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聚合物復合材料性能解釋以及測試標準

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

1.1拉伸性能
  
       拉伸性能包括拉伸強度,彈性模量、泊松比、斷裂伸長率等。對于如高壓容器、高壓管、葉片等產(chǎn)品,必須要測出聚合物復合材料的拉伸性能,才能進行產(chǎn)品設(shè)計及檢驗。
  
       對于不同的聚合物復合材料,拉伸性能試驗方法是不同。對于普通的,用國標GB/T1447進行測試;對于纏繞成型的,用國標GB/T1458進行測試;對于定向纖維增強的,用國標GB/T33541進行測試;對于拉擠成型的,用國標GB/T13096-1進行測試。使用最多的是GB/T1447。
  
      國標GB/T1447,對于不同成型工藝復合材料,又規(guī)定不同形狀的拉伸試樣,有帶R型、直條型及啞鈴型。使用拉伸試驗機或萬能試驗按規(guī)定的加載速度對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度。從測出的應(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。破壞時的應(yīng)變稱為斷裂伸長率。
  
       單位面積上的力,稱為應(yīng)力,通常用MPa(兆帕)表示,1MPa相當于1N/mm2的應(yīng)力。應(yīng)變是單位長度的伸長量,是沒有量剛(單位)的。
  
      不同的現(xiàn)代復合材料其拉伸性能大不一樣,以玻璃纖維增強的玻璃鋼為例:1:1玻璃鋼,拉伸強度為(200-250)MPa,彈性模量為(10-16)GPa;4:1玻璃鋼,拉伸強度為(250-350)MPa,彈性模量為(15-22)GPa;單向纖維的玻璃鋼(如纏繞),拉伸強度大于800MPa,彈性模量大于24GPa;SMC材料,拉伸強度為(40-80)MPa,彈性模量為(5-8)GPa;DMC材料,拉伸強度為(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,往往用彎曲性能來進行原材料,成型工藝參數(shù),產(chǎn)品使用條件因素等的選擇。
  
       彎曲性能,一般采用國標GB/T1449進行測試;對于拉擠材料,用國標GB/T13096.2進行測試;對于單向纖維增強的,用國標GB/T3356進行測試。
  
       測試彎曲性能的試樣一般是矩形截面積的長條,簡稱為矩形梁。采用當中加載的三點彎曲法。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,其應(yīng)力狀態(tài)是很復雜的,破壞形式也是多種的。原材料品種、性能及成型工藝參數(shù)對彎曲性能很敏感,試驗方法和試樣尺寸同樣也很敏感,為了達到材料彎曲破壞,國標對試樣的跨(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,對于單向纖維增強的材料,要求l/h≥32。
  
      由于彎曲性能的復雜性及對各因素的敏感性,對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,一般彎曲強度略大于拉伸強度,彎曲彈性模量略小于拉伸彈性模量。
  
      1.3壓縮性能
  
      增強纖維或織物,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,當聚合物復合材料承受壓縮載荷時,是靠聚合物基體把增強纖維或織物粘結(jié)成整體時才能承受。因此,聚合物復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,壓縮強度略比拉伸強度低,特別是室溫固化,成型工藝質(zhì)量欠佳的材料,壓縮強度要比拉伸強度低得多。
  
       壓縮性能,一般用國標GB/T1448進行測試。標準試樣為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,試驗本身對測試結(jié)果也有不良影響。
  
      當產(chǎn)品的壁厚較薄時,不能按GB/T1448進行測試,應(yīng)用GB/T5258測試,試樣厚度可以按產(chǎn)品實際厚度,這個試驗方法的夾具是比較先進、科學的。
  
      1.4剪切性能
  
       由于聚合物復合材料的層狀結(jié)構(gòu)特點,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,腹板就是承受面內(nèi)剪切。對于面內(nèi)剪切性能,用國標GB/T3355進行測試。該方法用45°方向的拉伸試驗測出復合材料縱橫剪切性能,包括剪切強度和剪切模量。試驗方法與普通拉伸性能一樣,僅要測出縱向和橫向變形,如同拉伸試驗測泊松比一樣。計算公式不一樣,計算結(jié)果是縱橫剪切強度和模量。
  
       對于層間剪切性能,有兩個測試方法:①國標GB/T1450.1;②國標GB/T3357。方法①要求試樣較厚為15mm,要特制試樣,往往與產(chǎn)品實際情況有別差。方法②可以按產(chǎn)品實際厚度取樣,較方便,但對于較接近各向同性,或?qū)娱g剪切強度較大的,唯以測準。方法①②僅只能側(cè)出層間強度。要測出層間剪切模量可以參考GB/T1456的原理進行測試,已有大量試驗說明,此原理可以測出復合材料的的層間剪切模量。
  
