專利名稱：濕、熱、力多場(chǎng)耦合下的老化測(cè)試方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種濕、熱、力多場(chǎng)耦合下的老化實(shí)驗(yàn)方法及其裝置，主要用于模擬在役
環(huán)境中聚合物及其復(fù)合材料的老化性能測(cè)試，屬材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高分子聚合物及其復(fù)合材料于濕熱環(huán)境中承載服役時(shí)，材料性能將逐漸下降，部分或全 部喪失其使用價(jià)值而發(fā)生老化。濕、熱、力耦合老化的機(jī)制主要為①源于環(huán)境溫度的變化 及樹脂基體、增強(qiáng)纖維以及樹脂、纖維粘接界面不同破壞程度的熱應(yīng)力損傷；②水分子的擴(kuò) 散運(yùn)動(dòng)對(duì)材料的影響為物理吸附與化學(xué)鍵的削弱甚至破壞。由于水能使基體溶脹塑化并擴(kuò)散 至基體與纖維的界面，吸濕結(jié)晶化而產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展、基體的降解，從而造成基體強(qiáng)度下降； ③外載荷對(duì)材料所致應(yīng)力損傷則進(jìn)一步加速了濕熱老化進(jìn)程。迄今為止，尚無濕、熱、力耦 合下的材料老化試驗(yàn)方法及其裝備，目前聚合物及其復(fù)合材料濕熱老化試驗(yàn)均采用"兩步法" 進(jìn)行，即根據(jù)材料的使用環(huán)境來確定濕熱老化的溫度、濕度參數(shù)，先在濕熱環(huán)境箱中實(shí)施若 干時(shí)間的人工加速老化試驗(yàn)后，將樣品從環(huán)境箱中取出，通過掃描電子顯微鏡(SEM)、 X射 線衍射(XRD)、電子能譜(XPS)和紅外譜圖分析(FTIR)等微觀材料學(xué)手段或利用材料力學(xué)通用 試驗(yàn)機(jī)測(cè)試?yán)匣^程中材料宏觀力學(xué)參量的變化。對(duì)大多數(shù)實(shí)際在役工況為濕、熱、力耦合 的聚合物及其復(fù)合材料而言，據(jù)上述"兩步法"監(jiān)測(cè)老化進(jìn)程，將顯著高估材料的抗老化性 能，從而導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)的安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)存在的不足，提供一種適合于聚合物及其復(fù)合材料于濕、 熱、力多場(chǎng)耦合下的老化測(cè)試方法及裝置，為聚合物及其復(fù)合材料提供準(zhǔn)確、便捷、低成本 的老化測(cè)試方法。
本發(fā)明的思路為①老化試驗(yàn)方法基于濕、熱、力多場(chǎng)耦合下材料拉伸蠕變?nèi)崃康膭?dòng)態(tài) 監(jiān)測(cè)；②老化裝置立足于微電腦控制的標(biāo)準(zhǔn)濕、熱環(huán)境箱，對(duì)其硬件進(jìn)行適當(dāng)改良后，內(nèi)置 加載機(jī)構(gòu)；建立有效的載荷、位移測(cè)試系統(tǒng)；編制相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)現(xiàn)濕、熱、力多 場(chǎng)耦合下聚合物及其復(fù)合材料的老化的測(cè)試。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種濕、熱、力多場(chǎng)耦合下的老化測(cè)試方法，用于對(duì)以聚合物及其復(fù)合材料制成的試 樣進(jìn)行測(cè)試，其特征在于測(cè)試步驟如下
a.根據(jù)聚合物及其復(fù)合材料服役時(shí)的極端條件一最高操作溫度T、最大濕度(|)及最大應(yīng)力d，確定濕、熱、力多場(chǎng)耦合老化的試驗(yàn)條件；
