量,是沒有量剛(單位)的。
  
      不同的現(xiàn)代復(fù)合材料其拉伸性能大不一樣,以玻璃纖維增強(qiáng)的玻璃鋼為例:1:1玻璃鋼,拉伸強(qiáng)度為(200-250)MPa,彈性模量為(10-16)GPa;4:1玻璃鋼,拉伸強(qiáng)度為(250-350)MPa,彈性模量為(15-22)GPa;單向纖維的玻璃鋼(如纏繞),拉伸強(qiáng)度大于800MPa,彈性模量大于24GPa;SMC材料,拉伸強(qiáng)度為(40-80)MPa,彈性模量為(5-8)GPa;DMC材料,拉伸強(qiáng)度為(20-60)MPa,彈性模量為(4-6)GPa。
  
      1. 2彎曲性能
  
       一般產(chǎn)品普遍存在彎曲載荷,彎曲性能是很重要的,同時(shí),往往用彎曲性能來(lái)進(jìn)行原材料,成型工藝參數(shù),產(chǎn)品使用條件因素等的選擇。
  
       彎曲性能,一般采用國(guó)標(biāo)GB/T1449進(jìn)行測(cè)試;對(duì)于拉擠材料,用國(guó)標(biāo)GB/T13096.2進(jìn)行測(cè)試;對(duì)于單向纖維增強(qiáng)的,用國(guó)標(biāo)GB/T3356進(jìn)行測(cè)試。
  
       測(cè)試彎曲性能的試樣一般是矩形截面積的長(zhǎng)條,簡(jiǎn)稱為矩形梁。采用當(dāng)中加載的三點(diǎn)彎曲法。梁的橫截面的上表面承壓縮應(yīng)力,梁下表面承受拉伸應(yīng)力,橫截面積上還要承受剪切應(yīng)力,中性層剪應(yīng)力最大,因此梁所承受彎曲時(shí),其應(yīng)力狀態(tài)是很復(fù)雜的,破壞形式也是多種的。原材料品種、性能及成型工藝參數(shù)對(duì)彎曲性能很敏感,試驗(yàn)方法和試樣尺寸同樣也很敏感,為了達(dá)到材料彎曲破壞,國(guó)標(biāo)對(duì)試樣的跨(跨度或支距)高(試樣厚度)比(l/h)有一定要求,一般要求l/h≥16,對(duì)于單向纖維增強(qiáng)的材料,要求l/h≥32。
  
      由于彎曲性能的復(fù)雜性及對(duì)各因素的敏感性,對(duì)于上述不同材料的彎曲性能,或大于1.1節(jié)中拉伸性能,或小于1.1節(jié)中的拉伸性能。在正常成型工藝情況下,一般彎曲強(qiáng)度略大于拉伸強(qiáng)度,彎曲彈性模量略小于拉伸彈性模量。
  
      1.3壓縮性能
  
      增強(qiáng)纖維或織物,只能承受很大的拉伸力,其本身很柔軟,是不能承受壓縮力的,當(dāng)聚合物復(fù)合材料承受壓縮載荷時(shí),是靠聚合物基體把增強(qiáng)纖維或織物粘結(jié)成整體時(shí)才能承受。因此,聚合物復(fù)合材料的壓縮性能與聚合物的品種、性能、成型工藝、二者的界面等的關(guān)系很密切,同一種復(fù)合材料的壓縮性能變化也很大。一般高溫高壓成型的壓縮性能要高,有的甚至于高于拉伸性能。一般情況彈性模量,壓縮的與拉伸的相差的極小,壓縮強(qiáng)度略比拉伸強(qiáng)度低,特別是室溫固化,成型工藝質(zhì)量欠佳的材料,壓縮強(qiáng)度要比拉伸強(qiáng)度低得多。
  
       壓縮性能,一般用國(guó)標(biāo)GB/T1448進(jìn)行測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)試樣為30×10×10(mm)棱型或35×10×10(mm)園柱型。要求兩端面相互平行,不平行度應(yīng)小于試樣高度的0.1%,否則,試驗(yàn)本身對(duì)測(cè)試結(jié)果也有不良影響。
  
      當(dāng)產(chǎn)品的壁厚較薄時(shí),不能按GB/T1448進(jìn)行測(cè)試,應(yīng)用GB/T5258測(cè)試,試樣厚度可以按產(chǎn)品實(shí)際厚度,這個(gè)試驗(yàn)方法的夾具是比較先進(jìn)、科學(xué)的。
  
      1.4剪切性能
  
       由于聚合物復(fù)合材料的層狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn),產(chǎn)品在使用中,在不同受力條件下,在不同部位存在三種剪切性能,為面內(nèi)剪切,層間剪切和斷紋剪切。
  