       對于拉擠材料,可以用GB/T13096.3和13096.4測出剪切強度。
  
       用國標B/T1450.2測出來的是復合材料斷紋剪切強度。
  
       縱橫剪切強度為(40-80)MPa,縱橫剪切模量為(2-4)MPa;層間剪切強度為(10-50)MPa,剪切模量為(0.2-2)GPa;斷紋剪切強度為(80-100)MPa。
  
       1. 7沖擊性能
  
        當產(chǎn)品經(jīng)受動載荷時、需要材料的沖擊強度(韌性)性能指標,沖擊強度高低也說明材料的韌性性能,是選材的性能指標之一。
  
       沖擊強度用國標GB/T1451進行測試。國標規(guī)定標準試樣尺寸,當試樣尺寸,特別是試樣厚度小于標準尺寸時,測出來的沖擊強度要偏小。沖擊強度除與材料品種、性能有關(guān)外,還與試樣厚度有關(guān),一般試樣厚,測出來的沖擊強度高。一般情況下,沖擊強度為: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
  
      纖維增強復合材料,其力學性能有較明顯的方向性、拉伸強度、模量,彎曲強度、模量,壓縮強度、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,無壓成型的壓縮性能,方向性程度要低一些。面內(nèi)剪切強度、模量、泊松比、沖擊強度,與上相反,45°方向最大??梢岳眠@一特點,設(shè)計出最優(yōu)的復合材料產(chǎn)品。
  
  
  
        2、 基本理化性能
  
        2.1密度
  
       聚合物復合材料輕質(zhì)是指密度小,為(1.5-2.0)g/cm3,是金屬的1/4-1/5。用國標GB/T1463進行測試.常用聚合物復合材料制成夾層結(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
  
       聚合物復合材料的硬度指標不同于金屬,是用巴柯爾硬度計測試,國標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),一般用巴氏硬度來控制產(chǎn)品制造過程。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方法,國標GB/T2576來測試,一般產(chǎn)品要求固化度≥80%,對于高溫固化產(chǎn)品,要求≥90%。
  
      
       2.4樹脂含量
  
       樹脂含量的大小直接影響產(chǎn)品的力學性能和理化性能。用測出樹脂含量的方法可以直接檢驗產(chǎn)品的成型工藝是否符合產(chǎn)品的設(shè)計要求及均勻性,用國標GB/T2577進行測試。
  
       2.5負荷熱變形溫度
  
       試樣在一定負荷(1.82MPa)下受熱變形到一定指標的溫度,稱為負荷熱變形溫度,用國標GB/T1634-2進行測試,此性能直接反映聚合物(樹脂)的耐熱性能,不同聚合物復合材料,其負荷熱變形溫度差別很大,低的為100℃,高的可達300℃以上。測出此性能指標,可供產(chǎn)品在什么樣溫度條件下使用時參考。
  
       2.6熱導率
  
       聚合物復合材料的熱導率是比較小的,為(0.28-0.40)W/Km,屬絕熱材料,用國標GB/T3139進行測試。
  
       2.7電阻率
  
       聚合物復合材料的電阻率是比較高的,屬于電絕緣材料,同時又是非磁性材料,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。當然,這是指玻璃纖維增強的復合材料,當采用碳纖維時,可以制零熱膨脹系數(shù),甚至于是負熱膨脹系數(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合材料的吸水率,一般≤1%,用國標GB/T1462測試。
  
       復合材料吸水性能的另一個指標是耐水性,把復合材料放在水中一定時間后,其強度(主要指彎曲強度)的變化,這有兩個測試方法:①GB/T2575,是用常溫水浸試樣。②GB/T10703,是用(60-100)℃水浸試樣,屬耐水性加速試驗方法。
  
  
       3特殊性能
  
       聚合物復合材料在常溫下就有蠕變,承受拉伸時,蠕變小,承受彎曲和剪切時,蠕變大,測試方法國標為GB/T6059。持久強度較為破壞強度的(40-50)%。
  
       聚合物復合材料的疲勞性能,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,疲勞強度約為靜態(tài)強度的(25-30)%。試驗方法國標為GB/T16779。
  
        聚合物復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。測試方法為GB/T9979。
  
        不同聚合物復合材料有不同耐化學腐蝕性能必須根據(jù)具體介質(zhì)選用復合材料。測試方法為GB/T3857。
  
       一般聚合物復合材料是不阻燃,必須加阻燃劑,按產(chǎn)品設(shè)計要求加不同阻燃劑及含量,達到一定的氧指數(shù),指標等。測試方法為GB/T8294。
 
關(guān)鍵詞: 聚合物復合材料
 
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