CN101435811A - 湿、热、力多场耦合下的老化测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种湿、热、力多场耦合下的老化测试方法及装置。本方法用于对聚合物材料及其复合材料制成的试样进行测试，其测试基于湿、热力多场耦合下材料拉伸蠕变柔量的动态监测。本装置立足于微电脑控制的标准湿、热环境箱，在其箱内设置试样夹持及加载机构，并设有电子引伸计和激光引伸计组成双位移传感器，采集数据后经采集器连接到计算机。本发明测试准确、便捷、成本低，适用于研究聚合物及其复合材料服役运行下的粘弹力学特性和老化性能。

Description

湿、热、力多场耦合下的老化测试方法及装置

技术领域

本发明涉及一种湿、热、力多场耦合下的老化实验方法及其装置，主要用于模拟在役环境中聚合物及其复合材料的老化性能测试，属材料力学试验机领域。

背景技术

高分子聚合物及其复合材料于湿热环境中承载服役时，材料性能将逐渐下降，部分或全部丧失其使用价值而发生老化。湿、热、力耦合老化的机制主要为：①源于环境温度的变化及树脂基体、增强纤维以及树脂、纤维粘接界面不同破坏程度的热应力损伤；②水分子的扩散运动对材料的影响为物理吸附与化学键的削弱甚至破坏。由于水能使基体溶胀塑化并扩散至基体与纤维的界面，吸湿结晶化而产生裂纹扩展、基体的降解，从而造成基体强度下降；③外载荷对材料所致应力损伤则进一步加速了湿热老化进程。迄今为止，尚无湿、热、力耦合下的材料老化试验方法及其装备，目前聚合物及其复合材料湿热老化试验均采用“两步法”进行，即根据材料的使用环境来确定湿热老化的温度、湿度参数，先在湿热环境箱中实施若干时间的人工加速老化试验后，将样品从环境箱中取出，通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电子能谱(XPS)和红外谱图分析(FTIR)等微观材料学手段或利用材料力学通用试验机测试老化过程中材料宏观力学参量的变化。对大多数实际在役工况为湿、热、力耦合的聚合物及其复合材料而言，据上述“两步法”监测老化进程，将显著高估材料的抗老化性能，从而导致工程设计的安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种适合于聚合物及其复合材料于湿、热、力多场耦合下的老化测试方法及装置，为聚合物及其复合材料提供准确、便捷、低成本的老化测试方法。

本发明的思路为：①老化试验方法基于湿、热、力多场耦合下材料拉伸蠕变柔量的动态监测；②老化装置立足于微电脑控制的标准湿、热环境箱，对其硬件进行适当改良后，内置加载机构；建立有效的载荷、位移测试***；编制相应的数据采集软件，实现湿、热、力多场耦合下聚合物及其复合材料的老化的测试。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种湿、热、力多场耦合下的老化测试方法，用于对以聚合物及其复合材料制成的试样进行测试，其特征在于测试步骤如下：

a.根据聚合物及其复合材料服役时的极端条件—最高操作温度T、最大湿度φ及最大应力σ，确定湿、热、力多场耦合老化的试验条件；

b.据上述最高操作温度T、最大湿度φ，启动测试用环境箱的环境控制***，待其箱内温度、湿度达到该最高操作温度T、最大湿度φ时，对置于环境箱内由聚合物及其复合材料制成的试样施加恒定拉伸载荷F，载荷大小由关系式F＝σS确定，其中σ为最大应力，S为试样横截面积；

c.对湿、热、力多场耦合老化下试样的位移信号进行采集后，经放大、滤波，并转换为计算机能够识别的数字信号送入计算机内进行处理，得到温度T、湿度φ、应力σ耦合下的实时蠕变位移—时间曲线

d.由曲线

及关系式 $J_{(T,\mathrm{\σ},\mathrm{\φ})}^{\left(t\right)}=\frac{l_{(T,\mathrm{\φ},\mathrm{\σ})}^{\left(t\right)}}{\text{\σ}{l}_0},$ 求得蠕变柔量—时间曲线