b. 據(jù)上述最高操作溫度T、最大濕度 <()，啟動(dòng)測(cè)試用環(huán)境箱的環(huán)境控制系統(tǒng)，待其箱內(nèi)溫度、 濕度達(dá)到該最高操作溫度T、最大濕度())時(shí)，對(duì)置于環(huán)境箱內(nèi)由聚合物及其復(fù)合材料制 成的試樣施加恒定拉伸載荷F，載荷大小由關(guān)系式^ ="確定，其中ct為最大應(yīng)力，S 為試樣橫截面積；
c. 對(duì)濕、熱、力多場(chǎng)耦合老化下試樣的位移信號(hào)進(jìn)行采集后，經(jīng)放大、濾波，并轉(zhuǎn)換為計(jì) 算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，得到溫度T、濕度())、應(yīng)力a耦合下的 實(shí)時(shí)蠕變位移一時(shí)間曲線(/,(0 -。；
d. 由曲線(/('> _r)及關(guān)系式j(luò)g"):，，求得蠕變?nèi)崃恳粫r(shí)間曲線(J 、-0，式中
cj為施加載荷大小，/。為試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度，,W、為實(shí)時(shí)蠕變?nèi)崃浚?br> e. 基于-O試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行曲線擬合，即可獲得揭示濕、熱、力多場(chǎng)耦合下聚合物 及其復(fù)合材料性能變化規(guī)律的老化方程。
一種濕、熱、力多場(chǎng)耦合下的老化測(cè)試裝置，應(yīng)用于上述的濕、熱、力多場(chǎng)耦合下的 老化測(cè)試方法，包括一個(gè)帶有環(huán)境控制系統(tǒng)的環(huán)境箱，其特征在于所述的環(huán)境箱內(nèi)安置一 個(gè)試樣夾持及加載機(jī)構(gòu)； 一個(gè)電子引伸計(jì)的兩個(gè)卡頭分別卡緊于試樣引伸標(biāo)距的兩端，一 個(gè)激光引伸計(jì)的激光束對(duì)準(zhǔn)試樣的引伸標(biāo)距處，所述的電子引伸計(jì)和激光引伸計(jì)的輸出端 電連接一個(gè)含有放大電路、濾波電路和轉(zhuǎn)換電路的采集器的輸入端，而所述采集器的輸出 端連接至計(jì)算機(jī)。
上述試樣夾持及加載機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是 一個(gè)矩形框架的兩根豎直梁上均布銷孔； 一根加 載長(zhǎng)杠桿的中部有銷孔通過軸銷與豎直梁上的銷孔插配成鉸接，而一端鉸連一根砝碼桿的 上端，另一端鉸連一根杠桿連接件的一端；所述砝碼桿的下端固定連接一個(gè)砝碼盤，該砝 碼盤上置放加載的砝碼；所述杠桿連接件的另一端與一根加載短杠桿的一端鉸連所述加 載短杠桿的另一端或中部的銷孔通過軸銷與一根豎直梁上的銷孔插配成鉸連，而其中部一 個(gè)銷孔通過軸銷與試樣夾具的上夾頭鉸連；所述試樣夾具的下夾頭與所述矩形框架的下橫 梁鉸連；所述試樣的上下端部分別由所述試樣夾具的上下夾頭夾持。
上述的環(huán)境箱采用市售的CCX-5000環(huán)境箱，所述激光引伸計(jì)、電子引伸計(jì)和采集器 均采用市售產(chǎn)品；所述試樣采用ASTM D638 II型試樣。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的測(cè)試裝置能將試樣夾持于環(huán)境箱內(nèi)，不僅可模擬被測(cè)材料服役的環(huán)境條件；且試樣在環(huán)境箱 內(nèi)加載，可模擬材料服役的受力情況；從而實(shí)現(xiàn)濕、熱、力多場(chǎng)耦合下的老化測(cè)試。本測(cè)試 準(zhǔn)確、便捷、成本低，適用于研究聚合物及其復(fù)合材料服役運(yùn)行下的粘彈力學(xué)特性和老化性 能。


圖l是本發(fā)明的濕、熱、力場(chǎng)耦合老化測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是圖1中試樣夾具的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為主視圖，圖(b)為左視圖。 圖3是圖1中試樣夾持及加載機(jī)構(gòu)的桿件示意圖，其中圖(a)為加載長(zhǎng)杠桿示意圖，圖 (b)為加載短杠桿示意圖。
