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  • [原创]聚合物老化寿命的可靠性原理

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  • 发表于:2018-12-17 8:55:35

聚合物老化寿命的可靠性原理

文/石拓

一般认为,无论是无机非金属材料的分化,还是金属材料的疲劳,它们性能的稳定性都要大于聚合物材料。因此,在讨论聚合物基复合材料的老化寿命时,我们考察的对象总是聚合物。这是因为,聚合物老化是材料失去性能的主因,其余的可以忽略不计

聚合物材料包括了聚合物合金以及聚合物基复合材料等。

聚合物材料无论在自然环境,还是人工环境中,因为化学,诸如水、碱、酸、氧等;物理,诸如热、光、高能辐射,以及机械应力等因素的作用下,都将发生老化。并且,往往是化学与物理两个因素,同时作用,例如热氧老化、辐射老化[4][5]。老化的结果,使得材料的性能下降(失去),直到失去使用价值为止。

因为,在一定环境下的聚合物材料,其性能下降的量,与它所经历的时间t有关[6][7]。因此,在讨论聚合物老化寿命的可靠性时,我们引进了时间t。

聚合物材料一旦进入使用期,就意味着老化的开始,材料的性能随着老化时间t逐渐失去(下降),如果设t是聚合物材料性能下降的时间。N0是聚合物材料的初始性能。那么,材料到了时间t时,失去性能的量是:

N=N(t)

也就是说,材料在使用过程中的性能失去(下降)的量N,是一个与使用时间t有关的函数。由于聚合物材料性能下降的值不确定性,所以N(t)具有随机性,因此N=N(t)是一个随机变量,一个与时间t有关的随机变量。这里的时间t被定义为老化寿命。

除此之外,如果聚合物材料在某种环境中,从t0=0开始使用,假设因为聚合物的老化,使得材料的性能下降(失去),直到失效的整个过程,所经历的时间是t,那么这个时间t,显然也是随机的,因此老化寿命t只有在一定的概率下,才有意义。所以材料性能下降到失效的整个时间t,被定义为老化寿命[1][2][7]。

定义4.2.1设S是聚合物材料,N(t)是S失去的性能值,Nm是容许失去性能的临界值。若S在确定的使用环境下,经历时间t,这时,称N(t) ≤Nm在时间t的概率为可靠度函数,记为R(Nm,t),即:

R(Nm,t)=Φ{ N(t) ≤Nm,t},   t∈[ 0,∞)

定义4.2.1表明,材料在使用过程中的可靠度函数,是一个与使用寿命t有关的二元函数。

由定义4.2.1知,聚合物材料S是否处于可靠状态,取决于不等式N(t) ≤Nm,t∈[ 0,∞)。所以,确定Nm的值是至关重要的。Nm值的确定,必须依据对材料性能的设计要求,这个要求必须考虑到,聚合物材料使用过程中可能出现的最大荷载。也就是说,不能因为材料失去了性能Nm,而小于可能出现的最大荷载。

由于聚合物的老化,导致了材料性能的下降。因为材料性能下降的量,具有随机性。因此,聚合物材料S在t时间内,t∈[ 0,∞),材料S的性能下降的值N(t),既存在N(t)>Nm的可能,也存在N(t) ≤Nm的可能。

假如,聚合物材料使用到了时间t,材料S失去的性能N(t),已经高于设计要求的Nm,即N(t)>Nm,此时的聚合物材料S,已经失去了使用价值,可以判为失效。

定义4.2.2若聚合物材料S在确定的使用环境下,经历了时间t,使S失效的概率,称为S的失效分布函数,记F(Nm,t),即:

F(Nm,t)=Φ{ N(t)>Nm,t},   t∈[ 0,∞)

定义4.2.2表明,材料在使用过程中的失效函数,也是与使用寿命t有关的二元函数。并且,由定义4.2.1和定义4.2.2知,有关系式(4-1):

(4-1)      R(Nm,t)+F(Nm,t)=1    t∈[ 0,∞)

(4-1)是当前性能失去的值N=N(t)≥Nm和N=N(t)<Nm,与老化寿命t有关的二元函数。

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