       如工字梁腹板,在工字梁承受彎曲時(shí),腹板就是承受面內(nèi)剪切。對(duì)于面內(nèi)剪切性能,用國(guó)標(biāo)GB/T3355進(jìn)行測(cè)試。該方法用45°方向的拉伸試驗(yàn)測(cè)出復(fù)合材料縱橫剪切性能,包括剪切強(qiáng)度和剪切模量。試驗(yàn)方法與普通拉伸性能一樣,僅要測(cè)出縱向和橫向變形,如同拉伸試驗(yàn)測(cè)泊松比一樣。計(jì)算公式不一樣,計(jì)算結(jié)果是縱橫剪切強(qiáng)度和模量。
  
       對(duì)于層間剪切性能,有兩個(gè)測(cè)試方法:①國(guó)標(biāo)GB/T1450.1;②國(guó)標(biāo)GB/T3357。方法①要求試樣較厚為15mm,要特制試樣,往往與產(chǎn)品實(shí)際情況有別差。方法②可以按產(chǎn)品實(shí)際厚度取樣,較方便,但對(duì)于較接近各向同性,或?qū)娱g剪切強(qiáng)度較大的,唯以測(cè)準(zhǔn)。方法①②僅只能側(cè)出層間強(qiáng)度。要測(cè)出層間剪切模量可以參考GB/T1456的原理進(jìn)行測(cè)試,已有大量試驗(yàn)說(shuō)明,此原理可以測(cè)出復(fù)合材料的的層間剪切模量。
  
       對(duì)于拉擠材料,可以用GB/T13096.3和13096.4測(cè)出剪切強(qiáng)度。
  
       用國(guó)標(biāo)B/T1450.2測(cè)出來(lái)的是復(fù)合材料斷紋剪切強(qiáng)度。
  
       縱橫剪切強(qiáng)度為(40-80)MPa,縱橫剪切模量為(2-4)MPa;層間剪切強(qiáng)度為(10-50)MPa,剪切模量為(0.2-2)GPa;斷紋剪切強(qiáng)度為(80-100)MPa。
  
       1. 7沖擊性能
  
        當(dāng)產(chǎn)品經(jīng)受動(dòng)載荷時(shí)、需要材料的沖擊強(qiáng)度(韌性)性能指標(biāo),沖擊強(qiáng)度高低也說(shuō)明材料的韌性性能,是選材的性能指標(biāo)之一。
  
       沖擊強(qiáng)度用國(guó)標(biāo)GB/T1451進(jìn)行測(cè)試。國(guó)標(biāo)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸,當(dāng)試樣尺寸,特別是試樣厚度小于標(biāo)準(zhǔn)尺寸時(shí),測(cè)出來(lái)的沖擊強(qiáng)度要偏小。沖擊強(qiáng)度除與材料品種、性能有關(guān)外,還與試樣厚度有關(guān),一般試樣厚,測(cè)出來(lái)的沖擊強(qiáng)度高。一般情況下,沖擊強(qiáng)度為:1:1玻璃鋼,(100-300)kJ/m2;4:1玻璃鋼,(200-600)kJ/m2;SMC,(20-60)KJ/m2;DMC,(10-30)KJ/m2;拉擠材料,(300-650)KJ/m2。
  
     1.8性能的方向性
  
      纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,其力學(xué)性能有較明顯的方向性、拉伸強(qiáng)度、模量,彎曲強(qiáng)度、模量,壓縮強(qiáng)度、模量沿纖維方向的最大,與纖維方向成45°方向的最小,拉伸性能最為明顯,無(wú)壓成型的壓縮性能,方向性程度要低一些。面內(nèi)剪切強(qiáng)度、模量、泊松比、沖擊強(qiáng)度,與上相反,45°方向最大。可以利用這一特點(diǎn),設(shè)計(jì)出最優(yōu)的復(fù)合材料產(chǎn)品。
  
  
  
        2、 基本理化性能
  
        2.1密度
  
       聚合物復(fù)合材料輕質(zhì)是指密度小,為(1.5-2.0)g/cm3,是金屬的1/4-1/5。用國(guó)標(biāo)GB/T1463進(jìn)行測(cè)試.常用聚合物復(fù)合材料制成夾層結(jié)構(gòu)的蜂窩,密度為(0.03-0.16)g/cm3,泡沫塑料密度為(0.025-0.20) g/cm3。
  
        2.2巴氏硬度
  
       聚合物復(fù)合材料的硬度指標(biāo)不同于金屬,是用巴柯爾硬度計(jì)測(cè)試,國(guó)標(biāo)GB/T3854。巴氏硬度除與原材料品種、性能有關(guān)外,更與成型工藝、固化程度有關(guān),一般用巴氏硬度來(lái)控制產(chǎn)品制造過(guò)程。一般巴氏硬度為30-60,玻璃的巴氏硬度為100。
  