圖4是本發(fā)明的濕、熱、力多場(chǎng)耦合老化測(cè)試程序框圖。 圖5是本發(fā)明用的老化試樣幾何形狀圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下如圖1所示，本濕、熱、力多場(chǎng)耦合老化測(cè)試 裝置包括一個(gè)帶有環(huán)境控制系統(tǒng)的環(huán)境箱9，其特征在于所述的環(huán)境箱9內(nèi)安置一個(gè)試樣 夾持及加載機(jī)構(gòu)5; —個(gè)電子引伸計(jì)16的兩個(gè)卡頭分別卡緊于試樣11引伸標(biāo)距的兩端， 一個(gè)激光引伸計(jì)8的激光束7對(duì)準(zhǔn)試樣11的引伸標(biāo)距處，所述的電子引伸計(jì)16和激光引 伸計(jì)8的輸出端電連接一個(gè)含有放大電路、濾波電路和轉(zhuǎn)換電路的采集器17的輸入端， 而所述采集器17的輸出端連接至計(jì)算機(jī)12。
上述試樣夾持及加載機(jī)構(gòu)5的結(jié)構(gòu)是 一個(gè)矩形框架的兩根豎直梁上均布銷孔13; — 根加載長(zhǎng)杠桿4的中部有銷孔13通過軸銷與豎直梁上的銷孔13插配成鉸接，而一端鉸連 一根砝碼桿2的上端，另一端鉸連一根杠桿連接件14的一端；所述砝碼桿2的下端固定 連接一個(gè)砝碼盤，該砝碼盤上置放加載的砝碼1;所述杠桿連接件14的另一端與一根加載 短杠桿15的一端鉸連；所述加載短杠桿15的另一端或中部的銷孔通過軸銷與一根豎直梁 上的銷孔插配成鉸連，而其中部一個(gè)銷孔通過軸銷與試樣夾具10的上夾頭鉸連；所述試 樣夾具10的下夾頭與所述矩形框架的下橫梁鉸連；所述試樣II的上下端部分別由所述試 樣夾具10的上下夾頭夾持。
上述環(huán)境箱9采用市售的CCX-5000環(huán)境箱，是一種符合以下設(shè)計(jì)要求的微電腦控制濕、 熱環(huán)境箱或鹽霧箱a.溫度與濕度連續(xù)可調(diào)節(jié)控制范圍分別為-30 7rC、 30-100RH; b.有 效濕、熱環(huán)境空間至少為900mmx660mmx200mm (長(zhǎng)x高x深)；c.主箱體面板上開有透明 觀察窗口以安裝外部光學(xué)測(cè)量裝置，視窗幾何尺寸為300mmx630mm，所用材料為耐腐蝕、透光率高且防霧的聚丙烯酸樹脂。環(huán)境箱測(cè)試區(qū)域的溫度、濕度控制均由環(huán)境箱控制系統(tǒng)獨(dú) 立完成。
電子引伸計(jì)16、激光引伸計(jì)8和采集器17均釆用市售產(chǎn)品。電子引伸計(jì)16和激光引 伸計(jì)8組成雙位移傳感器。其中激光引伸計(jì)8安裝于環(huán)境箱9外部，通過箱體面板上的透明 視窗測(cè)量高濕或腐蝕性環(huán)境介質(zhì)中受載試樣的變形，電子引伸計(jì)則用于千燥氣氛下的測(cè)量。 所用非接觸式激光引伸計(jì)性能參數(shù)滿足光學(xué)掃描角度為90°、掃描范圍600mm、 25mm標(biāo)距 精度1%;電子引伸計(jì)的規(guī)格則為供電電壓24VDC，量程0~5mm，輸出信號(hào)電壓0~5V; 所用的數(shù)據(jù)采用設(shè)備為USB接口且集成A/D轉(zhuǎn)換與信號(hào)放大模塊的UA303/4型采集器，主 要技術(shù)指標(biāo)為12/16位A/D轉(zhuǎn)換芯片，分辨率為12bit，實(shí)用最高采樣頻率〉20KHz。
圖2給出夾具的結(jié)構(gòu)。
圖3給出試樣夾持及加載機(jī)構(gòu)5中加載長(zhǎng)杠桿4和加載短杠桿15的結(jié)構(gòu)，施加于試樣的 載荷F，根據(jù)加載杠桿的幾何位置和懸掛砝碼、砝碼盤、試樣夾具的重量，據(jù)關(guān)系式
F = (2GA W""S/咖-由計(jì)算機(jī)確定并記錄。式中F
一施加于試樣上的載荷；G—砝碼和托盤的重量； Go—試樣夾具的重量；Gb L, —長(zhǎng)
