Name: 一个测试平台为聚合物的耐久性研究，并在同期Hygrothermo机械刺激纤维增强聚合物复合材料 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-12-11T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 15 s
Description: 了解聚合物复合材料耐久性测试方法，通过低成本实验平台研究纤维增强材料在湿热与机械载荷共同作用下的性能变化。该方法有助于优化复合材料结构设计。

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作者感谢Destiny Garcia、Serena Ferraro、Erik Quiroz和Steven Kern（先进复合材料研究、工程与科学实验室）在试验装置设计与制造过程中提供的帮助。感谢Shawn Malone、Michael Akahori、David Kehlet（工程制造实验室）在加工过程中提出的意见和给予的协助。谨此感谢美国国家科学基金会（合作项目CMMI-1265691及其REU补充项目）以及美国海军研究办公室（项目编号N00014-13-1-0604，由A. Muliana（德克萨斯大学A&M分校，首席研究员）和V. La Saponara负责，项目主管为Yapa Rajapakse）提供的支持。

1. 加载样本
<ol>
	<li>打开水箱盖，并将其放置在侧边支撑上（图4）。</li>
	<li>将试样放入U形螺栓中，并确保横杆与试样中心接触。</li>
	<li>将试样的两端放置在悬挂在盖子上的铝制支撑上。试样两端应有5-10 mm的悬伸长度。</li>
	<li>对所有待测试的试样重复步骤1.2至1.4。</li>
	<li>移除盖子的支撑，放下盖子，并确保盖子已落在水箱边缘的凸缘上。</li>
	<li>通过在外侧滑轮旁的钢杆上添加砝码，施加所需的力。</li>
</ol>
2. 测量位移
<ol>
	<li>确保拉紧弦式电位计的拉线。</li>
	<li>使用数字万用表测量电位计外侧引脚之间的电阻（图3），黑色表笔接引脚1，红色表笔接引脚3，并记录读数。</li>
	<li>通过计算校准系数，将电阻读数转换为位移读数（本例中，1 kΩ 对应 64.895 mm 的位移）。</li>
	<li>对每个试样重复步骤 2.1–2.3。</li>
</ol>
3. 称量样本
<ol>
	<li>开始称重程序之前，记录位移数据，并准备一个临时存放室，其中装有室温下的测试液体，具体操作按照 ASTM D522931 或相应的测试标准进行。</li>
	<li>从钢缆末端取下带槽砝码。</li>
	<li>抬起罐体盖子，并将其放置在侧边支撑架上。</li>
	<li>取出试样并将其放入已准备好的临时存放室中。对所有试样重复此步骤。</li>
	<li>取出试样，使用超细纤维布逐个擦干，以去除多余液体。</li>
	<li>将试样放置在高精度天平上，记录读数数据。</li>
	<li>对所有试样重复步骤 3.5–3.6，然后执行 Protocol Step 1。</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

从所获得的数据可以看出，并发测试场景确实影响了闭孔聚氨酯泡沫试件的耐久性。通过比较干燥和湿润试件在位移（图5）以及残余破坏载荷（图6）方面的显著差异，可以明显观察到这一影响。图7展示了残余强度测试后试件的照片。还应注意的是，干燥试件的位移在24小时的观测时间内已达到稳定状态，而湿润试件则未达到。因此，后续测试将延长测试时间，以使经过环境处理的试件达到稳定状态，或确定在给定的测试时间范围内可能无法实现稳定状态（例如，当材料发生导致失效的降解时）。
图6的箱线图显示，湿态试件的残余破坏载荷分布与干态试件相比在统计学上存在显著差异，且数值更低。
由于已发表的数据相对有限，且不同作者选择了不同的材料和载荷条件，因此无法将此结果与文献进行直接比较。然而，使用该夹具获得的代表性结果与Gellert和Turley7所观察到的趋势一致，即他们的玻璃纤维增强样品经历了“显著更高”的蠕变挠度...