式中σ为施加载荷大小，l₀为试样的标距长度，

为实时蠕变柔量；

e.基于

试验数据，进行曲线拟合，即可获得揭示湿、热、力多场耦合下聚合物及其复合材料性能变化规律的老化方程。

一种湿、热、力多场耦合下的老化测试装置，应用于上述的湿、热、力多场耦合下的老化测试方法，包括一个带有环境控制***的环境箱，其特征在于所述的环境箱内安置一个试样夹持及加载机构；一个电子引伸计的两个卡头分别卡紧于试样引伸标距的两端，一个激光引伸计的激光束对准试样的引伸标距处，所述的电子引伸计和激光引伸计的输出端电连接一个含有放大电路、滤波电路和转换电路的采集器的输入端，而所述采集器的输出端连接至计算机。

上述试样夹持及加载机构的结构是：一个矩形框架的两根竖直梁上均布销孔；一根加载长杠杆的中部有销孔通过轴销与竖直梁上的销孔插配成铰接，而一端铰连一根砝码杆的上端，另一端铰连一根杠杆连接件的一端；所述砝码杆的下端固定连接一个砝码盘，该砝码盘上置放加载的砝码；所述杠杆连接件的另一端与一根加载短杠杆的一端铰连；所述加载短杠杆的另一端或中部的销孔通过轴销与一根竖直梁上的销孔插配成铰连，而其中部一个销孔通过轴销与试样夹具的上夹头铰连；所述试样夹具的下夹头与所述矩形框架的下横梁铰连；所述试样的上下端部分别由所述试样夹具的上下夹头夹持。

上述的环境箱采用市售的CCX-5000环境箱，所述激光引伸计、电子引伸计和采集器均采用市售产品；所述试样采用ASTM D638 II型试样。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明的测试装置能将试样夹持于环境箱内，不仅可模拟被测材料服役的环境条件；且试样在环境箱内加载，可模拟材料服役的受力情况；从而实现湿、热、力多场耦合下的老化测试。本测试准确、便捷、成本低，适用于研究聚合物及其复合材料服役运行下的粘弹力学特性和老化性能。

附图说明

图1是本发明的湿、热、力场耦合老化测试装置结构示意图。

图2是图1中试样夹具的结构示意图，其中(a)为主视图，图(b)为左视图。

图3是图1中试样夹持及加载机构的杆件示意图，其中图(a)为加载长杠杆示意图，图(b)为加载短杠杆示意图。

图4是本发明的湿、热、力多场耦合老化测试程序框图。

图5是本发明用的老化试样几何形状图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：如图1所示，本湿、热、力多场耦合老化测试装置包括一个带有环境控制***的环境箱9，其特征在于所述的环境箱9内安置一个试样夹持及加载机构5；一个电子引伸计16的两个卡头分别卡紧于试样11引伸标距的两端，一个激光引伸计8的激光束7对准试样11的引伸标距处，所述的电子引伸计16和激光引伸计8的输出端电连接一个含有放大电路、滤波电路和转换电路的采集器17的输入端，而所述采集器17的输出端连接至计算机12。

上述试样夹持及加载机构5的结构是：一个矩形框架的两根竖直梁上均布销孔13；一根加载长杠杆4的中部有销孔13通过轴销与竖直梁上的销孔13插配成铰接，而一端铰连一根砝码杆2的上端，另一端铰连一根杠杆连接件14的一端；所述砝码杆2的下端固定连接一个砝码盘，该砝码盘上置放加载的砝码1；所述杠杆连接件14的另一端与一根加载短杠杆15的一端铰连；所述加载短杠杆15的另一端或中部的销孔通过轴销与一根竖直梁上的销孔插配成铰连，而其中部一个销孔通过轴销与试样夹具10的上夹头铰连；所述试样夹具10的下夹头与所述矩形框架的下横梁铰连；所述试样11的上下端部分别由所述试样夹具10的上下夹头夹持。

