有機(jī)玻璃的力學(xué)特性及發(fā)展前景

王友明

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，許多高分子化合物走入我們的生活當(dāng)中，其中，有機(jī)玻璃作為近年來一種新型熱塑性塑料制品在生產(chǎn)生活方面得到廣泛關(guān)注，本文根據(jù)有機(jī)玻璃的粘彈性理論以及屈服應(yīng)力和模量之間的關(guān)系結(jié)合準(zhǔn)靜態(tài)以及斷裂實(shí)驗(yàn)對(duì)有機(jī)玻璃的力學(xué)性能進(jìn)行了分析研究，并對(duì)目前以及未來可能涉足的有機(jī)玻璃的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：有機(jī)玻璃；粘彈性；屈服應(yīng)力

一、有機(jī)玻璃的定義及應(yīng)用范圍

有機(jī)玻璃本身是由甲基丙烯酸甲酯聚合而形成的一種高分子化合物，本質(zhì)是一種較早開發(fā)的帶有熱塑性能的塑料。有機(jī)玻璃制品被人們習(xí)慣稱之為亞克力。因?yàn)樯a(chǎn)使用當(dāng)中的不同需求有機(jī)玻璃可以細(xì)化為無色透明有機(jī)玻璃，壓花有機(jī)玻璃以及珠光有機(jī)玻璃等不同類別。有機(jī)玻璃因其優(yōu)良先進(jìn)的制作方法以及本身材料構(gòu)成的屬性致使有機(jī)玻璃具有較為穩(wěn)定的化學(xué)性能和力學(xué)性能，相較于玻璃制品它也具有優(yōu)良的透明性，并且更容易加工和染色，外觀更為華麗優(yōu)美的優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)玻璃傳統(tǒng)玻璃制品而言它質(zhì)量更輕，抗破碎性能好并且耐老性也比較突出。目前有機(jī)玻璃的使用范圍逐漸涵蓋了建筑業(yè)、生物醫(yī)學(xué)專業(yè)以及航空航天專業(yè)等領(lǐng)域。其中在航空航天領(lǐng)域的運(yùn)用較為普遍。例如運(yùn)用有機(jī)玻璃突出的力學(xué)性能作為飛機(jī)艙蓋以及擋風(fēng)玻璃的材料。

二、有機(jī)玻璃的力學(xué)性能

有機(jī)玻璃的熱變形溫度一般為90℃～100℃，在有機(jī)玻璃加熱過程中，它自身分子間相互作用力會(huì)有所減弱，從而導(dǎo)致材料變軟，在溫度高于200℃后材料會(huì)融化為粘性液體，溫度降低的過程中材料會(huì)重新凝固成固體狀態(tài)。因?yàn)檫@個(gè)可循環(huán)的過程所以這種材料可以進(jìn)行熱塑性加工。有機(jī)玻璃的力學(xué)性能表現(xiàn)與外界溫度，加載的速率以及負(fù)荷時(shí)間有較為明顯的關(guān)系。在常溫下以及凍結(jié)的溫度條件下分別對(duì)有機(jī)玻璃試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，測出兩種不同溫度條件下有機(jī)玻璃試件的彈性模量、屈服極限以及泊松比等。表中數(shù)據(jù)含義分別是：代表壓縮狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度，而代表壓縮狀態(tài)下的強(qiáng)度極限值。和分別代表拉伸狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度以及強(qiáng)度極限，E是材料的彈性模量。以及分別代表材料的伸長率、收縮率以及材料在塑性狀態(tài)下的泊松比。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以表明在凍結(jié)溫度下有機(jī)玻璃表現(xiàn)出額很好的塑性。有機(jī)玻璃力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表1所示。

有機(jī)玻璃在上述實(shí)驗(yàn)過程中表現(xiàn)出了力學(xué)性能方面的彈性，在應(yīng)力松弛、蠕變、應(yīng)變率敏感以及蠕變等方面有所體現(xiàn)。有機(jī)玻璃在溫度上升狀態(tài)下會(huì)存在玻璃態(tài)方面的轉(zhuǎn)化，在達(dá)到上述轉(zhuǎn)化溫度后，有機(jī)玻璃開始出現(xiàn)由玻璃態(tài)向橡膠態(tài)的轉(zhuǎn)化。

