基于DIC和熱電偶實現高聚物力熱響應特性研究

伍璧超，盧玉斌

（西南科技大學制造過程測試技術教育部重點實驗室，四川 綿陽 621010）

基于DIC和熱電偶實現高聚物力熱響應特性研究

伍璧超，盧玉斌

（西南科技大學制造過程測試技術教育部重點實驗室，四川 綿陽 621010）

利用非接觸式、高精度和全場實時觀測的三維數字散斑動態變形測量分析方法，結合熱電偶實現高聚物材料在單軸準靜態實驗中變形和表面溫度變化的同步測量，并獲得超高分子量聚乙烯（UHMWPE）和聚碳酸酯（PC）在準靜態實驗中的應變場和表面溫度場。實驗結果表明：高聚物表面在變形開始階段會出現短暫的降溫現象，或由于試件體積的膨脹，隨著變形增大，應變率增大，溫度升高，溫升速率也隨之增大，表面溫度在實驗結束后達到最大值，表現為大量放熱現象，最終溫度下降逐漸趨于穩定；在準靜態實驗中UHMWPE和PC具有一定的應變率敏感性，彈性模量和拉伸強度隨應變率的增大而增大；且UHMWPE的壓縮性能明顯強于其拉伸性能。

固體力學；溫升速率；同步采集；數字圖像相關（DIC）；應變率效應

0 引 言

高聚物作為近年來迅猛發展的一種新型高分子材料，許多金屬制品和部件已由它替代。越來越多的高聚物材料應用于機械、建筑乃至高新技術領域中，其力熱響應特性在諸多物理性能中尤為重要。而目前傳統的接觸式應變片和引伸計的測量方法存在著明顯不足，它們以點測量為基礎，不能獲得全場的變形信息，并且其測量量程有限，已不能很好地滿足測量需求[1]。數字圖像相關技術（digital image correlation，DIC）是一種典型的光學應變測量方法[2]。因其具有非接觸式、準確度高、光路相對簡單、對測量環境沒有特別要求和三維全場實時測量的特點，近幾年來逐步成為國內外學者關注的焦點。隨著其應用的飛快發展，現已廣泛應用于靜動態應變、斷裂力學、全場應變測量及材料參數的測量等各個領域。

DIC方法是20世紀80年代由美國南卡羅萊納州大學（university of south carolina）的Peter和Ranson[3]首先提出的。最初，對于DIC的研究主要應用于對二維變形的測量，稱為二維DIC方法[4]。歷經各國學者30多年的研究改進及積累，隨后提出了采用雙目立體視覺測量技術測量物體三維變形的三維DIC方法，目前已成為一種成熟的測量方法，并已成功地應用于力學實驗測量中。馬少鵬等[5-7]用DIC方法全面捕捉巖石結構復雜的變形和破壞過程，并對其損傷破壞過程進行了實驗觀測，基于觀測位移和應變場對損傷破壞過程進行定量分析。Tung等[8]利用DIC技術獲得了各向異性鋁板的彈性模量，并對其進行了實驗驗證。趙燕茹等[9]采用DIC方法和單纖維拉拔試驗相結合，直接測量鋼纖維從混凝土基體拔出過程中界面的應變分布及變化規律，并實時觀測界面粘結、脫粘、滑移全過程。DIC方法在指接木材、竹材、水稻莖稈和鋼絞線等的力學性能分析方面也得到廣泛應用[10-13]。

雖然DIC方法在高聚物的拉伸應變和動態應變測量方面已有一定的應用[14-19]，但使用該方法結合熱電偶研究高分子聚合物的力熱響應特性的工作目前尚未見報道。本文選取超高分子量聚乙烯（UHMWPE）和聚碳酸酯（PC）這兩種典型的熱塑性塑料進行準靜態試驗。

1 實驗研究

1.1 實驗原理

DIC是通過試件表面圖像匹配的方法進行分析，從而對全場位移和應變進行量化分析的一種光學測量的實驗力學方法，其基本原理是通過實時比較試件變形前后表面隨機分布的人工散斑圖像的變化來獲得試件的變形信息，從而確定其位移場和應變場。

本實驗采用西安交通大學研制的XJTUOM型光學非接觸式三維動態變形測量系統，該系統測量范圍較大，測量對象范圍為1～2000mm；應變測量范圍從0.01%～300%，可用于試件表面形貌、位移以及應變的測量和分析，測量結果顯示直觀。該系統采用互成一定角度的兩個高速攝像機（相機分辨率是1392× 1040）實時采集試件各個變形階段的散斑圖像。同時，為了保證圖像的清晰，使用兩個LED燈作為光源。應用DIC算法實現試件表面變形點的匹配，根據各點的視差數據和預先標定得到的相機參數重建計算點的三維坐標；通過比較每一變形狀態測量區域內試件表面各點的運動（即三維坐標）的變化得到試件的位移場，并進一步計算得到試件的應變場。