上述环境箱9采用市售的CCX-5000环境箱，是一种符合以下设计要求的微电脑控制湿、热环境箱或盐雾箱：a.温度与湿度连续可调节控制范围分别为：-30～71℃、30-100RH；b.有效湿、热环境空间至少为：900mm x 660mm x 200mm(长 x 高 x 深)；c.主箱体面板上开有透明观察窗口以安装外部光学测量装置，视窗几何尺寸为300mm x 630mm，所用材料为耐腐蚀、透光率高且防雾的聚丙烯酸树脂。环境箱测试区域的温度、湿度控制均由环境箱控制***独立完成。

电子引伸计16、激光引伸计8和采集器17均采用市售产品。电子引伸计16和激光引伸计8组成双位移传感器。其中激光引伸计8安装于环境箱9外部，通过箱体面板上的透明视窗测量高湿或腐蚀性环境介质中受载试样的变形，电子引伸计则用于干燥气氛下的测量。所用非接触式激光引伸计性能参数满足：光学扫描角度为90°、扫描范围600mm、25mm标距精度1％；电子引伸计的规格则为：供电电压：24VDC，量程：0～5mm，输出信号电压：0～5V；所用的数据采用设备为USB接口且集成A/D转换与信号放大模块的UA303/4型采集器，主要技术指标为：12/16位A/D转换芯片，分辨率为12bit，实用最高采样频率>20KHz。

图2给出夹具的结构。

图3给出试样夹持及加载机构5中加载长杠杆4和加载短杠杆15的结构，施加于试样的载荷F，根据加载杠杆的几何位置和悬挂砝码、砝码盘、试样夹具的重量，据关系式 $F=\frac{(2G{L}_1+G_1{L}_1-G_2{L}_2)L_3\mathrm{Sin\αSin}(\mathrm{\α}-\mathrm{\β}+\mathrm{\γ})}{2\mathrm{LSin\β}}-\frac{G_3{L}_3\sin \mathrm{\γ}}{2}-G_0$ 由计算机确定并记录。式中：F—施加于试样上的载荷；G—砝码和托盘的重量；G₀—试样夹具的重量；G₁、L₁—长加载杠杆(BD)中BC段的重量与长度；G₂、L₂—加载长杠杆中CD段的重量与长度；G₃、L₃—短加载杠杆(AE)的重量与长度；L—加载短杠杆与支撑框架、试样夹具两铰接点的距离(AH)；α、β—加载长杠杆(BD)与砝码垂挂钢丝绳、加载杠杆连接件(DE)的夹角；δ、γ—加载短杠杆(AE)与支持框架、加载杠杆连接件(DE)的夹角。

参见图4，本湿、热、力多场耦合下的老化测试方法，采用上述试验装置，用于聚合物及其复合材料试样于湿、热、力多场耦合下的老化测试，其具体步骤如下：

1)根据聚合物及其复合材料服役时的极端条件—最高操作温度T、最大湿度φ及最大应力σ，确定湿、热、力多场耦合老化的试验条件；

2)据上述最高操作温度T、最大湿度φ，启动测试用环境箱的环境控制***，待其箱内温度、湿度达到该最高操作温度T、最大湿度φ时，对置于环境箱内由聚合物及其复合材料制成的试样施加恒定拉伸载荷F，载荷大小由关系式F＝σS确定，其中σ为最大应力，S为试样横截面积；

3)对湿、热、力多场耦合老化下试样的位移信号进行采集后，经放大、滤波，并转换为计算机能够识别的数字信号送入计算机内进行处理，得到温度T、湿度φ、应力σ耦合下的实时蠕变位移—时间曲线

4)由曲线

及关系式 $J_{(T,\mathrm{\σ},\mathrm{\φ})}^{\left(t\right)}=\frac{l_{(T,\mathrm{\φ},\mathrm{\σ})}^{\left(t\right)}}{\text{\σ}{l}_0},$ 求得蠕变柔量—时间曲线

