聚碳酸酯壓縮力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

穆磊金, 胡文軍, 陶俊林

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 四川綿陽621010；2.中國(guó)工程物理研究院， 四川綿陽621000)

聚碳酸酯壓縮力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

穆磊金1, 胡文軍2, 陶俊林1

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 四川綿陽621010；2.中國(guó)工程物理研究院， 四川綿陽621000)

聚碳酸酯(PC)是一類玻璃態(tài)非晶聚合物材料，由于其出色的耐熱和抗沖擊性能, 被廣泛地應(yīng)用于國(guó)防軍事和工業(yè)領(lǐng)域。為獲得聚碳酸酯的壓縮力學(xué)性能，采用MTS810材料實(shí)驗(yàn)機(jī)和分離式Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)聚碳酸酯進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，獲得了聚碳酸酯在10-4s-1～103s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變曲線，分析應(yīng)變率對(duì)聚碳酸酯屈服應(yīng)力的影響規(guī)律。結(jié)果表明：聚碳酸酯在壓縮時(shí)，隨著應(yīng)變率的增大屈服應(yīng)力逐漸增大，在不同應(yīng)變率范圍內(nèi)，屈服應(yīng)力與對(duì)數(shù)應(yīng)變率關(guān)系可以用二次函數(shù)和線性關(guān)系描述；與靜態(tài)壓縮相比，動(dòng)態(tài)壓縮軟化效應(yīng)減弱，而被隨后而至的強(qiáng)化效應(yīng)所取代，表明高應(yīng)變率下應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化存在競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)。

分離式霍普金森壓桿；力學(xué)性能；準(zhǔn)靜態(tài)壓縮；動(dòng)態(tài)壓縮；聚碳酸酯

引言

聚碳酸酯(PC)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、抗損傷等優(yōu)良的力學(xué)性能，尤其是耐沖擊性優(yōu)異，因此它們被廣泛地應(yīng)用于建材行業(yè)、醫(yī)療器械、電子電器、汽車制造業(yè)、航空航天等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，聚碳酸酯廣泛應(yīng)用于經(jīng)受高速?zèng)_擊荷載環(huán)境中，故對(duì)其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能有較高的要求?，F(xiàn)有對(duì)聚碳酸酯力學(xué)性能的研究主要有：孫朝翔等[1]利用分離式霍普金森壓桿技術(shù)對(duì)PC進(jìn)行高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)實(shí)驗(yàn)；Christmann A等[2]進(jìn)行了聚碳酸酯大應(yīng)變下的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)研究；Perez J M等[3]對(duì)溫度加速PC材料老化行為進(jìn)行了研究；馬新忠等[4]進(jìn)行了聚碳酸酯拉伸力學(xué)性能的應(yīng)變率相關(guān)性實(shí)驗(yàn)；付順強(qiáng)等[5]開展了聚碳酸酯的高應(yīng)變率拉伸實(shí)驗(yàn)；曹侃等[6-7]進(jìn)行了低溫下聚碳酸酯沖擊拉伸性能實(shí)驗(yàn)研究和在不同應(yīng)變率下聚碳酸酯的拉伸力學(xué)性能研究；蔣晶等[8]研究了注射壓縮成型聚碳酸酯的低溫拉伸力學(xué)性能；于鵬等[9-10]研究了聚碳酸酯類非晶聚合物力學(xué)性能及其本構(gòu)關(guān)系；胡文軍等[11-13]進(jìn)行了聚碳酸酯沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)研究與聚碳酸酯彈丸穿甲實(shí)驗(yàn)研究，并且研究了聚碳酸酯的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)以及屈服行為。由此可見，上述對(duì)聚碳酸酯力學(xué)性能研究的應(yīng)變率范圍相對(duì)較窄，因此進(jìn)行PC材料的在寬應(yīng)變率范圍內(nèi)的力學(xué)性能研究是很有必要的。

本研究采用MTS810材料實(shí)驗(yàn)機(jī)和分離式霍普金森壓桿(SHPB)對(duì)PC試樣在10-4s-1～103s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)的壓縮性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1試樣制備

壓縮實(shí)驗(yàn)所用試樣由PC棒料經(jīng)機(jī)械加工而成,準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)的試樣尺寸為Φ20 mm×20 mm，動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)的試樣尺寸為Φ20 mm×10 mm，實(shí)驗(yàn)前所有試樣在測(cè)試環(huán)境溫度下進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)48 h。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)在MTS810材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)采用SHPB裝置,子彈長(zhǎng)300 mm，入射桿、透射桿長(zhǎng)均為1260 mm，如圖1所示。SHPB實(shí)驗(yàn)得到的PC試件入射桿和透射桿上應(yīng)變片記錄的典型信號(hào)如圖2所示。

圖1SHPB裝置簡(jiǎn)圖

圖2波導(dǎo)桿上應(yīng)變片記錄的典型信號(hào)

1.3實(shí)驗(yàn)原理

SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在進(jìn)行材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求波導(dǎo)桿在實(shí)驗(yàn)過程中始終保持彈性，系統(tǒng)的主要假設(shè)是一維應(yīng)力假設(shè)，即試件與波導(dǎo)桿中應(yīng)力是一維的，只存在軸向應(yīng)力，這使應(yīng)力波在波導(dǎo)桿中的傳播滿足一維彈性應(yīng)力波理論。