加載杠桿(BD)中BC段的重量與長(zhǎng)度；G2、 L2—加載長(zhǎng)杠桿中CD段的重量與長(zhǎng)度；G3、 Ls —短加載杠桿(AE)的重量與長(zhǎng)度；L一加載短杠桿與支撐框架、試樣夾具兩鉸接點(diǎn)的距 離(AH) ; a、 / —加載長(zhǎng)杠桿(BD)與砝碼垂掛鋼絲繩、加載杠桿連接件(DE)的夾角；
& 加載短杠桿(AE)與支持框架、加載杠桿連接件(DE)的夾角。
參見圖4，本濕、熱、力多場(chǎng)耦合下的老化測(cè)試方法，采用上述試驗(yàn)裝置，用于聚合物及 其復(fù)合材料試樣于濕、熱、力多場(chǎng)耦合下的老化測(cè)試，其具體步驟如下-
1) 根據(jù)聚合物及其復(fù)合材料服役時(shí)的極端條件一最高操作溫度T、最大濕度纟及最大應(yīng) 力cj，確定濕、熱、力多場(chǎng)耦合老化的試驗(yàn)條件；
2) 據(jù)上述最高操作溫度T、最大濕度f啟動(dòng)測(cè)試用環(huán)境箱的環(huán)境控制系統(tǒng)，待其箱內(nèi) 溫度、濕度達(dá)到該最高操作溫度T、最大濕度())時(shí)，對(duì)置于環(huán)境箱內(nèi)由聚合物及其復(fù) 合材料制成的試樣施加恒定拉伸載荷F，載荷大小由關(guān)系式尸=^75確定，其中cr為最 大應(yīng)力，S為試樣橫截面積；
3) 對(duì)濕、熱、力多場(chǎng)耦合老化下試樣的位移信號(hào)進(jìn)行采集后，經(jīng)放大、濾波，并轉(zhuǎn)換為 計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，得到溫度T、濕度(j)、應(yīng)力o耦合下的實(shí)時(shí)蠕變位移一時(shí)間曲線(，、-。；
/(')
4) 由曲線(戶-O及關(guān)系式^")=，，求得蠕變?nèi)崃恳粫r(shí)間曲線(《、—)，
式中o為施加載荷大小，/。為試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度，、為實(shí)時(shí)蠕變?nèi)崃浚?br> 5) 基于(7(() -O試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行曲線擬合，即可獲得揭示濕、熱、力多場(chǎng)耦合下聚 合物及其復(fù)合材料性能變化規(guī)律的老化方程。
參見圖5，本測(cè)試用的試樣采用ASTM D638的II型試樣。
權(quán)利要求
1. 一種濕、熱、力多場(chǎng)耦合下的老化測(cè)試方法，用于對(duì)以聚合物及其復(fù)合材料制成的試樣進(jìn)行測(cè)試，其特征在于測(cè)試步驟如下1)根據(jù)聚合物及其復(fù)合材料服役時(shí)的極端條件—最高操作溫度T、最大濕度φ及最大應(yīng)力σ，確定濕、熱、力多場(chǎng)耦合老化的試驗(yàn)條件；2)據(jù)上述最高操作溫度T、最大濕度φ，啟動(dòng)測(cè)試用環(huán)境箱的環(huán)境控制系統(tǒng)，待其箱內(nèi)溫度、濕度達(dá)到該最高操作溫度T、最大濕度φ時(shí)，對(duì)置于環(huán)境箱內(nèi)由聚合物及其復(fù)合材料制成的試樣施加恒定拉伸F，載荷大小由關(guān)系式F＝σS確定，其中σ為最大應(yīng)力，S為試樣橫截面積；3)對(duì)濕、熱、力多場(chǎng)耦合老化下試樣的位移信號(hào)進(jìn)行采集后，經(jīng)放大、濾波，并轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，得到溫度T、濕度φ、應(yīng)力σ耦合下的實(shí)時(shí)蠕變位移—時(shí)間曲線4)由曲線及關(guān)系式求得蠕變?nèi)崃俊獣r(shí)間曲線，式中σ為施加載荷大小，l0為試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度，為實(shí)時(shí)蠕變?nèi)崃浚?)基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行曲線擬合，即可獲得揭示濕、熱、力多場(chǎng)耦合下聚合物及其復(fù)合材料性能變化規(guī)律的老化方程。
