透明聚碳酸酯板材的應(yīng)力條紋值信息研究

張 博,厲 蕾

(北京航空材料研究院,北京100095)

透明聚碳酸酯板材的應(yīng)力條紋值信息研究

張 博,厲 蕾

(北京航空材料研究院,北京100095)

根據(jù)Tardy補(bǔ)償法的原理,對(duì)透明件用聚碳酸酯(PC)板材進(jìn)行熱光曲線實(shí)驗(yàn),在不同加載狀態(tài)下對(duì)條紋級(jí)次的變化進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:PC材料僅需要較小的載荷即可出現(xiàn)理想的條紋級(jí)次;PC材料受力后的應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間對(duì)條紋級(jí)次有很大的影響;擠出成型獲得的PC材料具有惟一的加載方向以獲得規(guī)則的條紋圖。同時(shí),本研究獲得了PC材料的條紋值這一重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

聚碳酸酯;熱光曲線;數(shù)字光彈法;Tardy補(bǔ)償法

作為具有優(yōu)異的高抗沖擊性結(jié)構(gòu)材料,聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)材料成為制造先進(jìn)飛機(jī)座艙透明件的主要材料之一[1]。鑒于透明件在飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)中的地位,其服役的可靠性就顯得尤為重要。由應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋故障是飛機(jī)座艙透明件失效的主要原因之一,如何測(cè)量透明件的應(yīng)力一直是中外科學(xué)家研究的課題。由于聚碳酸酯屬于具有人工雙折射特性的光彈性材料,因此數(shù)字光彈法被認(rèn)為具有測(cè)量其應(yīng)力的可能性。采用數(shù)字光彈法對(duì)材料進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,等差線的條紋級(jí)次與不同溫度下的材料條紋值是應(yīng)力計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),所以必須了解光彈性材料人工雙折射[2]性能隨溫度而變化的規(guī)律。熱光曲線實(shí)驗(yàn)是探尋此規(guī)律的實(shí)驗(yàn)手段。其原理如下:受一定載荷的材料在單色光的圓偏振光場(chǎng)中,隨著溫度的升高條紋級(jí)次會(huì)隨之變化,把條紋級(jí)次隨溫度升高而變化的數(shù)值連成一條曲線,即為熱光曲線[3]。本研究通過對(duì)聚碳酸酯板材進(jìn)行熱光曲線實(shí)驗(yàn),掌握了該材料條紋級(jí)次隨溫度變化的規(guī)律,對(duì)不同的載荷、溫度和加載方式下產(chǎn)生不同條紋的現(xiàn)象進(jìn)行了分析,完善了透明材料的條紋值標(biāo)定方法,為數(shù)字光彈法在透明材料應(yīng)力測(cè)量中的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

Lexan9034聚碳酸酯板材(美國(guó)GE公司生產(chǎn))。試樣厚度9mm,直徑40mm。采用R40922型光彈儀,光源為鈉光源。熱光曲線實(shí)驗(yàn)使用烘箱。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)熱光曲線實(shí)驗(yàn):選擇載荷與升溫方式,測(cè)定試樣在圓偏振光場(chǎng)中的條紋級(jí)次。

(2)條紋級(jí)次的讀取方法:采用對(duì)徑受壓圓盤理論模型,獲得在不同的溫度下材料受載后的中心點(diǎn)條紋級(jí)次,非整數(shù)級(jí)條紋級(jí)次則采用Tardy補(bǔ)償法進(jìn)行讀數(shù)。具體步驟如下:1)將光路系統(tǒng)設(shè)置為正交圓偏振光場(chǎng),并使起偏鏡和檢偏鏡的光軸分別與被測(cè)點(diǎn)的兩個(gè)應(yīng)力主軸方向一致,1/4波片的快軸和慢軸與偏振鏡光軸的相對(duì)位置保持不變;2)確定被測(cè)點(diǎn)條紋級(jí)數(shù)所處的范圍n和n+1;3)單獨(dú)旋轉(zhuǎn)檢偏鏡,觀察等差線的移動(dòng)。如果與被測(cè)點(diǎn)相鄰的n級(jí)整數(shù)級(jí)等差線移向被測(cè)點(diǎn),當(dāng)其剛好與該點(diǎn)重合時(shí),記下檢偏鏡的旋轉(zhuǎn)角度θ1,按式(1)計(jì)算被測(cè)點(diǎn)的條紋級(jí)數(shù);如果與被測(cè)點(diǎn)相鄰的n+1級(jí)條紋移動(dòng)到被測(cè)點(diǎn),而相應(yīng)的偏振鏡轉(zhuǎn)角為θ2,則按式(2)計(jì)算被測(cè)點(diǎn)的條紋級(jí)數(shù)。

(3)條紋值計(jì)算:

式中:P為載荷;D為圓盤直徑;n為圓盤中心點(diǎn)條紋級(jí)次;nk為被測(cè)點(diǎn)條紋級(jí)次。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 載荷的選取對(duì)條紋級(jí)次的影響

