透明聚碳酸酯板材的应力条纹值信息研究

张 博,厉 蕾

(北京航空材料研究院,北京100095)

透明聚碳酸酯板材的应力条纹值信息研究

张 博,厉 蕾

(北京航空材料研究院,北京100095)

根据Tardy补偿法的原理,对透明件用聚碳酸酯(PC)板材进行热光曲线实验,在不同加载状态下对条纹级次的变化进行了分析。结果表明:PC材料仅需要较小的载荷即可出现理想的条纹级次;PC材料受力后的应力响应时间对条纹级次有很大的影响;挤出成型获得的PC材料具有惟一的加载方向以获得规则的条纹图。同时,本研究获得了PC材料的条纹值这一重要基础数据。

聚碳酸酯;热光曲线;数字光弹法;Tardy补偿法

作为具有优异的高抗冲击性结构材料,聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)材料成为制造先进飞机座舱透明件的主要材料之一[1]。鉴于透明件在飞机整体结构中的地位,其服役的可靠性就显得尤为重要。由应力产生的裂纹故障是飞机座舱透明件失效的主要原因之一,如何测量透明件的应力一直是中外科学家研究的课题。由于聚碳酸酯属于具有人工双折射特性的光弹性材料,因此数字光弹法被认为具有测量其应力的可能性。采用数字光弹法对材料进行应力计算,等差线的条纹级次与不同温度下的材料条纹值是应力计算的基础数据,所以必须了解光弹性材料人工双折射[2]性能随温度而变化的规律。热光曲线实验是探寻此规律的实验手段。其原理如下:受一定载荷的材料在单色光的圆偏振光场中,随着温度的升高条纹级次会随之变化,把条纹级次随温度升高而变化的数值连成一条曲线,即为热光曲线[3]。本研究通过对聚碳酸酯板材进行热光曲线实验,掌握了该材料条纹级次随温度变化的规律,对不同的载荷、温度和加载方式下产生不同条纹的现象进行了分析,完善了透明材料的条纹值标定方法,为数字光弹法在透明材料应力测量中的应用提供了数据支持。

1 实验

1.1 实验材料及设备

Lexan9034聚碳酸酯板材(美国GE公司生产)。试样厚度9mm,直径40mm。采用R40922型光弹仪,光源为钠光源。热光曲线实验使用烘箱。

1.2 实验方法

(1)热光曲线实验:选择载荷与升温方式,测定试样在圆偏振光场中的条纹级次。

(2)条纹级次的读取方法:采用对径受压圆盘理论模型,获得在不同的温度下材料受载后的中心点条纹级次,非整数级条纹级次则采用Tardy补偿法进行读数。具体步骤如下:1)将光路系统设置为正交圆偏振光场,并使起偏镜和检偏镜的光轴分别与被测点的两个应力主轴方向一致,1/4波片的快轴和慢轴与偏振镜光轴的相对位置保持不变;2)确定被测点条纹级数所处的范围n和n+1;3)单独旋转检偏镜,观察等差线的移动。如果与被测点相邻的n级整数级等差线移向被测点,当其刚好与该点重合时,记下检偏镜的旋转角度θ1,按式(1)计算被测点的条纹级数;如果与被测点相邻的n+1级条纹移动到被测点,而相应的偏振镜转角为θ2,则按式(2)计算被测点的条纹级数。

(3)条纹值计算:

式中:P为载荷;D为圆盘直径;n为圆盘中心点条纹级次;nk为被测点条纹级次。

2 实验结果与讨论

2.1 载荷的选取对条纹级次的影响

实验以20N为单位载荷递增选取了四组载荷,温度分别选取了常温、110,150,160℃四点对条纹进行了观察,实验结果见图1。

图1 PC材料不同温度下变载荷加载条纹级次变化曲线Fig.1 The fringe orders curve of PC at different temperatures and loading states

由图1可以看出:载荷一定时,随着温度的升高,条纹级次也随之增加;温度一定时,随着载荷的升高,条纹级次随之增加,直至载荷超出材料的承载极限; 20N的载荷下,实验温度低于110℃时,条纹不可分辨;80N的载荷下,实验温度高于140℃时,条纹非常密集;40,60N的载荷下,整个实验温度区间内,条纹级次比较理想。

通过以上实验现象可知:PC受载后条纹信息丰富,高温区条纹过于密集、级次难以分辨,不利于热光曲线的实测与条纹值的计算。这是由于随着温度的升高,分子链的运动更加自由,对光学的敏感性进一步提高,由应力引起的暂时双折射现象更加明显,反映在条纹图上即是条纹级次的增加。所以对PC材料的加载载荷应以低载荷加载为原则,在常温区保证中心点条纹级次在1～2级之间即可,在160℃左右的温度区间,中心点条纹级次在4级左右。因此,根据上述实验结果,最终确定加载载荷为40N。

2.2 应力响应时间对条纹级次的影响

聚碳酸酯是典型的非结晶高聚物,当受到外力作用时,它达到对应的应变量需要一定的时间。选取载荷40N,实验温度150℃,观察记录不同实验时间的条纹图,结果如图2所示。

由图2可以看出,在一定时间内,中心点条纹级次随着受载时间的延长而升高;当应变量达到最大时,级次趋于稳定,级次稳定所需时间取决于材料的应力响应时间,表1为PC材料受载不同时间,圆盘中心点的条纹级次。

由表1数据可以看出,聚碳酸酯材料的应变量在受力后3min内变化较大,随后,条纹级次基本达到稳定状态,仅有0.1级左右的波动,考虑到读数误差的影响,可视为此时的条纹级次已经稳定。因此,在加载3m in后基本可以确定条纹级次。