根據(jù)安裝在波導(dǎo)桿上的應(yīng)變片記錄的應(yīng)變脈沖信號(hào)，由二波公式(1)～(3)計(jì)算出試樣上的應(yīng)變、應(yīng)變率和應(yīng)力[14-15]。

1)

(2)

(3)

其中：C0為波導(dǎo)桿的彈性縱波波速；E是波導(dǎo)桿的彈性模量；L是波導(dǎo)桿的橫截面積；L0試樣的長(zhǎng)度；As為試件的橫截面積；εi、εr和εt分別表示波導(dǎo)桿記錄到的入射脈沖、反射脈沖和透射脈沖。

2結(jié)果與討論

2.1PC材料的壓縮性能

對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得PC的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3PC材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

根據(jù)波導(dǎo)桿上的記錄信號(hào)，利用二波公式計(jì)算得到的PC應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4PC材料動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖3可知，在低應(yīng)變率下PC材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線有相似的形狀，但是隨著應(yīng)變率的增加，屈服應(yīng)力逐漸增大；由圖4可知，與靜態(tài)壓縮相比，動(dòng)態(tài)壓縮軟化效應(yīng)減弱，而被隨后而至的強(qiáng)化效應(yīng)所取代，表明高應(yīng)變率下應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化存在競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)。應(yīng)變率增加導(dǎo)致流動(dòng)應(yīng)力增大。動(dòng)態(tài)壓縮曲線明顯地分成了兩組，當(dāng)應(yīng)變率高于1387s-1時(shí)，PC材料的屈服應(yīng)力反而比應(yīng)變率低于1166s-1的屈服應(yīng)力小。這主要是由于隨著應(yīng)變率的增加，材料變形由等熱變形轉(zhuǎn)變?yōu)榻^熱變形，導(dǎo)致溫度要升高；另一方面，隨著溫度的升高，又會(huì)導(dǎo)致材料流變應(yīng)力的下降，所以，應(yīng)變率對(duì)流變應(yīng)力的影響在高分子材料中和溫度是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，必然存在一個(gè)臨界點(diǎn)。

2.2PC材料應(yīng)變率敏感性分析

為了研究PC材料的應(yīng)變率敏感性，現(xiàn)將應(yīng)變率為10-4s-1～10-1s-1與102s-1～103s-1下PC材料的屈服應(yīng)力值列于表1，并將此表的數(shù)據(jù)按應(yīng)變率的對(duì)數(shù)作為橫坐標(biāo)，屈服應(yīng)力作為縱坐標(biāo)繪成圖5所示曲線。

表1不同應(yīng)變率下PC的屈服應(yīng)力

圖5PC材料屈服應(yīng)力與對(duì)數(shù)應(yīng)變率的關(guān)系

由表1可知，隨著加載應(yīng)變率的提高，PC材料的屈服應(yīng)力值逐漸增大，表現(xiàn)對(duì)應(yīng)變率的敏感性。為了在較寬應(yīng)變率范圍內(nèi)獲得PC屈服應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和歸納最后可得出表達(dá)式(4)和(5)。

(4)

(5)

式(4)和式(5)能夠預(yù)測(cè)PC材料應(yīng)變率范圍在10-4s-1～103s-1范圍內(nèi)的屈服應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系。

3結(jié)論

(1) 通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得出，PC材料存在明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，即隨著加載應(yīng)變率的提高，應(yīng)力值逐漸增大。

(2)PC材料動(dòng)態(tài)壓縮的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)有所差異，主要表現(xiàn)在應(yīng)變軟化現(xiàn)象變?nèi)?。在研究?yīng)變率效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，PC在動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)，隨著應(yīng)變率的增大導(dǎo)致溫度升高，而溫度的升高又會(huì)引起流變應(yīng)力下降，所以，應(yīng)變率對(duì)流變應(yīng)力的影響在高分子材料中和溫度是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，必然存在一個(gè)臨界點(diǎn)。

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Research on Compression Mechanical Properties of Polycarbonate

MULeijin1,HUWenjun2,TAOJunlin1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China;2.China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621000,China)

Polycarbonate (PC) is a kind of glassy amorphous polymer material, which has been widely used in the field of national defense military and industrial areas because of its excellent heat resistance and impact resistance. For the compression mechanical properties of polycarbonate, MTS810 material testing machine and SHPB experiments were carried out by the apparatus of the quasi-static compression test and dynamic test of polycarbonate. The stress-strain curves of polycarbonate in the strain range of 10-4s-1to 103s-1were obtained, and the effect of strain rate on the yield stress was analyzed. The results show that the polycarbonate in compression, with the increase of strain rate of yield stress increaseing at different strain rate range, yield stress and logarithmic strain rate can be described by quadratic function and linear relationship; compared with the static compression, dynamic compression softening effect was weakened, and the strengthening effect was followed by instead, indicating the existence of competition trend of softening and strain hardening at high strain rate and strain.

split Hopkinson pressure bar; mechanical property; quasi-static compression；dynamic compression; polyethylene

2017-02-17

國(guó)家自然科學(xué)基金(11272300)

穆磊金(1990-),男,陜西咸陽人,碩士生,主要從事高分子材料的力學(xué)性能方面的研究,(E-mail)leijinmu@163.com; 胡文軍(1966-),男,重慶人,研究員,博士,主要從事材料力學(xué)行為方面的研究,(E-mail)wjhu@vip.sina.com

1673-1549(2017)02-0049-04

10.11863/j.suse.2017.02.10

O341;TB301

A