目前我國對(duì)有機(jī)玻璃力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的研究依據(jù)材料理論除了進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)以外，還根據(jù)不同的應(yīng)變率與不同溫度之間的關(guān)系得到材料的屈服特性以及各模量的特性。通過上述試驗(yàn)，結(jié)果表明：（1）準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)以及拉伸實(shí)驗(yàn)過程中。1.有機(jī)玻璃具備明顯的應(yīng)變率敏感性，在應(yīng)變率增大的情況下有機(jī)玻璃的強(qiáng)度以及初始模量也開始增大。2.在對(duì)有機(jī)玻璃分別使用有套管和無套管狀況下的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，套管對(duì)試驗(yàn)材料的徑向變形進(jìn)行了限制。實(shí)驗(yàn)中套管的壓力值是在有無套管兩種情況下軸立應(yīng)力之間的差值，我們?cè)诳紤]管套和試件之間摩擦值的前提下通過管套外的應(yīng)變值得到應(yīng)變和管套壓力值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，借此推算出套管的壓力。結(jié)果表明套管的壓力值變化較小，影響因素較大的值仍然是溫度。（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)中斷裂擴(kuò)展以及疲勞的分析研究中可以得出。1.在對(duì)有機(jī)玻璃采用拉伸裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)對(duì)失效應(yīng)力以及裂紋的長度進(jìn)行了觀測，通過實(shí)驗(yàn)可以看到材料的淺切口具有更快的分裂速度。2.在對(duì)有機(jī)玻璃進(jìn)行不同溫度條件下的拉伸至斷裂的實(shí)驗(yàn)過程中可知，隨著不同狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)溫度的升高材料的斷裂伸長率以及拉伸長度分別呈現(xiàn)增加和降低兩種狀態(tài)，材料在高溫狀態(tài)下其表面顯示韌性的特征，材料的結(jié)構(gòu)以及斷裂特征與溫度之間有密切的關(guān)聯(lián)。3.在對(duì)有機(jī)玻璃的尖槽式切口圓盤狀試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)過程中得出材料的斷裂韌度與和加載速率之間成正比關(guān)系，而斷口的寬度與之呈反比關(guān)系。4.在對(duì)不同溫度下的有機(jī)玻璃的疲勞試驗(yàn)當(dāng)中可以得出，疲勞強(qiáng)度隨著溫度的升高逐漸降低，通過材料的疲勞使用壽命計(jì)算方程可以對(duì)材料應(yīng)變的增長規(guī)律進(jìn)行分析。5.在對(duì)有機(jī)玻璃進(jìn)行穿孔實(shí)驗(yàn)、壓縮實(shí)驗(yàn)以及單軸實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)有機(jī)玻璃在厚度方向具有較高的強(qiáng)度以及硬度，定向較之非定向具有較高的斷裂韌性，切口的敏感性以及強(qiáng)度也較低。（3）在對(duì)材料的蠕變實(shí)驗(yàn)過程中可以看到，有機(jī)玻璃在不同溫度以及不同荷載情況下進(jìn)行單向拉伸蠕變的實(shí)驗(yàn)，在溫度恒定的條件下，材料的斷裂時(shí)間縮短，蠕變速率變快并且蠕變的斷裂伸長量也隨之增大。而在應(yīng)力恒定的情況下，隨著溫度的升高，蠕變速率逐漸變快。

三、有機(jī)玻璃的發(fā)展前景

作為一種高分子塑料制品，有機(jī)玻璃因其自身質(zhì)量較輕、外觀優(yōu)美等特點(diǎn)在各行業(yè)當(dāng)中廣泛應(yīng)用。例如建筑行業(yè)當(dāng)中將有機(jī)玻璃制品廣泛應(yīng)用于棚頂、樓梯以及采光體等部位。隨著城市的現(xiàn)代化日益增強(qiáng)，城市內(nèi)如飯店、加油站以及高檔住宅當(dāng)中采光體的大量使用。得益于有機(jī)玻璃的價(jià)格低廉且易加工的特點(diǎn)有機(jī)玻璃制品開始越來越貼近于人們生活，與人們生活關(guān)系越發(fā)的密切。（1）亞克力制品在衛(wèi)浴領(lǐng)域得到關(guān)注，作為傳統(tǒng)衛(wèi)浴制品陶瓷的替代品，亞克力具有更為明顯的優(yōu)勢，相較于傳統(tǒng)陶瓷亞克力制品具有更好的光亮度并且它的質(zhì)地相對(duì)較為柔和，可以生產(chǎn)的款式更為多樣精美并且經(jīng)久耐用更為環(huán)保。（2）有機(jī)玻璃制品本身具有較好的透光性，對(duì)人體無毒并且容易加工等特點(diǎn)科學(xué)家開始將其加工制作成為眼角膜已在臨床中廣泛使用。（3）有機(jī)玻璃制品的顯示器開始在LED等背面投屏電視中廣泛使用，有機(jī)玻璃具有質(zhì)量輕且剛性較低易于彎曲的特點(diǎn)，因此成為取代玻璃的最佳材料。（4）有機(jī)玻璃的高透明性以及容易著色的特點(diǎn)使其在室內(nèi)裝飾、招牌以及燈飾當(dāng)中廣泛應(yīng)用，將有機(jī)玻璃切割成一定的形狀后在平面上進(jìn)行粘貼，或者是通過將有機(jī)玻璃加熱后，在磨具當(dāng)中進(jìn)行壓制成型，通過這種方式制作出的工藝品線條流暢，立體感強(qiáng)，具有浮雕的藝術(shù)感。

結(jié)論

目前，美日兩國在法律中強(qiáng)制規(guī)定中小學(xué)以及幼兒園建筑必須采用有機(jī)玻璃，隨著我國法律的不斷完善這中要求也會(huì)應(yīng)運(yùn)而生，目前我國的城市化建設(shè)道路加快了步伐，在街頭標(biāo)志、燈箱、招牌以及廣告燈箱等也廣泛使用有機(jī)玻璃制品，可以預(yù)期有機(jī)玻璃的市場前景極為廣大。

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（作者單位：四川輕化工大學(xué)（原四川理工學(xué)院））