材料知道如何 | 7分钟阅读

温度的影响

我们使用的聚合物遵循与人体相同的原理:环境越热,我们预期的性能就越差。
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一年四到五次,我喜欢在大峡谷远足。任何做这种事情的人都发现,从春季到夏季,从河到边缘的10英里的上升比在夏天中期更容易完成。事实证明,将身体置于巨大压力下时,身体状况良好的机会会受到温度的影响。

我们使用的聚合物遵循相同的原理。环境温度越高,我们可以预期的性能就越差。

经过经典材料培训的工程师都知道金属。因此,它们习惯于一定程度的确定性,其中涉及聚合物无法提供的温度依赖性行为。即使是性能相对较低的金属(例如铝),在室温至250-300之间也具有基本相同的机械性能°C,甚至在接近熔点时,保留率也可高达室温性能的80%。对于熔点较高的材料,例如铜,黄铜和钢,此一致性级别甚至更好。金属物质的组成部分很小,并且易于组织成定义明确且可预测的晶体结构,这有助于确定性。

聚合物不是这种情况。构成聚合物材料的单个分子非常大,并具有延伸的链状形状,从而导致缠结结构。这种纠缠在某些方面是有益的。大多数聚合物表现出的相对较高的伸长率而不会断裂,这在很大程度上是由于链缠结。但是,这种缠结也限制了在分子水平上组织成晶体所需的自由度。因此,在正常加工条件下没有聚合物是完全结晶的,并且某些聚合物不会结晶到任何明显的程度。

温度变化

缺乏可预测和可重复的结构会导致温度变化始终影响这些材料的机械性能的情况。可以通过在各种温度下对任何给定材料执行机械测试来捕获此现象。在很宽的温度范围内捕获材料的承重特性的最简单方法之一就是采用一种称为 动态力学分析(DMA)。这种技术可以测量聚合物行为的许多方面,因此整本书都专门讨论了该主题。但是,出于我们的目的,我们可以集中在一个小方面:测量材料的弹性模量随温度变化的能力。

Fig.1 提供了两种众所周知且常用的聚合物的模量与温度关系图;尼龙6和聚碳酸酯(PC)。两种测试材料均未增强。尼龙6是半结晶聚合物,而PC是非晶态聚合物,此处显示的结果代表这两类材料的典型性能。在室温下,两种材料的弹性模量与数据表中引用的拉伸模量一致,在2-3%之内。但是,尽管大多数数据表几乎没有提供关于温度对性能影响的信息,但是, Fig. 1 给出两种材料的温度相关行为的完整图。

非晶态PC仅表现出一种转变温度,称为玻璃化转变温度(Tg)。这代表了各个聚合物链在分子水平上变得足够可移动以独立移动的温度,尽管它们仍然纠缠在一起。从结构上讲,此事件可以比喻为软化温度,并且出于工程目的,该材料在通过此过渡时会失去所有的承重特性。在室温和玻璃化转变的开始之间,PC的模量相对一致,在室温和135之间下降约20%。°C,恰好与 负载挠曲温度(DTUL) 大多数数据表中都提供了该信息。但是,在室温和DTUL之间,大多数数据表几乎没有提供有关温度对承重能力影响的指导。

半结晶 Nylon 6

半结晶尼龙6的行为与无定形PC的行为有所不同。尼龙6之所以称为半晶体,是因为与该类所有聚合物一样,它由晶体区域和非晶区域的结构混合物组成。随着温度升高,非晶区变得可移动,并且玻璃化转变再次表明了这种迁移率。这发生在50°C 和 100°C,中点在70-75附近 °,因此模量下降到其室温值的约20%。但是由于存在晶体结构,它不会像PC那样降至零。

这种有组织的结构降低了性能水平,该性能水平一直保持到温度上升到尼龙晶体的熔点或大约220-225为止°C.所有无定形聚合物的温度响应均与PC相似。各种无定形聚合物(例如ABS,PVC,PC和聚砜)之间的唯一区别是玻璃化温度。尼龙6作为所有半结晶聚合物的温度相关行为的模型。半结晶聚合物之间的区别特征包括玻璃化转变温度,熔点以及与玻璃化转变有关的模量下降程度。对于大多数未填充的半结晶聚合物,此下降将为Tg模量前的60-90%。

聚合物结构越结晶,通过Tg的模量下降越小。

需要强调的是,Tg和熔点(Tm)是每种聚合物的基本性能。我们可以通过添加填料和增强剂来降低Tg对半结晶聚合物的弹性模量的影响。在低于Tg的温度下,我们可以在非晶态聚合物中获得类似的好处。但是,转变温度不变。 Tg(对于无定形聚合物)和Tm(对于半结晶聚合物)代表了即使在很短的时间范围内,聚合物也可以在应用环境中运行的上限。在这种情况下,可以在数分钟而不是数小时,数天或数周内定义简短。

应力-应变曲线

尽管DMA提供了模量行为随温度变化的完整图谱,但它并没有告诉我们有关材料的实际强度。为此,我们需要参考应力-应变曲线,并检查应力和应变之间的关系作为温度变化的函数(请参见 Fig. 2 比较43%玻璃纤维增​​强尼龙66的曲线)。

尽管事实上该混合物中几乎有一半是由非聚合玻璃纤维组成的,但应力-应变曲线的形状却发生了显着变化。通常,强度和刚度随温度升高而降低,而断裂伸长率(延展性的良好相对指标)则增加。尽管所有这三个曲线都相对接近室温,但与数据表上提供的值相比,材料的性能下降了很多。在85岁°C该材料的屈服强度小于数据表中列出的室温值的60%。

此外,数据表仅讨论曲线上的特定点。屈服应力和应变代表应力-应变曲线的连续体上的单个坐标,模量只是该曲线在两个量成比例的区域中的斜率。

为了准确地建模材料的结构行为,重要的是要知道施加温度下的应力-应变曲线的形状。这包括曲线上应力与应变之间的关系变为非线性的点;所谓比例极限。尽管大多数热塑性塑料的屈服应变通常在3%到10%的范围内,但比例极限下的应变很少超过1%,而对于许多材料,应变率小于0.5%。

六十年前,塑料通常被认为是木材,金属和玻璃的廉价替代品。他们所服务的市场通常对材料的承重方面没有明显的要求,而温度变化的影响却很少。但是,如今,塑料材料已用于各种苛刻的应用环境中,在这些应用环境中,期望在很宽的温度范围内保持较高的可靠性。我们对这些材料的性能的了解必须赶上这些要求。下个月我们将讨论 时间应变率,这是对理解聚合物的机械性能至关重要的第二个因素的两个方面。

关于作者

麦可 Sepe is an independent, global materials 和 processing consultant whose company, 麦可 P. Sepe 有限责任公司位于亚利桑那州的塞多纳。他在塑料行业拥有40多年的经验,并协助客户选择材料, manufacturability, 流程优化,故障排除和故障分析。联络号码:928-203-0408• [email protected].

 

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