聚碳酸酯壓縮力學性能實驗研究

穆磊金, 胡文軍, 陶俊林

(1.西南科技大學土木工程與建筑學院， 四川綿陽621010；2.中國工程物理研究院， 四川綿陽621000)

聚碳酸酯壓縮力學性能實驗研究

穆磊金1, 胡文軍2, 陶俊林1

(1.西南科技大學土木工程與建筑學院， 四川綿陽621010；2.中國工程物理研究院， 四川綿陽621000)

聚碳酸酯(PC)是一類玻璃態非晶聚合物材料，由于其出色的耐熱和抗沖擊性能, 被廣泛地應用于國防軍事和工業領域。為獲得聚碳酸酯的壓縮力學性能，采用MTS810材料實驗機和分離式Hopkinson壓桿實驗裝置，對聚碳酸酯進行了準靜態壓縮試驗和動態壓縮試驗，獲得了聚碳酸酯在10-4s-1～103s-1應變率范圍內應力應變曲線，分析應變率對聚碳酸酯屈服應力的影響規律。結果表明：聚碳酸酯在壓縮時，隨著應變率的增大屈服應力逐漸增大，在不同應變率范圍內，屈服應力與對數應變率關系可以用二次函數和線性關系描述；與靜態壓縮相比，動態壓縮軟化效應減弱，而被隨后而至的強化效應所取代，表明高應變率下應變軟化和應變硬化存在競爭趨勢。

分離式霍普金森壓桿；力學性能；準靜態壓縮；動態壓縮；聚碳酸酯

引言

聚碳酸酯(PC)具有輕質、高強度、抗損傷等優良的力學性能，尤其是耐沖擊性優異，因此它們被廣泛地應用于建材行業、醫療器械、電子電器、汽車制造業、航空航天等領域。在這些應用中，聚碳酸酯廣泛應用于經受高速沖擊荷載環境中，故對其動態力學性能有較高的要求?，F有對聚碳酸酯力學性能的研究主要有：孫朝翔等[1]利用分離式霍普金森壓桿技術對PC進行高應變率動態壓縮力學實驗；Christmann A等[2]進行了聚碳酸酯大應變下的單軸拉伸實驗研究；Perez J M等[3]對溫度加速PC材料老化行為進行了研究；馬新忠等[4]進行了聚碳酸酯拉伸力學性能的應變率相關性實驗；付順強等[5]開展了聚碳酸酯的高應變率拉伸實驗；曹侃等[6-7]進行了低溫下聚碳酸酯沖擊拉伸性能實驗研究和在不同應變率下聚碳酸酯的拉伸力學性能研究；蔣晶等[8]研究了注射壓縮成型聚碳酸酯的低溫拉伸力學性能；于鵬等[9-10]研究了聚碳酸酯類非晶聚合物力學性能及其本構關系；胡文軍等[11-13]進行了聚碳酸酯沖擊壓縮實驗研究與聚碳酸酯彈丸穿甲實驗研究，并且研究了聚碳酸酯的動態應力應變響應以及屈服行為。由此可見，上述對聚碳酸酯力學性能研究的應變率范圍相對較窄，因此進行PC材料的在寬應變率范圍內的力學性能研究是很有必要的。

本研究采用MTS810材料實驗機和分離式霍普金森壓桿(SHPB)對PC試樣在10-4s-1～103s-1應變率范圍內的壓縮性能進行了實驗研究。

1實驗部分

1.1試樣制備

壓縮實驗所用試樣由PC棒料經機械加工而成,準靜態壓縮實驗的試樣尺寸為Φ20 mm×20 mm，動態壓縮實驗的試樣尺寸為Φ20 mm×10 mm，實驗前所有試樣在測試環境溫度下進行狀態調節48 h。

1.2實驗設備

準靜態壓縮實驗在MTS810材料試驗機上進行，動態壓縮實驗采用SHPB裝置,子彈長300 mm，入射桿、透射桿長均為1260 mm，如圖1所示。SHPB實驗得到的PC試件入射桿和透射桿上應變片記錄的典型信號如圖2所示。

圖1SHPB裝置簡圖

圖2波導桿上應變片記錄的典型信號

1.3實驗原理

SHPB實驗系統在進行材料動態力學性能實驗時，要求波導桿在實驗過程中始終保持彈性，系統的主要假設是一維應力假設，即試件與波導桿中應力是一維的，只存在軸向應力，這使應力波在波導桿中的傳播滿足一維彈性應力波理論。

根據安裝在波導桿上的應變片記錄的應變脈沖信號，由二波公式(1)～(3)計算出試樣上的應變、應變率和應力[14-15]。

1)

