非金屬材料球壓試驗及測量不確定度評定

摘 要：文章介紹了非金屬材料球壓試驗方法，具體對非金屬材料球壓試驗的測量依據(jù)標準和試驗過程進行了介紹，就其中影響非金屬材料球壓試驗以及測量不確定度值最為關鍵的測量儀器、測量人員兩個因素進行了計算和評定，并計算合成出了標準不確定度及擴展不確定度等值，從而最終評定出非金屬材料球壓試驗的測量結(jié)果。

關鍵詞：非金屬材料；球壓試驗；測量不確定度評定

引言

非金屬材料各種性能對溫度承受的能力都有一定界限。如在強高溫下，非金屬材料的電氣性能、機械強度及硬度等性能極容易被影響，從而失去其原有的特性。尤其當非金屬材料所處溫度遠遠超過正?？刂品秶鷷r，有些產(chǎn)品的絕緣特性有可能逐漸被瓦解，甚至可能完全喪失殆盡，最終被高溫軟化或完全融化成液態(tài)糊狀。往往日常生活中的一系列火災、觸電等安全事故都是因非金屬材料因所處溫度太高，導致其自身固有的機械強度、硬度以及電器性能等逐漸喪失而引發(fā)的。目前，我國衡量非金屬材料耐熱性能最主要的方法之一就是進行球壓試驗。為此，文章力圖對非金屬材料進行球壓試驗，以及測量不確定度評定來論證非金屬材料的生產(chǎn)是否合乎國家安全生產(chǎn)標準，從而保障好人們的日常安全。

1 實驗依據(jù)的標準和試驗過程

此次球壓試驗的依據(jù)標準有GB/T5169.21-2006《電工電子產(chǎn)品著火危險試驗第21部分：非正常熱球壓試驗》中對非金屬材料耐熱性球壓試驗的規(guī)定。試驗過程：（1）試驗前將被試樣片在溫度20～35℃之間，相對濕度50～75%之間的恒溫恒濕裝置內(nèi)至少放置24h。（2）球壓置于烘箱中，烘箱溫度設為80±2℃，在此狀態(tài)下穩(wěn)定24h或達到熱平衡，取二者間小者。（3）從恒溫恒濕箱內(nèi)取出樣片，置于球壓裝置中，保持表面水平，并向被試樣片表面施加20N的壓力，烘箱溫度保持80±2℃，時間60±2min。（4）把球壓裝置從烘箱移開，取出被試樣片，浸入到水溫為20±5℃的水中2～5s，冷卻6±2mim后從烘箱取出，在2～3min內(nèi)測量由球面引起的壓痕直徑，并如實做好記錄。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 評定條件和方法

據(jù)研究，影響壓痕直徑評定的因素主要有：測量儀器、測量人員、材料的材質(zhì)、溫度、材料厚度等。本次測量人員是由專業(yè)知識扎實，儀器設備使用熟練、科學，以及測量經(jīng)驗豐富、高效的試驗人員進行測定。本次采用的測試樣品是無色條狀的聚碳酸酯樣片，標稱尺寸讀取為80×40mm的長度，厚度則為3.0mm且可切割。本次球壓轉(zhuǎn)置所使用的鋼珠球直徑為5mm，將模擬一定條件下的強高溫環(huán)境，并對試驗樣品施加一個垂直其水平表面的20N的壓力，1小時后使用測量儀器觀察鋼珠壓力球在無色透明聚碳酸酯樣片表面的壓痕直徑大小，同時計算出其測量不確定度值，最終評定出非金屬材料聚碳酸酯樣片在強高溫性能的變化。

2.2 測量儀器引入的不確定度

測量儀器是由制造商標注為PEAK，型號規(guī)格2034-20的測量顯微鏡。該款顯微鏡刻度放大倍數(shù)為20倍，能清晰確定壓痕尺距；根據(jù)廠商提供的校準證書不確定度標明為U=0.01mm，k=2的包含因子以及95%置信水平，適用測量不確定度B類方法進行評定。

根據(jù)擴展不確定度U=0.01mm，包含因子k=2，計算出標準不確定度：

UE1=0.01/2=0.005mm

2.3 測量人員測量引起的標準不確定度

在滿足重復性條件下，按照以往的球壓試驗經(jīng)驗，對人員測量的不確定度評定采用A類不確定度方法分量。人員測量不確定度誤差主要是因測量時多次調(diào)焦以及頻繁十字線卡邊界時導致，因此要求在同等條件下多次測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計評定。本次試驗選擇同一材料，按照標準要求切割為10個樣品，讀取數(shù)據(jù)測量，得到如下數(shù)值：0.882，0.857，0.872，0.843，0.860，0.872，0.855，0.857，0.864，0.862（單位mm）。

10次獨立測量數(shù)據(jù)平均值計算為：X=0.862

由貝塞爾公式可得：s==0.011mm

實際工作中，要求每個樣品各測量3次取平均值，由以上條件得出人員測量引起的標準不確定度為：

UE2=S/3=0.004mm

3 試驗數(shù)據(jù)的討論

由于測量顯微鏡儀器與測量人員不確定度等兩個不確定度分量不存在相關性，故兩者測量讀取數(shù)據(jù)的合成標準不確定度計算為：

Uc=（UE12+UE22）1/2=0.00640mm

合成標準不確定度可估計為正態(tài)分布，取包含因子k=2，對應于包含概率約為95%的壓痕直徑測量的擴展標準不確定度計算為：

U（d）=Uc×k=0.013mm

本次非金屬材料聚碳酸酯樣片球壓試驗結(jié)果通過壓痕直徑d的顯微鏡測量結(jié)果來進行評定，本次壓痕直徑的測量結(jié)果由10次不同方向測量數(shù)據(jù)計算平均值給出：

d=1.76<2mm

通過以上球壓試驗壓痕直徑測量結(jié)果不確定度的分析、計算表明，影響非金屬材料球壓試驗結(jié)果的兩個主要因素是測量人員和測量儀器。然而，經(jīng)過最終分析，影響測量結(jié)果不確定度的因素主要是測量人員對樣片的重復性讀取誤差以及顯微鏡刻度誤差所導致。因此，注重規(guī)范對球壓試驗儀器的操作和人員的操作，對于球壓試驗有科學性指導意義。必要時可加強對試驗人員試驗操作培訓和相應的練習，以減小球壓直徑測量結(jié)果的不確定度，從而提高非金屬材料耐熱性能評定的精確度。

4 結(jié)束語

對非金屬材料進行球壓試驗，如測量數(shù)值經(jīng)評定后在科學合理范圍內(nèi)，則說明此非金屬材料合乎國家安全生產(chǎn)標準，其在異常高溫下不會因電壓問題導致性能改變，以及引起火災等危險事故。雖然球壓試驗看上去形式簡單，環(huán)節(jié)不多，然而要得出一個科學、有效的試驗測試結(jié)果必須要做到嚴格按照實驗標準，謹遵實驗步驟，徹

底避免試驗過程的任何失誤，以確保試驗完滿成功。

參考文獻

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