實(shí)驗(yàn)以20N為單位載荷遞增選取了四組載荷,溫度分別選取了常溫、110,150,160℃四點(diǎn)對(duì)條紋進(jìn)行了觀察,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 PC材料不同溫度下變載荷加載條紋級(jí)次變化曲線Fig.1 The fringe orders curve of PC at different temperatures and loading states

由圖1可以看出:載荷一定時(shí),隨著溫度的升高,條紋級(jí)次也隨之增加;溫度一定時(shí),隨著載荷的升高,條紋級(jí)次隨之增加,直至載荷超出材料的承載極限; 20N的載荷下,實(shí)驗(yàn)溫度低于110℃時(shí),條紋不可分辨;80N的載荷下,實(shí)驗(yàn)溫度高于140℃時(shí),條紋非常密集;40,60N的載荷下,整個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度區(qū)間內(nèi),條紋級(jí)次比較理想。

通過以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知:PC受載后條紋信息豐富,高溫區(qū)條紋過于密集、級(jí)次難以分辨,不利于熱光曲線的實(shí)測(cè)與條紋值的計(jì)算。這是由于隨著溫度的升高,分子鏈的運(yùn)動(dòng)更加自由,對(duì)光學(xué)的敏感性進(jìn)一步提高,由應(yīng)力引起的暫時(shí)雙折射現(xiàn)象更加明顯,反映在條紋圖上即是條紋級(jí)次的增加。所以對(duì)PC材料的加載載荷應(yīng)以低載荷加載為原則,在常溫區(qū)保證中心點(diǎn)條紋級(jí)次在1～2級(jí)之間即可,在160℃左右的溫度區(qū)間,中心點(diǎn)條紋級(jí)次在4級(jí)左右。因此,根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,最終確定加載載荷為40N。

2.2 應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間對(duì)條紋級(jí)次的影響

聚碳酸酯是典型的非結(jié)晶高聚物,當(dāng)受到外力作用時(shí),它達(dá)到對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量需要一定的時(shí)間。選取載荷40N,實(shí)驗(yàn)溫度150℃,觀察記錄不同實(shí)驗(yàn)時(shí)間的條紋圖,結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出,在一定時(shí)間內(nèi),中心點(diǎn)條紋級(jí)次隨著受載時(shí)間的延長(zhǎng)而升高;當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到最大時(shí),級(jí)次趨于穩(wěn)定,級(jí)次穩(wěn)定所需時(shí)間取決于材料的應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間,表1為PC材料受載不同時(shí)間,圓盤中心點(diǎn)的條紋級(jí)次。

由表1數(shù)據(jù)可以看出,聚碳酸酯材料的應(yīng)變量在受力后3min內(nèi)變化較大,隨后,條紋級(jí)次基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),僅有0.1級(jí)左右的波動(dòng),考慮到讀數(shù)誤差的影響,可視為此時(shí)的條紋級(jí)次已經(jīng)穩(wěn)定。因此,在加載3m in后基本可以確定條紋級(jí)次。

圖2 PC不同加載時(shí)間的條紋圖 (a)1m in;(b)3min;(c)5min;(d)10minFig.2 The fringe patterns of PC in different loading time state (a)1min;(b)3min;(c)5min;(d)10min

表1 PC材料在同一載荷下不同時(shí)間對(duì)應(yīng)的中心點(diǎn)條紋級(jí)次Table 1 The central fringe order of PC in the same loading state at different time

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是材料在外力的作用下發(fā)生宏觀變形時(shí),其內(nèi)部分子間以及分子內(nèi)各原子間的相對(duì)位置和距離發(fā)生變化,產(chǎn)生的原子間及分子之間附加的內(nèi)力,抵抗著外力,并力圖恢復(fù)到變化前的狀態(tài);這種微觀的分子運(yùn)動(dòng),宏觀就表現(xiàn)為材料的應(yīng)變,材料的光學(xué)性能也隨之變化,當(dāng)二者達(dá)到平衡時(shí),附加內(nèi)力與外力大小相等,方向相反,此時(shí)應(yīng)變量達(dá)到最大,光學(xué)性能也處于暫穩(wěn)態(tài)。

2.3 加載方向?qū)l紋圖的影響

PC沿任意方向加載,條紋圖具有很強(qiáng)的方向性,圖3為加載方向與標(biāo)定徑向夾角分別為22.5,45, 6715,90°時(shí)加載的PC材料條紋圖。

圖3 PC材料沿不同方向加載的受力條紋圖 (a)22.5°;(b)45°;(c)67.5°;(d)90°Fig.3 The fringe patternsof PC in different loading directions (a)22.5°;(b)45°;(c)67.5°;(d)90°

由圖3可知,對(duì)于擠出成型的PC材料來說,沿著不同方向加載,會(huì)出現(xiàn)不同方向的條紋信息,并且這些不規(guī)則的條紋信息不具有可讀性。