1.2 實驗方法

首先對UHMWPE和PC進行準靜態下不同速率的拉伸實驗，試驗是在WDW型-100雙立柱微機控制電子萬能試驗機上進行，并用無紙記錄儀和K型毫秒級微細響應熱電偶（響應時間≤200ms）實時測量試件在變形過程中的表面溫度變化，最終獲得其應變和溫度數據的流程，如圖1所示。拉伸試件的形狀和尺寸如圖2所示，UHMWPE拉伸試件的厚度為10 mm，PC拉伸試件的厚度為8 mm；再對UHMWPE進行準靜態壓縮實驗，試樣尺寸為10mm×10mm× 20mm。

環境溫度為室溫，UHMWPE拉伸速度分別為80 mm/min及8 mm/min，按（為平均應變率，ν為加載速度，l為試樣標距長度）獲得相應的平均應變率為4.04×10-2s-1及4.04×10-3s-1。壓縮速度為8 mm/min，相應的平均應變率為6.67×10-3s-1。PC拉伸速度分別為8mm/min及5mm/min，相應的平均應變率為4.04×10-3s-1及2.52×10-3s-1。

圖1 基于DIC和熱電偶的準靜態實驗流程圖

圖2 拉伸試件的形狀和尺寸（單位：mm)

實驗開始前首先需要對XJTUOM型三維動態變形測量系統進行標定，還需在試樣表面噴涂黑白啞光漆，形成黑白相間的隨機分布圖案，作為DIC方法跟蹤被測件表面變形的散斑特征。需要注意的是，由于采集圖像的密集性和散斑系統圖像容量的局限性，加載速度越小，最終能夠測得的試樣的最大應變也越低。拉伸試件散斑圖像如圖3所示。

圖3 拉伸試件的散斑圖像

2 結果與討論

2.1 準靜態拉伸試驗中的應力-應變特性

實驗發現UHMWPE在拉伸過程中，開始階段，隨著應力增加，位移也不斷增加，試件沿拉伸方向不斷延伸，試件的橫截面尺寸不斷變小，并在試件上產生局部頸縮現象；當應力增大到最大值后不再增加，甚至稍微有下降趨勢，這時應力不再增加，但其變形卻沒有停止。當局部頸縮達到一定的極限時，就不再繼續頸縮，但頸縮區的臺肩沿拉伸方向向著試件兩端均勻延展，隨后變形增大，應力也增加直到試件最終在頸縮處斷裂破壞。

圖4為UHMWPE的拉伸試件在平均應變率分別為4.04×10-2s-1和4.04×10-3s-1時的真實應力-應變曲線。可以看出：UHMWPE材料在承受靜載拉伸變形時經歷了3個階段，分別為彈性階段、屈服階段和應變硬化階段。其彈性模量和拉伸強度隨應變率的增大而增大，短暫的屈服平臺區后出現明顯的應變硬化現象。由于UHMWPE是一種線形的、分子之間高度纏繞的長鏈型大分子，分子柔性大，在其拉伸過程中能產生較大的變形。另外，根據試件斷裂后標距長度增加量與初始標距長度的比值可算得斷裂伸長率（l1為試件斷裂后的標距長度，l為試樣初始標距長度）。在拉伸速度為80mm/min時，斷裂伸長率約為20%；而在拉伸速度為8mm/min時，斷裂伸長率達到540%，說明其具有很好的延性。

PC試樣在平均應變率為4.04×10-3s-1和2.52× 10-3s-1時的真實應力-應變曲線如圖4所示。可以看出，該曲線有明顯的屈服階段，表現為彈性變形階段后的應變軟化現象，并出現不太明顯的頸縮現象，此時應力隨著應變增大而逐漸減小。隨后真實應力-應變曲線表現為穩定的塑性流動階段，最后隨著應變的進一步增大，試件發生斷裂破壞，斷裂端面表現為平直斷口，其宏觀破壞表明PC具有明顯的脆性特征。從圖5可以看出PC具有一定的應變率敏感性，應變率越大，其拉伸強度就越大，屈服應變也隨之增加。

比較UHMWPE和PC可知，在同一應變率下PC的屈服應力明顯大于UHMWPE的屈服應力，且PC對應變率的敏感性也較UHMWPE的更強，但UHMWPE的延展性比PC的好。UHMWPE和PC試件拉伸斷裂后的狀態如圖6所示。

2.2 準靜態壓縮試驗中的應力-應變特性

圖4 不同平均應變率下UHMWPE的真實應力-應變曲線

圖5 不同平均應變率下PC的真實應力-應變曲線

圖6 UHMWPE（上）和PC（下）試件拉伸斷裂后的狀態

圖7 UHMWPE靜態真實應力應變曲線

UHMWPE在壓縮速度及拉伸速度均為8mm/min時的真實應力-應變曲線如圖7所示。可以看出，在壓縮實驗中UHMWPE的屈服應力明顯大于拉伸時的屈服應力，其壓縮彈性模量也明顯高于拉伸彈性模量，故UHMWPE的壓縮強度明顯大于其拉伸強度。壓縮真實應力-應變曲線在彈性階段結束后表現為非線性，沒有明顯的屈服平臺，發生了較大的塑性流動，且試件未被壓壞，容許有較大的變形，表明UHMWPE有很好的抗壓性能。UHMWPE壓縮變形后的狀態如圖8所示。