聚合物及纤维增强聚合物（FRP）复合材料已被广泛应用于多种工程结构中，包括飞机与航天器、舰船、民用基础设施（例如参见Katnam et al.1、Hollaway2、Mouritz et al.3的综述）、汽车与列车、风力涡轮机叶片，以及用于缝合线和植入物的假体与生物材料。这些材料的耐久性受到复杂服役环境的影响，可能包括以下因素的综合作用：a）热-机械载荷，例如，民用基础设施中的冻融循环4、航空航天器亚音速/超音速飞行工况5、金属背衬聚乙烯的磨损6；b）环境与化学介质引起的降解，例如，海水、除冰剂、航空航天与舰船结构所用液压油7-10，以及唾液导致的聚甲基丙烯酸甲酯牙科复合材料的降解11；c）在紧固或粘接接头中材料之间的复杂相互作用，例如，不同材料之间的电偶腐蚀与脱粘现象，无论是在飞机铝合金蒙皮上的碳纤维补片修复，还是由不锈钢螺钉固定的碳纤维/聚醚醚酮（PEEK）骨板12。
遗憾的是，目前对同时存在的服役环境刺激因素对这些材料长期耐久性影响的认识仍然有限。大多数聚合物可归类为粘弹性材料。力学载荷和环境条件会显著影响聚合物的粘弹性响应。因此，用于预测这些材料长期行为的可靠模型应能够纳入对耦合的湿热、力学和化学刺激因素的时间依赖性响应。这将有助于提高设计预测的准确性，并优化基于状态的安全评估、维护和更换方案。
关于湿热效应的实验测试已有大量文献报道，例如湿热扩散测试：如果样品尺寸允许，可将材料样品置于设定好湿度和温度条件的环境箱中。在数周至数年的时段内，定期取出样品以测量其质量变化和/或体积变化10,13-17。湿热测试之后可进行力学性能测试，即残余静强度/疲劳强度/断裂力学测试17-19，此类测试仅能提供湿热刺激对材料力学响应影响的信息。实验数据可拟合为复杂程度不同的扩散模型，从简单的菲克扩散模型到包含浓度、应力、温度、可逆的物理老化/增塑效应以及不可逆化学反应依赖性的模型。这些实验结果可进一步用于结构分析中。
很少有研究人员探讨过湿热与力学因素同时作用的影响。在研究FRP复合材料的学者中，Neumann和Garom20将受力与未受力的试样浸入去离子水中。通过将试样置于压缩的不锈钢弹簧内部施加应力，并通过使用不同刚度的弹簧和不同的压缩载荷来调节载荷大小。Wan et al.21也报道了类似的方法。Helbling和Karbhari22在环境箱内使用弯曲夹具，针对不同的相对湿度百分比（RH%）和温度水平进行实验。预处理后的试样承受特定的弯曲应变水平，该应变水平对应于该复合材料静态极限拉伸应变的某一百分比。Kasturiarachchi和Pritchard23制备了一个不锈钢四点弯曲夹具（每个试样配备一个），并将其放置在一个大型玻璃干燥器的架子上。干燥器内部分填充去离子水，设有微小泄漏口以防止压力积聚，并置于95%相对湿度的湿度箱中。Gellert和Turley7研究了海洋级FRP复合材料试样在蠕变载荷与100%相对湿度共同作用下的耐久性。他们的样品在四点弯曲模式下承受相当于静态弯曲破坏载荷20%的恒定载荷，同时完全浸没在海水中。通过在梁的外表面中央截面与玻璃板之间使用厚度计定期测量蠕变挠度（可推断该测量在箱外进行）。Abdel-Magid et al.24将玻璃/环氧树脂试样置于由NASA Langley提供的Invar环境夹具中，在纤维方向施加拉伸载荷，载荷大小为极限轴向载荷的20%。Ellyin和Rohrbarcher25进行了长达140天的湿热试验，随后在液压试验机上对试样进行疲劳测试。试样被包裹在一块湿润的纱布中，纱布通过管道连接至供水系统。Earl et al.26将加载夹具和试样置于一个大型环境箱（5.5 m3）中。