图2 PC不同加载时间的条纹图 (a)1m in;(b)3min;(c)5min;(d)10minFig.2 The fringe patterns of PC in different loading time state (a)1min;(b)3min;(c)5min;(d)10min

表1 PC材料在同一载荷下不同时间对应的中心点条纹级次Table 1 The central fringe order of PC in the same loading state at different time

产生这种现象的主要原因是材料在外力的作用下发生宏观变形时,其内部分子间以及分子内各原子间的相对位置和距离发生变化,产生的原子间及分子之间附加的内力,抵抗着外力,并力图恢复到变化前的状态;这种微观的分子运动,宏观就表现为材料的应变,材料的光学性能也随之变化,当二者达到平衡时,附加内力与外力大小相等,方向相反,此时应变量达到最大,光学性能也处于暂稳态。

2.3 加载方向对条纹图的影响

PC沿任意方向加载,条纹图具有很强的方向性,图3为加载方向与标定径向夹角分别为22.5,45, 6715,90°时加载的PC材料条纹图。

图3 PC材料沿不同方向加载的受力条纹图 (a)22.5°;(b)45°;(c)67.5°;(d)90°Fig.3 The fringe patternsof PC in different loading directions (a)22.5°;(b)45°;(c)67.5°;(d)90°

由图3可知,对于挤出成型的PC材料来说,沿着不同方向加载,会出现不同方向的条纹信息,并且这些不规则的条纹信息不具有可读性。

产生该现象的原因是实验中选用的PC材料是经过挤出成型而制成的,对于挤出成型的高聚物制品来说,在口模处对分子链以及链段造成了一种拉伸效应。而且这种拉伸属于单轴拉伸,由高分子物理学可知:单轴取向的结果是分子链只在板材平面的某一个方向上取向平行排列,取向方向上的原子间主要以化学键形式连接,而在垂直于取向方向则是范德华力,因此,取向方向与垂直于取向方向对光的折射效应会有很大的差别,光力学特性会因此明显改变。

理论上认为沿任意方向加载中心点的条纹级次都是相同的;此特性对PC材料的应力实测没有影响,特别是在数字光弹法中,条纹图的采集处理由计算机来完成,级次的判读是根据图像的灰度值来决定[4],而与是否呈现规则的条纹图无关。但是作为一种实验方法,无法根据非规则的条纹图进行中心点条纹级次的读数,所以在进行热光曲线实验前必须对PC的加载方向进行标定,以得到类似图3(d)所示的条纹为标准。

2.4 聚碳酸酯的热光曲线

加工PC圆盘,直径40mm,选取载荷40N,对不同温度下的条纹级次进行测量。图4即是聚碳酸酯条纹级次随温度变化的热光曲线。

由图4可以看出,PC材料在低于130℃时,条纹级次随温度的变化不大;在130～160℃温度区间,随着温度升高,条纹级次迅速升高。这些变化趋势与该材料由玻璃态向黏流态转变的温度2形变规律是完全对应的。如图5所示,随着温度的升高,在聚碳酸酯由于大分子链段排列的变化而发生明显形变的同时,光折射特性也因此发生变化。

图5 聚碳酸酯材料的温度2形变曲线Fig.5 Thermo2mechanical curve of polycarbonate p lates

由图4数据,可以获得在各个温度下的材料条纹值,这对于计算不同温度梯度场中座舱透明件的成型应力是非常必要的。根据条纹值的计算公式可以得出聚碳酸酯材料在常温下的条纹值为75.2N/条×cm。

3 结论

(1)PC是一种光弹性敏感材料,仅需要40N的载荷即可出现理想的条纹级次。

(2)PC的应力响应时间对于条纹级次的判读有一定的影响,在选定载荷下,条纹级次达到稳定所需的时间最少为3min。

(3)挤出成型PC板材条纹图对加载方向有选择性,虽然这对条纹图的级次数据无影响,但为方便读数,规范实验方法,仍然需要对加载方向作出合理的选择,以便呈现标准的条纹图。

(4)PC的热光曲线与其温度2形变曲线的变化规律是一致的。

[1] 中国航空材料手册编辑委员会.中国航空材料手册第七卷[M].北京:中国标准出版社,2001.

[2] JAM ESW DALLY,W ILL IAM F RILEY.Experimental Stress Analysis[M].New Yo rk:M cGraw2Hill,1978.235-336.

[3] 佟景伟,伍洪泽.实验应力分析[M].长沙:湖南科学技术出版社,1983.185-243.

[4] RAM ESH K,PRAMOD B R.Digital image p rocessing of fringe patterns in photomechanics[J].Optical Engineering,1992,31: 1478-1498.

Stress2fringe Info rmation of Transparent Polycarbonate Plates

ZHANGBo,L ILei

(Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

The heat2op tical curve and stress2f ringe info rmation of polycarbonate(PC)materials w ere studied by adop ting Tardy compensation method.Several p roblem s were discussed based on the phe2 nomenon of fringe o rder in different loading state.The results show that PC just needs small loads to p rovide the ideal fringe order.The loading time has big influence on the fringe order.There is only one regular fringe pattern in different loading direction of PC w hich p roduced by extrusion molding. The“f”isobtained accurately,w hich is essential data to the calculation for the stress in digital photo elasticity method.

polycarbonate;heat2op tical curve;digital photo elasticity;Tardy compensation

TG115.5

A

100124381(2010)0520038203

2009204216;

2010203203

张博(1983—),男,硕士,研究方向为透明材料性能及检测技术研究,联系地址:北京市81信箱9分箱(100095),E2mail:zhang2 bo1117@163.com