(2)

(3)

其中：C0為波導桿的彈性縱波波速；E是波導桿的彈性模量；L是波導桿的橫截面積；L0試樣的長度；As為試件的橫截面積；εi、εr和εt分別表示波導桿記錄到的入射脈沖、反射脈沖和透射脈沖。

2結果與討論

2.1PC材料的壓縮性能

對準靜態壓縮實驗的數據進行處理，獲得PC的準靜態壓縮應力應變曲線如圖3所示。

圖3PC材料準靜態壓縮應力應變曲線

根據波導桿上的記錄信號，利用二波公式計算得到的PC應力應變曲線如圖4所示。

圖4PC材料動態壓縮應力應變曲線

由圖3可知，在低應變率下PC材料的應力應變曲線有相似的形狀，但是隨著應變率的增加，屈服應力逐漸增大；由圖4可知，與靜態壓縮相比，動態壓縮軟化效應減弱，而被隨后而至的強化效應所取代，表明高應變率下應變軟化和應變硬化存在競爭趨勢。應變率增加導致流動應力增大。動態壓縮曲線明顯地分成了兩組，當應變率高于1387s-1時，PC材料的屈服應力反而比應變率低于1166s-1的屈服應力小。這主要是由于隨著應變率的增加，材料變形由等熱變形轉變為絕熱變形，導致溫度要升高；另一方面，隨著溫度的升高，又會導致材料流變應力的下降，所以，應變率對流變應力的影響在高分子材料中和溫度是競爭關系，必然存在一個臨界點。

2.2PC材料應變率敏感性分析

為了研究PC材料的應變率敏感性，現將應變率為10-4s-1～10-1s-1與102s-1～103s-1下PC材料的屈服應力值列于表1，并將此表的數據按應變率的對數作為橫坐標，屈服應力作為縱坐標繪成圖5所示曲線。

表1不同應變率下PC的屈服應力

圖5PC材料屈服應力與對數應變率的關系

由表1可知，隨著加載應變率的提高，PC材料的屈服應力值逐漸增大，表現對應變率的敏感性。為了在較寬應變率范圍內獲得PC屈服應力與應變率的關系，通過對實驗結果的分析和歸納最后可得出表達式(4)和(5)。

(4)

(5)

式(4)和式(5)能夠預測PC材料應變率范圍在10-4s-1～103s-1范圍內的屈服應力與應變率的關系。

3結論

(1) 通過對實驗結果分析可以得出，PC材料存在明顯的應變率效應，即隨著加載應變率的提高，應力值逐漸增大。

(2)PC材料動態壓縮的應力應變關系與準靜態實驗有所差異，主要表現在應變軟化現象變弱。在研究應變率效應時發現，PC在動態壓縮時，隨著應變率的增大導致溫度升高，而溫度的升高又會引起流變應力下降，所以，應變率對流變應力的影響在高分子材料中和溫度是競爭關系，必然存在一個臨界點。

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Research on Compression Mechanical Properties of Polycarbonate

MULeijin1,HUWenjun2,TAOJunlin1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China;2.China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621000,China)

Polycarbonate (PC) is a kind of glassy amorphous polymer material, which has been widely used in the field of national defense military and industrial areas because of its excellent heat resistance and impact resistance. For the compression mechanical properties of polycarbonate, MTS810 material testing machine and SHPB experiments were carried out by the apparatus of the quasi-static compression test and dynamic test of polycarbonate. The stress-strain curves of polycarbonate in the strain range of 10-4s-1to 103s-1were obtained, and the effect of strain rate on the yield stress was analyzed. The results show that the polycarbonate in compression, with the increase of strain rate of yield stress increaseing at different strain rate range, yield stress and logarithmic strain rate can be described by quadratic function and linear relationship; compared with the static compression, dynamic compression softening effect was weakened, and the strengthening effect was followed by instead, indicating the existence of competition trend of softening and strain hardening at high strain rate and strain.

split Hopkinson pressure bar; mechanical property; quasi-static compression；dynamic compression; polyethylene

2017-02-17

國家自然科學基金(11272300)

穆磊金(1990-),男,陜西咸陽人,碩士生,主要從事高分子材料的力學性能方面的研究,(E-mail)leijinmu@163.com; 胡文軍(1966-),男,重慶人,研究員,博士,主要從事材料力學行為方面的研究,(E-mail)wjhu@vip.sina.com

1673-1549(2017)02-0049-04

10.11863/j.suse.2017.02.10

O341;TB301

A