透明聚碳酸酯板材的應力條紋值信息研究

張 博,厲 蕾

(北京航空材料研究院,北京100095)

透明聚碳酸酯板材的應力條紋值信息研究

張 博,厲 蕾

(北京航空材料研究院,北京100095)

根據Tardy補償法的原理,對透明件用聚碳酸酯(PC)板材進行熱光曲線實驗,在不同加載狀態下對條紋級次的變化進行了分析。結果表明:PC材料僅需要較小的載荷即可出現理想的條紋級次;PC材料受力后的應力響應時間對條紋級次有很大的影響;擠出成型獲得的PC材料具有惟一的加載方向以獲得規則的條紋圖。同時,本研究獲得了PC材料的條紋值這一重要基礎數據。

聚碳酸酯;熱光曲線;數字光彈法;Tardy補償法

作為具有優異的高抗沖擊性結構材料,聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)材料成為制造先進飛機座艙透明件的主要材料之一[1]。鑒于透明件在飛機整體結構中的地位,其服役的可靠性就顯得尤為重要。由應力產生的裂紋故障是飛機座艙透明件失效的主要原因之一,如何測量透明件的應力一直是中外科學家研究的課題。由于聚碳酸酯屬于具有人工雙折射特性的光彈性材料,因此數字光彈法被認為具有測量其應力的可能性。采用數字光彈法對材料進行應力計算,等差線的條紋級次與不同溫度下的材料條紋值是應力計算的基礎數據,所以必須了解光彈性材料人工雙折射[2]性能隨溫度而變化的規律。熱光曲線實驗是探尋此規律的實驗手段。其原理如下:受一定載荷的材料在單色光的圓偏振光場中,隨著溫度的升高條紋級次會隨之變化,把條紋級次隨溫度升高而變化的數值連成一條曲線,即為熱光曲線[3]。本研究通過對聚碳酸酯板材進行熱光曲線實驗,掌握了該材料條紋級次隨溫度變化的規律,對不同的載荷、溫度和加載方式下產生不同條紋的現象進行了分析,完善了透明材料的條紋值標定方法,為數字光彈法在透明材料應力測量中的應用提供了數據支持。

1 實驗

1.1 實驗材料及設備

Lexan9034聚碳酸酯板材(美國GE公司生產)。試樣厚度9mm,直徑40mm。采用R40922型光彈儀,光源為鈉光源。熱光曲線實驗使用烘箱。

1.2 實驗方法

(1)熱光曲線實驗:選擇載荷與升溫方式,測定試樣在圓偏振光場中的條紋級次。

(2)條紋級次的讀取方法:采用對徑受壓圓盤理論模型,獲得在不同的溫度下材料受載后的中心點條紋級次,非整數級條紋級次則采用Tardy補償法進行讀數。具體步驟如下:1)將光路系統設置為正交圓偏振光場,并使起偏鏡和檢偏鏡的光軸分別與被測點的兩個應力主軸方向一致,1/4波片的快軸和慢軸與偏振鏡光軸的相對位置保持不變;2)確定被測點條紋級數所處的范圍n和n+1;3)單獨旋轉檢偏鏡,觀察等差線的移動。如果與被測點相鄰的n級整數級等差線移向被測點,當其剛好與該點重合時,記下檢偏鏡的旋轉角度θ1,按式(1)計算被測點的條紋級數;如果與被測點相鄰的n+1級條紋移動到被測點,而相應的偏振鏡轉角為θ2,則按式(2)計算被測點的條紋級數。

(3)條紋值計算:

式中:P為載荷;D為圓盤直徑;n為圓盤中心點條紋級次;nk為被測點條紋級次。

2 實驗結果與討論

2.1 載荷的選取對條紋級次的影響

實驗以20N為單位載荷遞增選取了四組載荷,溫度分別選取了常溫、110,150,160℃四點對條紋進行了觀察,實驗結果見圖1。

圖1 PC材料不同溫度下變載荷加載條紋級次變化曲線Fig.1 The fringe orders curve of PC at different temperatures and loading states

由圖1可以看出:載荷一定時,隨著溫度的升高,條紋級次也隨之增加;溫度一定時,隨著載荷的升高,條紋級次隨之增加,直至載荷超出材料的承載極限; 20N的載荷下,實驗溫度低于110℃時,條紋不可分辨;80N的載荷下,實驗溫度高于140℃時,條紋非常密集;40,60N的載荷下,整個實驗溫度區間內,條紋級次比較理想。

通過以上實驗現象可知:PC受載后條紋信息豐富,高溫區條紋過于密集、級次難以分辨,不利于熱光曲線的實測與條紋值的計算。這是由于隨著溫度的升高,分子鏈的運動更加自由,對光學的敏感性進一步提高,由應力引起的暫時雙折射現象更加明顯,反映在條紋圖上即是條紋級次的增加。所以對PC材料的加載載荷應以低載荷加載為原則,在常溫區保證中心點條紋級次在1～2級之間即可,在160℃左右的溫度區間,中心點條紋級次在4級左右。因此,根據上述實驗結果,最終確定加載載荷為40N。