2. —種濕、熱、力多場(chǎng)耦合下的老化測(cè)試裝置，應(yīng)用于權(quán)利要求1所述的濕、熱、力多 場(chǎng)耦合下的老化測(cè)試方法，包括一個(gè)帶有環(huán)境控制系統(tǒng)的環(huán)境箱(9)，其特征在于所 述的環(huán)境箱(9)內(nèi)安置一個(gè)試樣夾持及加載機(jī)構(gòu)(5); —個(gè)電子引伸計(jì)(16)的兩個(gè) 卡頭分別卡緊于試樣(11)引伸標(biāo)距的兩端， 一個(gè)激光引伸計(jì)(8)的激光束(7)對(duì) 準(zhǔn)試樣(11)的引伸標(biāo)距處，所述的電子引伸計(jì)(16)和激光引伸計(jì)(8)的輸出端電 連接一個(gè)含有放大電路、濾波電路和轉(zhuǎn)換電路的采集器(17)的輸入端，而所述采集 器(17)的輸出端連接至計(jì)算機(jī)(12)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的濕、熱、力多場(chǎng)耦合下的老化測(cè)試裝置，其特征在于所述試樣 夾持及加載機(jī)構(gòu)(5)的結(jié)構(gòu)是 一個(gè)矩形框架的兩根豎直梁上均布銷孔(13); —根 加載長(zhǎng)杠桿(4)的中部有銷孔(13)通過軸銷與豎直梁上的銷孔(13)插配成鉸接， 而一端鉸連一根砝碼桿(2)的上端，另一端鉸連一根杠桿連接件(14)的一端；所述 砝碼桿(2)的下端固定連接一個(gè)砝碼盤，該砝碼盤上置放加載的砝碼(1);所述杠桿 連接件(14)的另一端與一根加載短杠桿(15)的一端鉸連；所述加載短杠桿(15)的另一端或中部的銷孔通過軸銷與一根豎直梁上的銷孔插配成鉸連，而其中部一個(gè)銷 孔通過軸銷與試樣夾具(10)的上夾頭鉸連；所述試樣夾具(10)的下夾頭與所述矩 形框架的下橫梁鉸連；所述試樣(11)的上下端部分別由所述試樣夾具(10)的上下 夾頭夾持。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的濕、熱、力多場(chǎng)耦合下的老化測(cè)試裝置，其特征在于所述環(huán)境 箱(9)采用市售的CCX-5000環(huán)境箱，所述激光引伸計(jì)(8)、電子引伸計(jì)(16)和采 集器(17)均采用市售產(chǎn)品；所述試樣(11)采用ASTMD638 II型試樣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種濕、熱、力多場(chǎng)耦合下的老化測(cè)試方法及裝置。本方法用于對(duì)聚合物材料及其復(fù)合材料制成的試樣進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試基于濕、熱力多場(chǎng)耦合下材料拉伸蠕變?nèi)崃康膭?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。本裝置立足于微電腦控制的標(biāo)準(zhǔn)濕、熱環(huán)境箱，在其箱內(nèi)設(shè)置試樣夾持及加載機(jī)構(gòu)，并設(shè)有電子引伸計(jì)和激光引伸計(jì)組成雙位移傳感器，采集數(shù)據(jù)后經(jīng)采集器連接到計(jì)算機(jī)。本發(fā)明測(cè)試準(zhǔn)確、便捷、成本低，適用于研究聚合物及其復(fù)合材料服役運(yùn)行下的粘彈力學(xué)特性和老化性能。
文檔編號(hào)G01N17/00GK101435811SQ20081020397
公開日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2008年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月4日
發(fā)明者周沙溆, 湯傲潔, 胡宏玖, 謝蘇江, 賀耀龍, 陳國(guó)華 申請(qǐng)人:上海大學(xué)