正如许多实验研究所讨论的那样，环境条件会影响聚合物的力学性能和响应。一些有限的实验还表明，力学应力/应变的存在会影响聚合物中的扩散过程。因此，为了加强对聚合物基材料在力学与非力学效应共同作用下的整体性能的理解，有必要开展同步测试。
本文所讨论的测试平台设计具有多个目标。首先，该平台是多年期实验研究装置的一部分，旨在探究不同类型用于风力涡轮机和船舶工程应用的纤维增强聚合物（FRP）夹芯复合材料的湿热力耦合行为。测试数据用于校准聚合物复合材料粘弹性本构方程中的参数。这些本构模型基于Muliana及其合作者多年来建立的研究基础27-30。第二个目标是构建一个低成本且用户友好的测试平台，例如可方便地在实验室内部重新安置（例如，移至天平进行质量测量，或移至流体来源处，例如水龙头、通风橱或易燃品柜）。第三个目标是开发一种能够耐受多种在实际应用中常见化学品的测试平台（特别是液压油、除冰剂以及航空航天领域常用的清洁溶剂8-10），从而可将试样浸入这些化学品中，以评估其耐久性。
该腔室（图1）由高密度聚乙烯制成，具有较高的化学耐受性。如上所述，未来的研究预计将包括对浸入液压油、除冰剂和清洗溶剂中的复合材料进行湿热-机械性能考察。由于温度控制是测试过程中的关键环节，因此在储液罐四周包裹了聚苯乙烯泡沫塑料，并通过胶带和钢架本身将其固定，以防止与外界环境发生热交换。
腔室的盖子（图2）由透明的9.525 mm厚聚碳酸酯制成，允许用户在不干扰测试的情况下观察样品。盖子通过铝制T型条固定，T型条经机械加工，可滑入水箱两侧悬臂支架下方。
试样的弯曲由三个铝块实现，这些铝块从盖板下方垂下，并通过盖板上的槽孔固定。这三个铝块可同时测试最多四个试样，而盖板上的槽孔则允许根据试样的长度调节铝块之间的间距。每个铝块的接触边缘均加工成直径为12.7 mm的圆弧，符合ASTM标准D790-10的要求。试样置于三个铝块中的两个下方，并在其中心施加向上的力以产生弯曲（图1-2）。
该装置的设计充分考虑了最大的通用性和易用性。为便于移动，在箱体底部安装了直径为41.275 mm的脚轮。其上方，储罐由一个焊接钢架支撑，钢架底部设有金属网和横梁以提供支撑。为防止上方重量和位移计（后文讨论的拉绳式位移传感器装置）挤压损坏保温层，特制了角钢垫块用于储罐外角的固定。在顶部周围再次使用角钢进行框架加固。用于测量跨中挠度的滑轮和拉绳式位移传感器系统安装在四个由方形钢管制成的钢制拱形支架上（图3）。这四个拱形支架中，中间的两个安装有拉绳式位移传感器，并可调节位置，以适应不同试件的尺寸变化。拉绳式位移传感器采用扭力弹簧（类似于可伸缩钥匙扣中的弹簧）和具有三针电子输出的电位计制成。滑轮经过对齐并安装固定，配合钢缆使用；钢缆一端与试件处的刚性连接点相连，另一端穿过箱体侧边的悬挂杆，以便施加可调节的配重。
通过一系列缆索、滑轮、连杆和螺栓将载荷施加到试样上。首先，将试样放入U形螺栓中，使10 mm的横杆接触跨距的中点。然后，将一端带有吊环螺栓的直径为9.525 mm的钢杆连接到U形螺栓上。该钢制连接件穿过腔室盖。接着，将钢缆和凯夫拉线连接到与U形螺栓相对的吊环螺栓上。这使得线性电位器的凯夫拉线可以从一个刚性点读取数据。钢缆继续向上延伸，并绕过两个滑轮，从而可在水箱边缘施加载荷。随后，钢缆连接到一根直径为9.525 mm的钢杆上，该钢杆作为带槽砝码挂架。该挂架用于放置带槽砝码，以施加所需的载荷。

