聚合物拉伸试验

Structural Engineering

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Summary

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂

高分子材料广泛应用于民用结构中, 使用范围从非常软的密封剂到更多的水和废水系统中的刚性管道。聚合物的最基本的定义是一个具有重复亚基的分子结构。术语高分子来源于希腊语, 其中 "聚" 指的是许多, 而 "-" 指的是基本单位。单体或单一市场汇率是特定的重复单位。与聚合物, 结构, 包括碳骨干的长度和变化的灵活性, 将决定聚合物的性质。聚合物分为3个子类: 塑料, 弹性体和刚性棒聚合物。塑料进一步细分成热固性, 不软化加热和热塑性塑料, 这是软化时, 加热和硬化冷却。此外, 热塑性塑料大多是线性或分枝聚合物, 几乎没有交联, 而热固性陈列3D 结构和有广泛的交联。弹性体, 或橡胶, 是长, 盘绕链, 可以拉伸到两倍的原始长度, 但将收缩回原来的大小时释放, 而刚性棒聚合物不伸展和是强大的, 晶体结构。

在本实验室, 我们将研究几种不同的高分子材料, 包括高密度聚乙烯 (HDPE)、聚氯乙烯 (PVC)、尼龙和甲基丙烯酸甲酯 (丙烯酸), 以了解应力应变的广度和多样性。这些材料的曲线以及它们的机械性能如何影响其性能。

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JoVE Science Education Database. 结构工程. 聚合物拉伸试验. JoVE, Cambridge, MA, (2020).

  1. 获得丙烯酸、尼龙、HPDE 和 PVC 高分子材料的典型拉伸试样。
  2. 使用千分尺测量每个试样轴上几个位置的宽度和厚度, 以确定平均横断面尺寸。记录数据表上每个试样的平均测量宽度和厚度。
  3. 把标本放在夹子里。确保每一端至少有80% 牢固地附着在手柄上, 这将有助于确保在装载操作过程中防止打滑。砂纸也可以使用 (砂侧向样品), 以提高抓取样品。
  4. 测量手柄之间的试样长度。这个值是计长, 将用于计算应变。
  5. 按照制造商的规格, 将电子计安全地连接到试样上。注: 计刀片不需要精确定位在标本上的量具标记上, 但应近似地以试样为中心。
  6. 开始将拉伸载荷应用于试样, 并观察应用载荷在计算机显示器上的实时读数。如果测量的负载不增加, 试样会滑过手柄, 需要重新附加。在此实例中, 教师将停止测试, 并从步骤2中重复该过程。
  7. 继续缓慢地应用拉伸载荷, 观察计算机生成的负载与位移图在整个加载过程中的形状。
  8. 在示例失败之前的某个时间, 测试将自动暂停, 而不卸载样本。此时, 移除计。如果标本打破了计的地方, 你会摧毁计, 一个非常昂贵的设备。
  9. 加载标本直到失败。记录最大负载和失败时的负载。
  10. 从机器上取下破损的标本。观察并记录骨折的位置和特征。
  11. 测量故障区域内每个试样的宽度和厚度, 并记录最终测量结果。

聚合物代表了世界上最广泛使用的材料, 从软密封剂到刚性水管都能找到。聚合物最基本的定义是一个具有长链重复亚基或单体的分子结构。聚合物可以分为许多子类别。最基本的两个是形式持有塑料和弹性弹性体。

塑料进一步细分为热塑性塑料和热固性。热塑性塑料主要是线性的并且陈列非常少许交联。热固性通常有更复杂的三维结构, 通常具有广泛的交联。

弹性体, 又称橡胶, 由长而连续的聚合物链组成, 可以拉伸到超出原有的静止长度, 但在释放时会收缩回原来的尺寸。

在本视频中, 我们将确定不同高分子材料的应力应变曲线, 以了解它们的力学性能对其性能的影响。

聚合物的最基本的方法之一是与应力-应变曲线分析。这包括将已知载荷应用于试样并观察由此产生的变形。

聚合物的应力-应变行为主要取决于所分析材料的类型。应力轴代表了施加于材料的力的量, 而应变曲线代表了由于这种应力而产生的相对变形。曲线的最后一点表示由于施加的力, 材料最终失败的点。