式中σ为施加载荷大小，l₀为试样的标距长度，

为实时蠕变柔量；

5)基于

试验数据，进行曲线拟合，即可获得揭示湿、热、力多场耦合下聚合物及其复合材料性能变化规律的老化方程。

参见图5，本测试用的试样采用ASTM D638的II型试样。

Claims (4)

1.一种湿、热、力多场耦合下的老化测试方法，用于对以聚合物及其复合材料制成的试样进行测试，其特征在于测试步骤如下：

1)根据聚合物及其复合材料服役时的极端条件—最高操作温度T、最大湿度φ及最大应力σ，确定湿、热、力多场耦合老化的试验条件；

2)据上述最高操作温度T、最大湿度φ，启动测试用环境箱的环境控制***，待其箱内温度、湿度达到该最高操作温度T、最大湿度φ时，对置于环境箱内由聚合物及其复合材料制成的试样施加恒定拉伸F，载荷大小由关系式F＝σS确定，其中σ为最大应力，S为试样横截面积；

3)对湿、热、力多场耦合老化下试样的位移信号进行采集后，经放大、滤波，并转换为计算机能够识别的数字信号送入计算机内进行处理，得到温度T、湿度φ、应力σ耦合下的实时蠕变位移—时间曲线

4)由曲线

及关系式 $J_{(T,\mathrm{\σ},\mathrm{\φ})}^{\left(t\right)}=\frac{l_{(T,\mathrm{\φ},\mathrm{\σ})}^{\left(t\right)}}{{\mathrm{\σl}}_0},$ 求得蠕变柔量—时间曲线

，式中σ为施加载荷大小，l₀为试样的标距长度，

为实时蠕变柔量；

5)基于

试验数据，进行曲线拟合，即可获得揭示湿、热、力多场耦合下聚合物及其复合材料性能变化规律的老化方程。

2.一种湿、热、力多场耦合下的老化测试装置，应用于权利要求1所述的湿、热、力多场耦合下的老化测试方法，包括一个带有环境控制***的环境箱(9)，其特征在于所述的环境箱(9)内安置一个试样夹持及加载机构(5)；一个电子引伸计(16)的两个卡头分别卡紧于试样(11)引伸标距的两端，一个激光引伸计(8)的激光束(7)对准试样(11)的引伸标距处，所述的电子引伸计(16)和激光引伸计(8)的输出端电连接一个含有放大电路、滤波电路和转换电路的采集器(17)的输入端，而所述采集器(17)的输出端连接至计算机(12)。

3.根据权利要求2所述的湿、热、力多场耦合下的老化测试装置，其特征在于所述试样夹持及加载机构(5)的结构是：一个矩形框架的两根竖直梁上均布销孔(13)；一根加载长杠杆(4)的中部有销孔(13)通过轴销与竖直梁上的销孔(13)插配成铰接，而一端铰连一根砝码杆(2)的上端，另一端铰连一根杠杆连接件(14)的一端；所述砝码杆(2)的下端固定连接一个砝码盘，该砝码盘上置放加载的砝码(1)；所述杠杆连接件(14)的另一端与一根加载短杠杆(15)的一端铰连；所述加载短杠杆(15)的另一端或中部的销孔通过轴销与一根竖直梁上的销孔插配成铰连，而其中部一个销孔通过轴销与试样夹具(10)的上夹头铰连；所述试样夹具(10)的下夹头与所述矩形框架的下横梁铰连；所述试样(11)的上下端部分别由所述试样夹具(10)的上下夹头夹持。

4.根据权利要求2所述的湿、热、力多场耦合下的老化测试装置，其特征在于所述环境箱(9)采用市售的CCX-5000环境箱，所述激光引伸计(8)、电子引伸计(16)和采集器(17)均采用市售产品；所述试样(11)采用ASTM D638 II型试样。

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