<table><tbody><tr><td>6061铝合金矩形棒</td><td>McMaster-Carr, 美国</td><td>8975K268, 1668T72, 7062T17,&amp;nbsp;</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>6061铝合金90&amp;deg;角件</td><td>McMaster-Carr, 美国</td><td>8982K91, 8982K14&amp;nbsp;</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>440C不锈钢</td><td>McMaster-Carr, 美国</td><td>6253K52</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>高密度聚乙烯板材</td><td>Tap Plastics, 美国</td><td>N/A（厚度0.236英寸 × 宽度10.75英寸 × 长度16.75英寸）</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>高密度聚乙烯板材</td><td>Tap Plastics, 美国</td><td>N/A（厚度0.354英寸 × 宽度6英寸 × 长度10英寸）</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>高密度聚乙烯板材</td><td>Tap Plastics, 美国</td><td>N/A（厚度0.354英寸 × 宽度6英寸 × 长度16.75英寸）</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>聚碳酸酯板材</td><td>Tap Plastics, 美国</td><td>N/A（厚度0.375英寸，宽度11.5英寸，长度17.5英寸）</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>发泡聚苯乙烯泡沫</td><td>Home Depot</td><td>型号 # 310880 互联网编号 # 202532855</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>镀锌钢丝绳</td><td>McMaster-Carr, 美国</td><td>3498T63</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>钢制吊环螺栓</td><td>McMaster-Carr, 美国</td><td>3013T341</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>低碳钢90&amp;deg;角件</td><td>McMaster-Carr, 美国</td><td>9017K444&amp;nbsp;</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>低碳钢圆棒</td><td>McMaster-Carr, 美国</td><td>8920K84, 8920K75, 8920K231, 8920K135, 8920K84&amp;nbsp;&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>低碳钢管材</td><td>McMaster-Carr, 美国</td><td>6527K314, 8910K394, 8910K395, 8920K94&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>304不锈钢U型螺栓</td><td>McMaster-Carr, 美国</td><td>8896T104</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>钢制滑轮</td><td>McMaster-Carr, 美国</td><td>3099T34</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>1008碳钢板材</td><td>McMaster-Carr, 美国</td><td>9302T113</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>轻型万向脚轮</td><td>Harbor Freight, 美国</td><td>41519</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>100磅力乙烯基砝码组</td><td>Overstock.com</td><td>11767059</td><td>测试平台组成部分</td></tr><tr><td>闭孔聚氨酯泡沫</td><td>General Plastics, 美国</td><td>FR-3704</td><td>测试样品</td></tr><tr><td>去离子水</td><td>水龙头，PurLab过滤系统</td><td>N/A</td><td>水箱的调节液体</td></tr><tr><td>扭力弹簧</td><td>可伸缩钥匙扣，Ebay, 美国</td><td>批次10</td><td>用于制作拉线式电位计</td></tr><tr><td>凯夫拉线</td><td>Cabela&amp;rsquo;s</td><td>IK-321909</td><td>用于制作拉线式电位计</td></tr><tr><td>10 kOhm电位计</td><td>Ebay, 美国</td><td>3590S-2-103L</td><td>用于制作拉线式电位计</td></tr><tr><td>数字万用表</td><td>Harbor Freight, 美国</td><td>98674</td><td>用于测量拉线式电位计的电阻值</td></tr></tbody></table>