2.2 應力響應時間對條紋級次的影響

聚碳酸酯是典型的非結晶高聚物,當受到外力作用時,它達到對應的應變量需要一定的時間。選取載荷40N,實驗溫度150℃,觀察記錄不同實驗時間的條紋圖,結果如圖2所示。

由圖2可以看出,在一定時間內,中心點條紋級次隨著受載時間的延長而升高;當應變量達到最大時,級次趨于穩定,級次穩定所需時間取決于材料的應力響應時間,表1為PC材料受載不同時間,圓盤中心點的條紋級次。

由表1數據可以看出,聚碳酸酯材料的應變量在受力后3min內變化較大,隨后,條紋級次基本達到穩定狀態,僅有0.1級左右的波動,考慮到讀數誤差的影響,可視為此時的條紋級次已經穩定。因此,在加載3m in后基本可以確定條紋級次。

圖2 PC不同加載時間的條紋圖 (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材料在同一載荷下不同時間對應的中心點條紋級次Table 1 The central fringe order of PC in the same loading state at different time

產生這種現象的主要原因是材料在外力的作用下發生宏觀變形時,其內部分子間以及分子內各原子間的相對位置和距離發生變化,產生的原子間及分子之間附加的內力,抵抗著外力,并力圖恢復到變化前的狀態;這種微觀的分子運動,宏觀就表現為材料的應變,材料的光學性能也隨之變化,當二者達到平衡時,附加內力與外力大小相等,方向相反,此時應變量達到最大,光學性能也處于暫穩態。

2.3 加載方向對條紋圖的影響

PC沿任意方向加載,條紋圖具有很強的方向性,圖3為加載方向與標定徑向夾角分別為22.5,45, 6715,90°時加載的PC材料條紋圖。

圖3 PC材料沿不同方向加載的受力條紋圖 (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°

由圖3可知,對于擠出成型的PC材料來說,沿著不同方向加載,會出現不同方向的條紋信息,并且這些不規則的條紋信息不具有可讀性。

產生該現象的原因是實驗中選用的PC材料是經過擠出成型而制成的,對于擠出成型的高聚物制品來說,在口模處對分子鏈以及鏈段造成了一種拉伸效應。而且這種拉伸屬于單軸拉伸,由高分子物理學可知:單軸取向的結果是分子鏈只在板材平面的某一個方向上取向平行排列,取向方向上的原子間主要以化學鍵形式連接,而在垂直于取向方向則是范德華力,因此,取向方向與垂直于取向方向對光的折射效應會有很大的差別,光力學特性會因此明顯改變。

理論上認為沿任意方向加載中心點的條紋級次都是相同的;此特性對PC材料的應力實測沒有影響,特別是在數字光彈法中,條紋圖的采集處理由計算機來完成,級次的判讀是根據圖像的灰度值來決定[4],而與是否呈現規則的條紋圖無關。但是作為一種實驗方法,無法根據非規則的條紋圖進行中心點條紋級次的讀數,所以在進行熱光曲線實驗前必須對PC的加載方向進行標定,以得到類似圖3(d)所示的條紋為標準。

2.4 聚碳酸酯的熱光曲線

加工PC圓盤,直徑40mm,選取載荷40N,對不同溫度下的條紋級次進行測量。圖4即是聚碳酸酯條紋級次隨溫度變化的熱光曲線。

由圖4可以看出,PC材料在低于130℃時,條紋級次隨溫度的變化不大;在130～160℃溫度區間,隨著溫度升高,條紋級次迅速升高。這些變化趨勢與該材料由玻璃態向黏流態轉變的溫度2形變規律是完全對應的。如圖5所示,隨著溫度的升高,在聚碳酸酯由于大分子鏈段排列的變化而發生明顯形變的同時,光折射特性也因此發生變化。

圖5 聚碳酸酯材料的溫度2形變曲線Fig.5 Thermo2mechanical curve of polycarbonate p lates

由圖4數據,可以獲得在各個溫度下的材料條紋值,這對于計算不同溫度梯度場中座艙透明件的成型應力是非常必要的。根據條紋值的計算公式可以得出聚碳酸酯材料在常溫下的條紋值為75.2N/條×cm。

3 結論

(1)PC是一種光彈性敏感材料,僅需要40N的載荷即可出現理想的條紋級次。

(2)PC的應力響應時間對于條紋級次的判讀有一定的影響,在選定載荷下,條紋級次達到穩定所需的時間最少為3min。

(3)擠出成型PC板材條紋圖對加載方向有選擇性,雖然這對條紋圖的級次數據無影響,但為方便讀數,規范實驗方法,仍然需要對加載方向作出合理的選擇,以便呈現標準的條紋圖。

(4)PC的熱光曲線與其溫度2形變曲線的變化規律是一致的。

[1] 中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊第七卷[M].北京:中國標準出版社,2001.

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

[3] 佟景偉,伍洪澤.實驗應力分析[M].長沙:湖南科學技術出版社,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

張博(1983—),男,碩士,研究方向為透明材料性能及檢測技術研究,聯系地址:北京市81信箱9分箱(100095),E2mail:zhang2 bo1117@163.com