在应力-应变曲线的线性区域中, 斜率代表了材料的杨氏模量。这是给定材料的固有属性。这一线性区域内的变形称为弹性变形, 是可逆的。变形过去这个区域被称为塑性变形, 是永久性的。

既然你已经了解了聚合物及其性能, 我们可以用拉伸试验机来测试不同的高分子材料。

获得丙烯酸、尼龙、HPDE 和 PVC 高分子材料的典型拉伸试样。使用千分尺测量每个试样轴上几个位置的宽度和厚度, 以确定平均横断面尺寸。记录数据表上每个试样的平均测量宽度和厚度。

建立通用测试机, 如朱庇特视频中所示, 关于钢的应力应变特性。接下来, 将试样放在拉伸试验机的手柄上。确保每一端至少有80% 牢固地附着在手柄上, 这将有助于防止在加载操作过程中出现滑动。砂纸也可以用来提高抓取样品。

根据制造商的说明, 将电子计安全地连接到试样上。接下来, 测量手柄之间的试样长度。这个值是测量长度, 将用于计算应变。现在, 开始将拉伸载荷应用于试样, 并观察应用载荷在计算机显示器上的实时读数。如果测量的负荷不增加, 试样会滑过手柄, 需要重新连接。在这种情况下, 停止测试, 并将标本重新连接到手柄。

继续缓慢地应用拉伸载荷, 观察计算机生成的负载与位移图在整个加载过程中的形状。在示例失败之前的某个时间, 软件将自动暂停测试。将样品留在测试机中, 然后取出计。继续应用拉伸负载直到故障。记录最大负载和失败时的负载。从机器上取下破损的标本。观察并记录骨折的位置和特征。测量故障区域内试样的宽度和厚度, 并记录最终测量结果。

重复此协议的其余标本, 确保记录和特征的位置, 他们的骨折。

测试完成后, 让我们看看拉伸测试的结果。在这里, 我们看到的进展, 在高密度聚乙烯样品的失败。在拉伸试验过程中, 试样作为高分子链解开, 有大量的颈缩量, 展示了 HDPE 的延性。这种现象更明显, 如果材料加载缓慢, 允许 HDPE 样品伸展到数倍它的初始长度。

PVC 显示了类似的失败进展, 高密度聚乙烯, 但更高的杨氏模量和较低的延性。

尼龙试样的杨氏模量几乎和 PVC 一样高, 但它的韧性物质要多得多, 与 HDPE 试样相似。

相反, 丙烯酸试样基本上没有任何非线性变形的情况下失效。产生的断裂发生时, 样品没有可见伸长。

接下来, 让我们计算样本的线性区域的杨氏模量。我们将在弹性变形区取样三对点, 并计算每对的斜率。这三个斜坡的平均值将是该材料的近似杨氏模量。

可以看出, 两个最高的杨氏模量对应的材料, 需要更多的力量打破。在这个例子中, 这代表 PVC 和丙烯酸样品。与 HDPE 或尼龙相比, 这些材料对塑料的变形也很少, 使它们的材料比较脆。HDPE 和尼龙样品的杨氏模量较低, 这意味着所需的变形力较小。这些样品经历了大量的颈缩, 使它们成为取样材料中最韧性的。

现在让我们看看几种不同聚合物的常见应用。几乎任何专业领域都将发现塑料正在使用, 从医疗设备到高强度建筑材料。

在土木工程应用中, 聚合物广泛用于密封剂、管道或软管、壁板、涂层和胶粘剂。聚合物的不同性质使他们成为几乎任何工作的潜在候选者。

弹性体是一种特定类型的聚合物, 广泛地寻求其独特的性质。由于它们具有很大的拉伸比, 是电子非导电性的, 而且极具防水性, 它们在实验室使用的绝缘电线到硝基手套的应用中很有用。

你刚刚看了朱庇特对聚合物拉伸试验的介绍。你现在应该了解高分子科学的基本知识, 并知道标准的实验室测试, 以确定不同聚合物材料的应力应变关系。

谢谢收看!

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