用于聚合物及纤维增强聚合物复合材料在湿热力耦合刺激下耐久性研究的测试平台

A Testing Platform for Durability Studies of Polymers and Fiber-reinforced Polymer Composites under Concurrent Hygrothermo-mechanical Stimuli

聚合物及其纤维增强复合材料在服役条件下的耐久性是实现其可靠设计和基于状态维护的关键问题。这些材料已广泛应用于多种工程领域，包括飞机和船舶结构、桥梁、风力涡轮机叶片、生物材料及生物医学植入物。聚合物属于粘弹性材料，其力学响应可能高度非线性，因而难以准确预测和监测其在实际使用中的性能表现。本文介绍了一种实验室规模的测试平台，可用于研究机械载荷与环境因素共同作用对这些材料的影响。该平台设计成本低廉且操作简便。其采用的耐化学腐蚀材料使该装置适用于研究材料在服役过程中因接触流体而引发的化学降解行为。一个实验示例在室温下进行，对闭孔聚氨酯泡沫样品施加相当于其静态干态极限载荷约50%的恒定重量载荷。结果表明，该测试装置适用于此类研究。实验结果还显示，在复合载荷条件下，材料表现出更大的脆弱性，表现为中心点位移更大、残余破坏载荷更低。本文最后对该测试装置的进一步改进提出了建议。

该测试装置已成功实现将试样浸入流体中进行三点弯曲试验。通过电位计可准确读取试样中点挠度的变化，加载和测试过程具有合理的精度。电阻变化可记录至4位有效数字，从而实现约0.1 µm量级的位移分辨率。
在室温下，对两组闭孔聚氨酯泡沫试样进行了热湿机械性能测试，每组包含四个试样，标称尺寸为215 mm长 × 24 mm宽 × 18 mm厚。其中一组在干燥条件下于环境舱内进行测试，具体条件定义为：a）在空气中、罐体内；b）环境相对湿度约为50% RH（测试于美国加利福尼亚州中部炎热干燥的中央谷地某实验室在6月底进行）。该第一组试样在此记为“干燥试样”。第二组试样则在罐体内完全浸没于去离子水中进行测试（100% RH，此处记为“湿润试样”）。试样所施加的悬挂载荷约为其在静态干燥条件下极限载荷的50%，即(1.780 ± 0.116) kg。每个悬挂载荷的施加过程耗时数秒，以实现准静态加载条件。预期泡沫材料将表现出非线性粘弹性行为，但尚不明确多种刺激因素共同作用下，其耐久性相较于干燥试样将如何降低。
使用数字万用表对每个试样进行电阻测量，在...

聚合物及纤维增强聚合物复合材料在服役过程中的耐久性是其设计和基于状态的维护中的关键因素。我们提出了一种新颖且低成本的实验室测试平台，用于研究机械载荷与环境载荷共同作用的影响，该平台有助于设计出更高效且更安全的复合材料结构。

