CN1828261A - 聚合物热机械性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种聚合物热机械性能测试装置，由光源、耦合器、波长解调装置、一光纤光栅传感器与待测聚合物固定在一起的测量件、液压装置、可控温箱、匹配液组成，它将光纤光栅传感器为核心的嵌入式聚合物材料热机械性能监测分析装置，以控温箱和液压装置组成调节部分，本发明装置可以实现在大范围的温度变化下，对聚合物材料的热膨胀系数、玻璃化转变、热固化形变、弹性模量变化等特性的测量。具有使用方便，稳定性和重复性好，灵敏度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及聚合物，特别是一种聚合物热机械性能的测试装置。
背景技术
聚合物材料大范围温度压力变化范围时，聚合物的热机械特性，例如膨胀系数，弹性模量，玻璃化温度等重要参数决定其适用范围。厂家提供一般材料参数：膨胀系数，弹性模量，玻璃化温度，但这些参数均是在常温下测定的，由于聚合物材料本身具有粘弹性，热稳定原因，这些参数并非线性变化，因而对于在其它温度压力条件下，聚合物材料的热机械性能变化并未给出，这在很大程度上限制了聚合物材料的应用。在许多工程实际环境中，温度压力变化范围很大，对聚合物使用要求很严格，因此有必要采用一定方案实现对聚合物材料特性进行研究，确定其适用范围并对其进行改进，具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚合物热机械性能的测试装置，该装置能在温度压力变化很宽的范围内进行测量，而且具有使用方便，控制灵活，测量稳定性、重复性良好和灵敏度高的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种聚合物热机械性能测试装置，由光源、耦合器、波长解调装置、一光纤光栅传感器与待测聚合物固定在一起的测量件、液压装置、可控温箱、匹配液组成，其连接关系如下：光源发出的宽带光由光纤连接所述的耦合器的输入端，该耦合器的输出端接光纤光栅传感器的输入端，该耦合器的另一输入端接波长解调装置，以观测光纤光栅传感器的波长漂移，将测量件置于液压装置中，然后将液压装置置于控温箱中。
所述的测量件是将光纤光栅传感器粘贴在待测固态聚合物的外表面而形成一体的。
所述的测量件另一种形式是将光纤光栅传感器和待测的液态聚合物封装在金属套管内，然后升温将聚合物固化形成的。
所述的测量件中所述的金属套管与待测的聚合物之间还有一层导热胶。
附图说明
图1是本发明聚合物热机械性能测试装置的具体结构示意图
图2是本发明的测量件的结构示意图
图3是测量件中光纤光栅传感器的波长与温度响应特性曲线图
图4是对应的测量件中聚合物热膨胀系数与温度变化的特性曲线图
图5是测量件中光纤光栅传感器压力响应灵敏度随温度变化趋势
图6是测量件中聚合物的弹性模量随温度的变化曲线图
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：
首先选用一种待测聚合物4对光纤光栅传感器3进行灌封，在灌封过程中先将金属套管1倾斜，然后沿该金属套管1缓慢注入聚合物4的液体，将光纤光栅传感器3封装在金属套管1中，最后对聚合物4进行升温固化形成一个测量件8，如图2所示。将测量件8置于液压装置9中，然后将该液压装置9置于一控温箱6中，以实现对其同时施加温度与压力。宽带光源(BBS)5发出的光经3dB耦合器10入射到光纤光栅传感器3中，被反射后又经3dB耦合器10送到波长解调装置7，通过波长解调装置7观察光纤光栅传感器3的反射峰中心波长的变化Δλc和带宽Δλ3dB。通过高精度压力表测得液压装置9中的压力值，然后与光纤光栅传感器3所测得的值进行比较。高精度电子温度计用来计量控温箱6内的温度值。
采用逐步升温法来测量聚合物4的热膨胀系数和玻璃化温度。先通过控温室6对测量件8升温，光纤光栅传感器3升至不同温度，得到光纤光栅传感器3的波长与温度的对应关系，如图3所示，然后根据下列公式进行计算：
得到聚合物4的热膨胀系数变化特性以及玻璃化温度，如图4所示。公式中pe为光纤弹光系数，ΔT为温度变化，λ为光纤光栅传感器传感器的中心波长，ΔλB为由温度引起的光栅波长变化量。
测量聚合物4的机械性能同样采用逐步升温法，先通过控温箱6将光纤光栅传感器3升温至不同温度，待光纤光栅传感器3的反射峰中心波长稳定后，通过液压装置9在不同温度下对光纤光栅传感器3施加压力，观察光纤光栅传感器3压力响应特性与温度响应特性之间的关系，得到一系列光纤光栅传感器的压力响应灵敏度系数随温度变化趋势，如图5所示。根据公式
通过线性拟合分析比较聚合物4封装后光纤光栅传感器3在不同温度下的升压和降压响应特性，根据光纤光栅传感器3的压力灵敏度变化随温度变化趋势，可以得出聚合物的热机械性能的弹性模量的变化，如图6所示，公式中μ为聚合物材料的泊松比系数，P为封装光纤光栅传感器3所受的压力，ΔλB为由压力引起的光栅波长变化量。
某些聚合物由于粘接性不好或者固化成型方法因素，无法直接与光纤光栅传感器3进行灌封，可以通过将光纤光栅传感器3直接粘贴于固化后的聚合物材料4的表面，以保证聚合物材料4与光纤光栅传感器传感器之间力学传递效果。实验步骤大致同上。本发明亦可应用于金属、陶瓷、复合材料、涂层材料、耐火材料等领域的材料性能测量。
通过以上分析和实验表明，本发明该装置能在温度压力变化很宽的范围内进行测量，而且具有使用方便，控制灵活，测量稳定性、重复性良好和灵敏度高的特点。
Claims (4)
1、一种聚合物热机械性能测试装置，其特征在于它由光源(5)、耦合器(10)、波长解调装置(7)、一光纤光栅传感器(3)与待测聚合物4固定在一起的测量件(8)、液压装置(9)、控温箱(6)、匹配液(11)组成，其连接关系如下：光源(5)发出的宽带光由光纤连接所述的耦合器(10)的输入端，该耦合器(10)的输出端接光纤光栅传感器(3)的输入端，该耦合器(10)的另一输入端接波长解调装置(7)，将测量件(8)置于液压装置(9)中，然后将液压装置(9)置于控温箱(6)中。
2、根据权利要求1所述的聚合物热机械性能测试装置，其特征在于所述的测量件(8)是将光纤光栅传感器(3)粘贴在待测固体的聚合物(4)的外表面而形成一体的。
3、根据权利要求1所述的聚合物热机械性能测试装置，其特征在于所述的测量件(8)是将光纤光栅传感器(3)和待测的聚合物液体(4)灌装在金属套管(1)，然后升温将聚合物固化形成的。
4.根据权利要求3所述的聚合物热机械性能测试装置，其特征在于所述的测量件(8)中所述的金属套管(1)与待测的聚合物(4)之间还有一层导热胶(2)。
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