        2.3固化度
  
       固化度是指聚合物(樹脂)的固化程度,用樹脂不可溶分含量的試驗(yàn)方法,國(guó)標(biāo)GB/T2576來(lái)測(cè)試,一般產(chǎn)品要求固化度≥80%,對(duì)于高溫固化產(chǎn)品,要求≥90%。
  
      
       2.4樹脂含量
  
       樹脂含量的大小直接影響產(chǎn)品的力學(xué)性能和理化性能。用測(cè)出樹脂含量的方法可以直接檢驗(yàn)產(chǎn)品的成型工藝是否符合產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求及均勻性,用國(guó)標(biāo)GB/T2577進(jìn)行測(cè)試。
  
       2.5負(fù)荷熱變形溫度
  
       試樣在一定負(fù)荷(1.82MPa)下受熱變形到一定指標(biāo)的溫度,稱為負(fù)荷熱變形溫度,用國(guó)標(biāo)GB/T1634-2進(jìn)行測(cè)試,此性能直接反映聚合物(樹脂)的耐熱性能,不同聚合物復(fù)合材料,其負(fù)荷熱變形溫度差別很大,低的為100℃,高的可達(dá)300℃以上。測(cè)出此性能指標(biāo),可供產(chǎn)品在什么樣溫度條件下使用時(shí)參考。
  
       2.6熱導(dǎo)率
  
       聚合物復(fù)合材料的熱導(dǎo)率是比較小的,為(0.28-0.40)W/Km,屬絕熱材料,用國(guó)標(biāo)GB/T3139進(jìn)行測(cè)試。
  
       2.7電阻率
  
       聚合物復(fù)合材料的電阻率是比較高的,屬于電絕緣材料,同時(shí)又是非磁性材料,體積電阻率,表面電阻率依次為1012-15Ω•cm,1011-14Ω,與聚合物(樹脂)的品種有關(guān)系。環(huán)氧類型的電阻率要更高一些。
  
       2.8線熱膨脹系數(shù)
  
       線熱膨脹系數(shù)與聚合物(樹脂)品種關(guān)系很大,聚酯類的線膨脹系數(shù)大,環(huán)氧、酚醛類的小。同時(shí)與纖維方向織物經(jīng)緯比也很有關(guān)系,一般纖維方向線熱膨脹系數(shù)小。在(6.7-30)×10-6范圍。當(dāng)然,這是指玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料,當(dāng)采用碳纖維時(shí),可以制零熱膨脹系數(shù),甚至于是負(fù)熱膨脹系數(shù)的材料,在精密儀器上得到廣用。
  
       2.9吸水性
  
       在保證產(chǎn)品質(zhì)量情況下制成的聚合物復(fù)合材料的吸水率,一般≤1%,用國(guó)標(biāo)GB/T1462測(cè)試。
  
       復(fù)合材料吸水性能的另一個(gè)指標(biāo)是耐水性,把復(fù)合材料放在水中一定時(shí)間后,其強(qiáng)度(主要指彎曲強(qiáng)度)的變化,這有兩個(gè)測(cè)試方法:①GB/T2575,是用常溫水浸試樣。②GB/T10703,是用(60-100)℃水浸試樣,屬耐水性加速試驗(yàn)方法。
  
  
       3特殊性能
  
       聚合物復(fù)合材料在常溫下就有蠕變,承受拉伸時(shí),蠕變小,承受彎曲和剪切時(shí),蠕變大,測(cè)試方法國(guó)標(biāo)為GB/T6059。持久強(qiáng)度較為破壞強(qiáng)度的(40-50)%。
  
       聚合物復(fù)合材料的疲勞性能,與受力狀態(tài)、樹脂品種、纖維方向、成型工藝、循環(huán)次數(shù)等關(guān)系密切。若循環(huán)到5×106次時(shí),疲勞強(qiáng)度約為靜態(tài)強(qiáng)度的(25-30)%。試驗(yàn)方法國(guó)標(biāo)為GB/T16779。
  
        聚合物復(fù)合材料的高低性能取決于聚合物種類,目前已有耐350℃以上的耐高溫聚合物。在低溫下,其性能反而提高,溫度越低,強(qiáng)度越高,包括沖擊韌性也一樣,一般提高20%-30%。這是優(yōu)于普通熱塑性塑料之處。測(cè)試方法為GB/T9979。
  
        不同聚合物復(fù)合材料有不同耐化學(xué)腐蝕性能必須根據(jù)具體介質(zhì)選用復(fù)合材料。測(cè)試方法為GB/T3857。
  
       一般聚合物復(fù)合材料是不阻燃,必須加阻燃劑,按產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求加不同阻燃劑及含量,達(dá)到一定的氧指數(shù),指標(biāo)等。測(cè)試方法為GB/T8294。
 
關(guān)鍵詞: 聚合物復(fù)合材料
 
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