聚合物及纤维增强聚合物复合材料在服役条件下的耐久性是其可靠设计中需要解决的关键问题……

本实验的总体目标是通过使用低成本、灵活且用户友好的测试平台，研究聚合物及其复合材料在热-水-力耦合载荷下的耐久性，从而改进其在复杂载荷条件下的设计与安全性。首先，将聚合物复合材料试样放置于测试罐中。接下来，施加恒定的三点弯曲载荷，同时将试样浸入流体中进行蠕变加载。将测得的电阻读数转换为位移变化。分析时，在同步试验结束后测量试样的质量。最后，对试样进行残余强度测试。因此，可根据材料在承受复合载荷下的响应，更深入地理解其力学性能与设计用途。该平台相较于现有方法的主要优势在于成本低、操作简便、便携且易于适应其他测试需求。这项工作的应用前景在于制造更安全的聚合物及聚合物复合材料工程结构，例如飞机、船舶、桥梁和风力涡轮机。我们将能够更深入地理解这些结构在复杂服役条件下的行为，从而建立更精确的数值模型并优化其设计。目前，我们正利用该方法研究聚合物及聚合物复合材料在浸水且承受机械载荷条件下的耐久性。 然而，该方法也可应用于其他情况，例如在使用过程中常规接触苛刻化学品的其他材料的耐久性测试。通常，初次使用该平台的人员应注意仔细放置和加载样品。测试设备的腔室由高密度聚乙烯制成，能够耐受广泛的温度和液体环境。测试箱周围的聚苯乙烯泡沫可防止与环境发生热交换。腔室盖由厚度为9.5毫米的聚碳酸酯制成，可观察加载的试样。盖子通过铝制T型杆固定，T型杆又固定在箱体上，以承受较大的载荷。应用加强型钢架和盖子上的附加挂钩。残余强度测试通常使用较重的载荷。该装置最多可对每个试样施加50千克的重量，以确保找到破坏点。悬挂于盖子下方的是三个符合ASTM标准设计的铝块。这些铝块可通过盖子上的槽孔进行调节，最多可同时测试四个试样。试样置于其中两个铝块的下方，铝块中心施加向上的力，从而在试样上产生弯曲力。该装置底部装有移动脚轮，通过钢架结构及横梁和网格支撑牢固连接。倾斜的间隔器可防止保温材料因上方重量而被压碎，框架上的滑轮和弦式位移计系统上的位移传感器用于测量跨中挠度。这些位移传感器由扭簧构成。滑轮通过钢缆将试样与可调节配重的悬挂杆连接。施加于试样的总载荷来自这一系列的钢缆、滑轮联动装置和螺栓。以下各节将详细说明如何使用该装置将试样加载到测试设备中。首先，打开水箱盖并将盖子放置在侧边支架上。然后将样品装入 U 形螺栓中，横杆必须位于样品的中心位置。现在将试样的两端放置在铝制支撑架上，悬空部分应约为5到10毫米。以相同方式继续加载最多四个试样。然后移除盖子支撑物并放下盖子。确保盖子正确地安装在水箱上。现在，通过向悬挂在外滑轮上的钢杆添加砝码，对试样施加所需的力。首先，确保电位器线路紧固。然后测量电位器外侧引脚之间的电阻。黑色表笔连接引脚1，红色表笔连接引脚3。现在，通过计算校准系数将电阻读数转换为位移。在本例中，1 千欧姆对应 64.895 毫米的位移。对于连续数据采集，可将拉线式电位计连接至数字万用表。计算位移后，准备称量试样，取下砝码和水箱盖。然后将试样转移至暂存室。首先，为所有试样准备一个临时暂存室，其中应装有符合相应测试标准的室温测试液。现在，首先用超细纤维布将样本擦干，然后将其放置在高精度天平上，记录读数数据。如果需要对样本进行残余强度测试，则继续进行相关测试。在两组各四个闭孔聚氨酯泡沫试样上，于室温下进行了高生长热机械测试。一组在50%相对湿度下干燥状态下进行测试，另一组在去离子水中湿润状态下进行测试。在最初六小时内以及次日对跨中挠度进行了跟踪测量。湿试件的位移明显大于干试件。通过加载至破坏来测试试件的残余强度。湿润的试样在约3千克时发生断裂，干燥的试样在约3.6千克时发生断裂。如果正确进行设置，试样可在15分钟内完成在此平台上的定位与加载。在遵循本操作步骤时，重要的是要记住正确地定位和加载样品，特别是当它们需要承受较大重量以进行耐久性研究时。还可以开展其他研究，例如复合材料的耐久性以及在严苛服役化学品环境下的性能，以进一步解答这些材料耐久性方面的其他问题。观看本视频后，您应能充分了解如何利用这种低成本且用户友好的测试装置对聚合物及聚合物复合材料进行测试。若涉及严苛化学品的操作，请务必遵守材料安全数据表以及环境健康与安全规范中所列明的防护措施。

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科研

JoVE Journal

Engineering

工程

一个测试平台为聚合物的耐久性研究，并在同期Hygrothermo机械刺激纤维增强聚合物复合材料

讨论了一种方法，通过该方法 体内 刺激响应材料的力学行为随时间变化被监测。样品进行测试 离体 使用带有环境控制的微拉伸测试仪模拟生理环境。这项工作进一步促进了对 体内...

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控制超分子聚合物在水中的尺寸、形状与稳定性

了解聚合物复合材料耐久性测试方法，通过低成本实验平台研究纤维增强材料在湿热与机械载荷共同作用下的性能变化。该方法有助于优化复合材料结构设计。

用于聚合物及纤维增强聚合物复合材料在湿热力耦合刺激下耐久性研究的测试平台

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