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高分子材料服役寿命预测的探讨


日期:2018/8/9 8:40:30    来源:赛宝可靠性(赛宝刘滨)    点击数(0)

材料是各种分子或者原子间物理和化学性能以及作用关系的综合,任何物质的性能都是该物质内分子运动的反映,评价材料需要我们不仅关法注到其静态的性能,更需要动态地评价其性能随时间的发展变化。对材料服役时间的就是我们对材料性能参数随时间发展变化规律的理解和把握。

1 一般材料的性能特点

材料从外界看起来表现出各种不同的宏观性能。如形形色色的颜色,由其原子中的核外电子对不同频率光子的选择性吸收产生。再如,静态下观察,有些材料硬,有些软,与分子间作用力、分子密集程度,以及是否有规律排列的结品体等因素有关,随观测时间的延长,硬的材料在长时间的观察尺度内,表现出来也是软,软的材料在短期的观察尺度内,表现出来是硬的。还与温度有关,同种材料,高温分子运动快,表现软,低温分子运动慢,变现硬,温度作用原理也是加快或减缓时间,我们学过物理学中的阿伦尼乌斯方程,与时温等效原理相通。因此材料的宏观性能与观测时间及温度密切相关。

材料表现出的性能差异源自分子结构及分子聚集状态的差別。从分子尺度来看材料,能看到点状的质子,很长的线型如高分子链,平面分子如单层石烯的分子结构,还有较大空间结构的立体分子如蛋白质,高分子材料的立体空间网状结构等等,点、线、面、体的不同分子结构使材料有不同特性。金属原子排列紧密有序,密度高质地硬。高分子材料则因分子链的伸缩和网状缠结而具有高拉伸率,也因为密集的缠结使得分子间和分子内的摩导致内耗大,如汽车高速转动橡胶轮胎温度会升很高就是橡胶分子之间及橡胶分子与填料之间的摩擦所致,无机非材料如陶瓷的强力的化学键及结晶等因素使得分子状态相当稳定,其材料性能稳定。因此材料性能与分子和分子聚集状态关系密切。

2  高分子材料性能特点的不同之处

高分子材料分子链长,因为复杂的内在分子结构、多层次作用力(分子间、分子内)及多尺度远运动状态,使其各种物理性能触均呈现出一种异于其他材料的特点一多分散性。如性能的老化,伴随着化学键破坏、链段变短、分子链解缠结、分子长度缩短、晶体缺陷等等不同阶段、不同层次的变化,呈现多时间段递进发展、多层次同时进行的规律,数学上反映应该是多波段的复杂函数,这点导致其寿命难以预测。

3  高分子材料的寿命预测

材料的寿命指的是材料在一定服役环境下保特一定性能于一定范内的时间长度,这里主要谈材料的力学性能。一定条件下高分子材料性能随时间的老化与温度、分子间作用力、结晶状态等因素有关。实际上,材料因为批次性等问题导致内部存在缺陷是很常见的现象,这些缺陷导致的应力集中、溶剂腐蚀等会很大程度影响其使用表命。结合工作实际,笔者认为,高分子材料的寿命评估需要几步走,一是评内因(内部),即材料自身性能,进行材料的综合性能评估,测出诸如分子量、伸长率、结晶度、内部缺陷率、拉伸强度等多个影响参数;二是评估外因(外部),即服役条件和环境,力载荷、温度、湿度、光强、盐度、震动频率等因素并量化;三是根据实际环境因素和材料的本征物理化学性质及环境试验的经验筛选判断材料的短板参数或者材料在结构件上的应力集中位置,算出短板参数或者应力集中位置的老化寿命,建立问题模型(抓住关键);四是结合材料实际服役环境的真实试验和应力因子加速法所推断出的结果进行比较,不断对模型进行优化迭代;五是总结这一类材料的共性,得出通用的模型规律。

以下将简单介绍两种理论上可行的预测高分子材料使用寿命的加速方法,要获得速度必然会牺牲准确度。基于一些文献和思考,假设条件是材料没有缺陷。分子作用就成为影响高分子材料力学寿命的主要因素。

①冷拉法(宏观测分子作用力)


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如上图为常温恒定拉伸速度下高分子塑性材料典型的应力应变曲线,曲线上OA段为弹性势能,屈服点Y点以后材料表现为塑性,是一定温度下链段活动空间减少而被运动冻结的位置,CD段主要是链段运动,而DB阶段指导材料断裂的拉伸代表了材料的分子链间作用力(分子内,分子间及缠结),故而拉伸DB段所耗费的能量基本反映材料内部分子作用力的大小。测试再不同温度下这段能量的大小并做温度曲线,根据时温等效原理的阿伦尼乌斯方程,代入实际环境试验的几个温度一服役寿命的点,可粗略推算出其时间性能曲线。

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                 图2 可能导致聚合物强度下降的的微观结构细节示意图


②动态热机械法(微观测分子作用力)

材料的动态力学行为是指材料在振动条件下,即在交变应力作用下做出的响应,而材料的静态力学行为是在恒定或单调递增应力作用下的行为。不论结构材料或者功能材料,力学性能总是最基本的性能,动态力学热分析只需用很小的试样就能在宽阔和温度和/或频率范围内进行连续测试,可以再较短的时间内获得材料的刚度和阻尼随温度、频率的变化。利用DMA曲线在不通频率下做出的曲线的频率普可做出高分子材料力学性能的衰减曲线,十几个数量级的振动频谱可观测到材料相应的微观力学性能变化,实际中高频难以实现,通过时温等效原理由高温下的曲线来反推高频的频率谱。得到材料频率谱的朱曲线,结合测试实际环境实验中材料失效后DMA曲线测出的材料刚度和阻尼,代入频率谱主曲线,即可粗略推得寿命。再回到文首我们讨论的观察时间问题,如果观测时间大于或等于材料服役寿命,而DMA给我们提供宽频谱性能曲线,正式能够预测不同层次性能随观测时间变化的有力工具。

此外,寿命预测还有常用的加速因子方法,如采用温度加速,结合环境实验,计算出加速因子即可推测材料寿命。