圖8 UHMWPE試件壓縮變形后的狀態

2.3 準靜態拉伸試驗中的溫度變化及與應變和應變率的關系

基于準靜態拉伸實驗研究試件的表面溫度變化，材料在受拉時，試件表面頸縮區的溫度變化最為明顯，所以熱電偶測量端主要粘在試件表面的頸縮區內。圖9是在拉伸速度為80mm/min時UHMWPE的真實應變/相對溫度-時間曲線。圖10為圖9的局部圖，其時間范圍為試驗的持續時間。由圖可知：在拉伸實驗的開始階段，試件表面頸縮區的溫度有小幅度的下降，可能是由于處于靜態的試件突然受到拉力，體積膨脹所致；隨后進入屈服階段，試件變形繼續增大，溫度開始升高，溫升速率（即相對溫度-時間曲線的斜率）隨瞬時應變率（即真實應變-時間曲線的斜率）的增加而增大；直到實驗結束，溫度開始大幅度提升，溫升速率達到最大，原因是試件塑性變形過程中來不及放出大量的熱量；隨著時間的推移，試件的表面頸縮區溫度降低并逐漸趨于穩定，這是由于試樣和所處環境空氣之間進行了熱交換。

圖11是在拉伸速度為5 mm/min時PC的真實應變/相對溫度-時間曲線。可以看出，同樣在實驗一開始，PC試件表面頸縮區的溫度降低，應變隨時間增大，而后溫度再升高，且之后溫度升高的變化率與瞬時應變率成正比。

圖9 UHMWPE的真實應變/相對溫度-時間曲線

圖10 UHMWPE的局部真實應變/相對溫度-時間曲線

圖11 PC的真實應變/相對溫度-時間曲線

3 結束語

1）利用DIC全面捕捉UHMWPE和PC的變形破壞過程，實時觀察并得到定量化的實驗數據，用于后續分析，該方法也解決了傳統應變片不能測量其全場應變的問題；實驗結合DIC與熱電偶技術進行準靜態拉伸實驗，在變形過程中同時測量試件頸縮區的表面溫度變化并實時記錄，實現了應變場與溫度場的同步測量，對研究高聚物力熱響應特性有重要意義。

2）UHMWPE和PC在拉伸變形中，最開始都在試件上形成局部的頸縮區，發生局部變形。隨后UHMWPE的局部變形達到極限，引起整個試件的均勻變形，直到整個試件均達到變形極限時才產生斷裂破壞，出現了明顯的應變硬化現象，表現出很強的延性特征；PC試件在拉伸過程中表現出有明顯的屈服，并出現明顯的應變軟化現象，PC試件的破壞表現出明顯的脆性。且UHMWPE和PC具有一定的應變率敏感性，應變率越大，其彈性模量和拉伸強度就越大，屈服應變也越高。同時通過準靜態壓縮實驗比較得出UHMWPE的抗壓能力明顯強于其拉伸能力。

3）通過結合熱電偶的準靜態拉伸實驗研究，發現UHMWPE和PC在變形一開始出現降溫現象，可能是由于試件突然體積膨脹；隨著變形增大，瞬時應變率提高，溫度大幅度升高，溫升速率也增大，且溫度在實驗結束時出現最大值，這是由試件變形后的放熱產生的；最終與所處環境進行熱交換，溫度下降并逐漸趨于穩定。

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Research on mechanical-thermal response characteristics of polymers based on digital image correlation and thermocouple techniques

WU Bichao，LU Yubin
（Key Laboratory of Testing Technology for ManufacturingProcess of Ministry of Education，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China）

Simultaneous measurement on material deformation and surface temperature variations of polymers in uniaxial quasi-static experiments was implemented by using an analysis method of three-dimensional digital-speckle dynamic-deformation measurement of non-contact，high precision and real-time full-field observation and by employing a thermocouple.The strain field and surface temperature field in ultra-high molecular weight polyethylene（UHMWPE）and polycarbonate（PC）during quasi-static experiments were obtained through the above measurement.Experimental results show that thereisashort coolingphenomenon asthebeginningstageofpolymersurface deformation，which may be caused by the expansion of specimen volume.The temperature and temperature-rising rate increased with the deformation and strain rate.The surface temperature reached themaximum after the experimentand characterized by excessiveheat release and gradually-stabilized temperature decline.The UHMWPE and PC were a bit sensitive to the strain rate during quasi-static experiments.The elastic modulus and tensile strength increased with the strain-rate，and moreover，the compression performance of the UHMW PE was much stronger than the tensile property thereof.

solid mechanics；heat rate；synchronous acquisition；digital image correlation；strain-rate effect

A

：1674-5124（2015）05-0021-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.006

2014-09-03；

：2014-11-15

留學回國人員科技活動項目擇優資助（14zd102）西南科技大學研究生創新基金（14ycx0119）

伍璧超（1988-），女，四川自貢市人，碩士研究生，專業方向為實驗力學。