CN1026031C - 高聚物及其复合材料的应力跟踪测试仪器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高聚物及其复合材料的应力测试仪器。目前现有仪器测试粗糙，对样品有一定要求，不能连续测试。本发明用位移传感器动态跟踪材料的内应力随温度，时间的变化形为。精密控温仪控制样品室的温度，位移传感器探头直接接触样品架薄片表面，探测头重量用天平砝码平衡，位移信号经记录仪输出，根据材料形变量即可得到材料的内应力大小。该仪器简便，精度高并可连续测试。

Description

本发明涉及一种高聚物及其复合材料的应力跟踪测试仪器。

聚合物及其复合材料由于固化过程中的体积收缩，加工过程中的不平衡受力和冷却过程中不均匀冷却都会在材料内部形成内应力。由于材料内应力对材料性能有较大影响，因此测试内应力的仪器历来都是科学家们感兴趣的课题。已有的一些测试手段都是通过测试由内应力引起的其它物理量的变化来定量或定性表征材料的内应力，例如表面除层法、应力松驰法、光弹法、电测法等。这些方法都比较复杂，对试样有不少限制，例如光弹法就要求材料透明度好。日本研究人员根据两种材料热膨胀系数不同而产生形变的原理，把聚合物涂覆在铝片上，用望远镜观察固化后材料形变大小来计算材料的内应力，该方法较粗糙。美国加州大学贝克莱分校的研究人员利用上述原理，把试样放在烘箱内，可以任意控制温度，用读数显微镜观察铝片的形变量，制成了较准确的测试仪器。这些方法都比较复杂，人为因素影响较大，精确度不高，不能连续测试。

本发明的目的克服现有仪器误差大、对试样有限制不能连续测试及复杂的缺点，制成简便、精度高、可连续测试的应力跟踪仪。

本发明的主要内容是利用位移传感器动态跟踪材料的内应力随试验时间、温度的变化行为，是高聚物及其复合材料应力测试的仪器，仪器由样品室、平衡天平、控温仪、探测头、位移传感器和记录仪组成，样品室内温度可在室温到300℃范围内升温、降温或恒温，样品室内的支架上有一薄片样品架，薄片样品架朝下一面涂有液体状被测样品，位移传感器的探测头与样品架薄片直接接触，位移传感器信号由记录仪接受，样品室温度由控温仪控制，仪器中的其它部件不受温控仪控制，传感器探测头重量用天平平衡。

样品室装有1000-1500瓦的电热丝，以使其能在室温到300℃范围内变化。样品支架上架一薄片金属片，用以使其随材料形变而变形，因此金属薄片厚度在0.01-0.50毫米范围。金属薄片上不能有任何外力使其产生形变，用平衡天平的砝码将探测头重量平衡掉，位移传感器的探测头与样 品架薄片直接接触，及时反映材料的形变大小。

由于高聚物与金属片或石英片的热膨胀系数不同，因此样品架薄片用金属片或石英片，金属片可用铝片、铜片、铁片或钢片。测试时把树脂均匀涂覆在薄片的下方，由于金属片或石英片的热膨胀系数小于树脂，所以在树脂固化和样品冷却过程中位移向上，而在加热过程中位移向下，通过探测头可以测试各种实验条件下薄片上升、下降的位移量S，树脂涂层长为L，金属片的曲率为ρ＝L²/8S，树脂的内应力是

$\mathrm{\delta \; =}\frac{E}{\mathrm{12}}·\frac{h^3{}_1}{h_2}\frac{2}{{\mathrm{\rho \; (\; h}}_1{\mathrm{+\; h}}_2)}\mathrm{［\; 1\; +}\frac{1}{3}(\frac{h_1}{h_1{\mathrm{+\; h}}_2}{)}^2］$

｛（M·Shimbo，M.ochi and K·Arai，J.Coat.Technol，57，93（1985）｝其中E是铝片模量，h₁和h₂分别是铝片的厚度和树脂涂层的厚度。记录仪自动记录各转变点的位置和大小。

由于位移传感器的探测头自身重量会影响测试结果，因此利用平衡原理，如天平、滑轮、液压系统平衡了探测头的重量，克服外力对所测样品应力状态的干扰。

为了减小样品支架和探测头由于温度变化引起的位移，因此选用热膨胀系数极小的石英或铟钢材料制作。

本发明仪器使用了电热式加热炉和精密控温仪，使样品室可线性升温、降温和恒温。

本发明仪器的特点是能方便地长时间连续自动测试材料内应力随时间、温度的变化情况，克服人为读数引进的误差，提高了测试精度。因此仪器能够快速、简便、连续跟踪测试聚合物及其复合材料的内应力。一次试验可同时测得聚合物树脂及其复合材料的凝胶化时间、恒温固化收缩应力、玻璃化转变温度、冷却收缩应力、材料总体残余应力、残余应力生成速率、模量与热膨胀系数的乘积。

图1是应力跟踪测试仪示意图，图2是仪器的样品室示意图，图3是材料的变形图，图4是环氧树脂固化测量结果。

实施例：

用不锈钢加工成直径80毫米的圆柱形样品室1，装入1200瓦的电热丝，样品室的水平调节通过底部的调节螺丝调节，在样品室内装置石英支架8用于支撑样品，探测头用石英棒4同位移传感器6联接，用天平砝码9平衡探测头的重量。样品室联接程序控温仪5，记录仪7连接位移传感器即可用 于测量。

选用厚度为0.01-0.50毫米范围内的铝片2，表面用8号金相砂纸打磨，去掉氧化层，用丙酮洗净。环氧树脂和固化剂按比例混合，并加入适量丙酮。把样品3涂复在铝片上，要求涂层均匀，厚度在0.01-0.10毫米范围内。制好的样条放入样品室，调节探测头位置，使其恰好接触铝条表面，按设定程序升温和恒温固化，然后降温，测量该过程中的残余应力。测试结果见图4，横坐标是时间t，纵坐标是位移s和温度T。

Claims (4)

1、一种高聚物及其复合材料应力测试仪器，由样品室、平衡天平、控温仪、探测头、位移传感器和记录仪组成，其特征在于样品室封闭在温控室内，室内温度可在室温至300℃范围内升温、降温或恒温，样品室内的支架上是一薄片样样品架，薄片样品架朝下一面涂有液体状被测样品，仪器中的平衡天平、控温仪、位移传感器及记录仪在样品室外，不受温控仪控制，位移传感器的探测头与样品架薄片直接接触，位移传感器信号由记录仪接受，样品室温度由控温仪控制，传感器探测头重量用天平平衡。

2、根据权利要求1所述的高聚物及其复合材料的应力测试仪器，其特征在于样品架薄片的厚度在0.01-0.50mm范围。

3、根据权利要求1所述的高聚物及其复合材料的应力测试仪器，其特征在于传感器探测头重量  用滑轮、液压系统平衡。

4、根据权利要求1所述的高聚物及其复合材料的应力测试仪器，其特征在于仪器的探测头、样品架的支架  用石英、铟钢制作。

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