產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是實(shí)驗(yàn)中選用的PC材料是經(jīng)過擠出成型而制成的,對(duì)于擠出成型的高聚物制品來說,在口模處對(duì)分子鏈以及鏈段造成了一種拉伸效應(yīng)。而且這種拉伸屬于單軸拉伸,由高分子物理學(xué)可知:單軸取向的結(jié)果是分子鏈只在板材平面的某一個(gè)方向上取向平行排列,取向方向上的原子間主要以化學(xué)鍵形式連接,而在垂直于取向方向則是范德華力,因此,取向方向與垂直于取向方向?qū)獾恼凵湫?yīng)會(huì)有很大的差別,光力學(xué)特性會(huì)因此明顯改變。

理論上認(rèn)為沿任意方向加載中心點(diǎn)的條紋級(jí)次都是相同的;此特性對(duì)PC材料的應(yīng)力實(shí)測(cè)沒有影響,特別是在數(shù)字光彈法中,條紋圖的采集處理由計(jì)算機(jī)來完成,級(jí)次的判讀是根據(jù)圖像的灰度值來決定[4],而與是否呈現(xiàn)規(guī)則的條紋圖無關(guān)。但是作為一種實(shí)驗(yàn)方法,無法根據(jù)非規(guī)則的條紋圖進(jìn)行中心點(diǎn)條紋級(jí)次的讀數(shù),所以在進(jìn)行熱光曲線實(shí)驗(yàn)前必須對(duì)PC的加載方向進(jìn)行標(biāo)定,以得到類似圖3(d)所示的條紋為標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 聚碳酸酯的熱光曲線

加工PC圓盤,直徑40mm,選取載荷40N,對(duì)不同溫度下的條紋級(jí)次進(jìn)行測(cè)量。圖4即是聚碳酸酯條紋級(jí)次隨溫度變化的熱光曲線。

由圖4可以看出,PC材料在低于130℃時(shí),條紋級(jí)次隨溫度的變化不大;在130～160℃溫度區(qū)間,隨著溫度升高,條紋級(jí)次迅速升高。這些變化趨勢(shì)與該材料由玻璃態(tài)向黏流態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度2形變規(guī)律是完全對(duì)應(yīng)的。如圖5所示,隨著溫度的升高,在聚碳酸酯由于大分子鏈段排列的變化而發(fā)生明顯形變的同時(shí),光折射特性也因此發(fā)生變化。

圖5 聚碳酸酯材料的溫度2形變曲線Fig.5 Thermo2mechanical curve of polycarbonate p lates

由圖4數(shù)據(jù),可以獲得在各個(gè)溫度下的材料條紋值,這對(duì)于計(jì)算不同溫度梯度場(chǎng)中座艙透明件的成型應(yīng)力是非常必要的。根據(jù)條紋值的計(jì)算公式可以得出聚碳酸酯材料在常溫下的條紋值為75.2N/條×cm。

3 結(jié)論

(1)PC是一種光彈性敏感材料,僅需要40N的載荷即可出現(xiàn)理想的條紋級(jí)次。

(2)PC的應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間對(duì)于條紋級(jí)次的判讀有一定的影響,在選定載荷下,條紋級(jí)次達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間最少為3min。

(3)擠出成型PC板材條紋圖對(duì)加載方向有選擇性,雖然這對(duì)條紋圖的級(jí)次數(shù)據(jù)無影響,但為方便讀數(shù),規(guī)范實(shí)驗(yàn)方法,仍然需要對(duì)加載方向作出合理的選擇,以便呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的條紋圖。

(4)PC的熱光曲線與其溫度2形變曲線的變化規(guī)律是一致的。

[1] 中國(guó)航空材料手冊(cè)編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)第七卷[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

[2] JAM ESW DALLY,W ILL IAM F RILEY.Experimental Stress Analysis[M].New Yo rk:M cGraw2Hill,1978.235-336.

[3] 佟景偉,伍洪澤.實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析[M].長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,1983.185-243.

[4] RAM ESH K,PRAMOD B R.Digital image p rocessing of fringe patterns in photomechanics[J].Optical Engineering,1992,31: 1478-1498.

Stress2fringe Info rmation of Transparent Polycarbonate Plates

ZHANGBo,L ILei

(Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

The heat2op tical curve and stress2f ringe info rmation of polycarbonate(PC)materials w ere studied by adop ting Tardy compensation method.Several p roblem s were discussed based on the phe2 nomenon of fringe o rder in different loading state.The results show that PC just needs small loads to p rovide the ideal fringe order.The loading time has big influence on the fringe order.There is only one regular fringe pattern in different loading direction of PC w hich p roduced by extrusion molding. The“f”isobtained accurately,w hich is essential data to the calculation for the stress in digital photo elasticity method.

polycarbonate;heat2op tical curve;digital photo elasticity;Tardy compensation

TG115.5

A

100124381(2010)0520038203

2009204216;

2010203203

張博(1983—),男,碩士,研究方向?yàn)橥该鞑牧闲阅芗皺z測(cè)技術(shù)研究,聯(lián)系地址:北京市81信箱9分箱(100095),E2mail:zhang2 bo1117@163.com