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  • [原创] 聚合物材料可靠性分析原理(17)

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  • 发表于:2018-04-16 8:47:49

聚合物材料可靠性分析原理(17)

石拓•著

2.2.2脆化温度

大多数的高分子聚合物材料在低温下,机械性能将发生会发生变化,尤其是冲击荷载的应力—应变。低温将使得聚合物材料失去韧性,因此抗冲强度大大下降,聚合物材料因为失去韧性而变脆。于是在同样的荷载下,发生断裂而失效。

因此,聚合物材料的脆化温度(brittle temperature),是用低温下的冲击试验来确定。

定义2.2.2.1聚合物材料由于温度降低,而发生冲击脆性断裂时的温度,称为脆化温度,用符号Tb表示。

由定义2.2.2.1知,聚合物材料的脆化Tb,也是因为温度的缘故,因此是材料的固有特性。也是衡量材料耐寒性的主要指标。实验表明,含有弹性体的聚合物合金,比纯聚合物具有更低的脆化温度。

考虑到冲击试验值的离散性(不确定性),所以脆化温度不能作为,聚合物材料长期使用最低温度的依据。

2.2.3长期使用温度

对于每一种高分子聚合物,它总有一个温度范围,在这个温度范围内,高分子聚合物的性能,随时间的增长而基本稳定,而且包括使用寿命在内的各项性能指标,都能满足设计要求。这样的温度范围,就是聚合物材料的长期使用温度,或称为连续使用温度。

要确定这样的温度范围,如今的办法是,把聚合物材料放在不同的温度环境中,进行一段时间的考察。考察的内容基本是,诸如力学的稳定性(机械),以及热稳定性(失重)之类。然后,把经过考察的性能指标与考察时间,作为确定长期使用温度的上下限,以及估算使用寿命的依据。这种实验通常称为老化试验。

高分子聚合物的老化是个缓慢过程。所以,确定长期使用温度的试验,几乎是采用模拟的方法。在模拟的条件下,找到一个合理的长期使用温度。例如,聚砜(PSF)可以在-20oC—120oC内长期使用,聚四氟乙烯(PTFE)的长期使用温度是-180oC—220oC。

事实上,聚合物材料的所谓长期使用温度,只是一个工艺指标,不是材料固有的特征温度。因此,“长期”具有相对性,与聚合物材料构件的使用环境,以及设计寿命有关。

实验表明,聚合物基复合材料,要比纯粹的聚合物材料,具有更宽的长期使用温度范围。

2.2.4热膨胀

绝大多数的物质,具有热胀冷缩的特性,聚合物材料也不例外。但是,与金属材料及无机非金属材料相比,一方面,不仅具有更大的热膨胀,而且在相当宽的使用温度内,温度与热膨胀的关系,不呈线性。也就是说,热胀系数不是常数。另一方面,热膨胀还与聚合物材料的老化有关。

作为工程上应用的聚合物材料,尤其是用于制造精密得机械零件,要求具有相对稳定的尺寸。因此,通常的做法是,将高分子聚合物进行改性,制成复合材料,以此达到具有既稳定,又小的热膨胀系数的目的。

(待续)