焊接工藝對TPI單軸拉伸力學(xué)性能的影響

陰 悅，胡建輝，2，3，李一坡，陳務(wù)軍?，房光強(qiáng)，彭福軍，謝 超

焊接工藝對TPI單軸拉伸力學(xué)性能的影響

陰 悅1，胡建輝1，2，3，李一坡1，陳務(wù)軍1?，房光強(qiáng)4，彭福軍4，謝 超4

（1．上海交通大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心，上海200240；2．上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；3．上海交通大學(xué)高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240；4．上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109）

為研究熱塑性聚酰亞胺（TPI）薄膜的力學(xué)性能，對其母材試件（M50）和兩種不同焊接工藝的焊接薄膜試件（C50、T50）進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果與分析表明：TPI薄膜母材M50的屈服強(qiáng)度約為40? 1 MPa，焊接膜材C50、T50的屈服強(qiáng)度分別為34? 4 MPa、39? 6 MPa。薄膜母材與焊接薄膜的抗拉強(qiáng)度及彈性模量基本一致。焊接溫度影響TPI焊接膜材的屈服應(yīng)力，不同焊接工藝對TPI焊接薄膜的抗拉強(qiáng)度及彈性模量無顯著影響。

熱塑性聚酰亞胺（TPI）薄膜；單軸拉伸試驗(yàn)；抗拉強(qiáng)度；屈服應(yīng)力；彈性模量

1 引言

熱塑性聚酰亞胺（Thermoplastic Polyimide，TPI）具有耐輻射、耐高低溫、耐磨損等優(yōu)異的綜合性能，在航空航天、汽車、電子等高新技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊［1］。美國航空航天局（NASA）首先開展了TPI等高性能耐高溫膠粘劑的研究［2］，后來國內(nèi)外諸多學(xué)者在TPI材料的熱性能及磨損性能方面進(jìn)行了大量研究。李新貴等［3］研究了不同溫度下TPI粉末在氮?dú)?、氦氣、氬氣及空氣中的熱降解過程，給出了熱分解溫度、最大的降解率、在高溫下焦炭產(chǎn)量及TPI的激活能量等熱降解參數(shù)。Nazarychev等［4］運(yùn)用分子動(dòng)力模擬的方法研究了溫度、冷卻速率、分子量及變形速率對TPI材料單軸變形彈性模量的影響。Samyn等［5］運(yùn)用熱分析與拉曼光譜測量的方法研究了TPI圓柱體試件的磨損性能。與粉末、空心管等應(yīng)用形式相比，TPI薄膜在大面積太陽帆制造等航天領(lǐng)域以及印刷電路板制造等電子工業(yè)領(lǐng)域使用更為廣泛。Saeed等［6?7］研究了TPI薄膜的粘彈性力學(xué)性能及粘合接頭中部分酰胺化TPI薄膜的粘合強(qiáng)度。嚴(yán)輝等［8］研究了TPI薄膜的制備方法及熱力學(xué)和介電性能。崔曉萍等［9］研究了氣相二氧化硅改性TPI薄膜的制備方法及熱力學(xué)性能?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對于TPI薄膜的研究主要集中在制備工藝及其化學(xué)特性，而研究TPI薄膜力學(xué)性能的文獻(xiàn)相對較少。為了保證TPI薄膜作為航空結(jié)構(gòu)、電子產(chǎn)品組分時(shí)力學(xué)性能穩(wěn)定，防止其發(fā)生拉伸破壞，有必要對其破壞行為以及抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量等基本力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)研究。此外，焊接作為擴(kuò)展TPI薄膜幾何尺寸的一種重要手段，TPI焊接膜材的力學(xué)性能及不同焊接工藝的比較與優(yōu)選也應(yīng)得到研究。

本文首先對TPI薄膜母材及其焊接膜材分別進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)；得到TPI薄膜母材與焊接膜材的抗拉強(qiáng)度、極限應(yīng)變及拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線；采用基于應(yīng)變能理論確定高分子材料屈服點(diǎn)的方法，計(jì)算TPI薄膜母材與焊接膜材的屈服強(qiáng)度、屈服應(yīng)變及彈性模量；最后結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析TPI薄膜與焊接膜材力學(xué)性能的差異。

2 單軸拉伸試驗(yàn)方法

2? 1 試件

TPI薄膜采用日本三井化學(xué)生產(chǎn)的熱塑性聚酰亞胺薄膜，通過裁切的方法制作長條試件，裁切時(shí)確保試件邊緣平整、兩邊平行且無可見缺陷。TPI薄膜母材試件的厚度為50 μm，平面尺寸如圖1（a）所示。將兩條TPI薄膜母材的端頭進(jìn)行搭接，然后進(jìn)行焊接得到TPI薄膜焊接試件，焊接試件幾何尺寸與TPI薄膜母材試件相同，如圖1（b）所示。

試驗(yàn)共制備兩種焊接試件，分別選用Cover? tex公司的鋪展連續(xù)行走焊接工藝與Taiyo Kogyo公司的履帶行走式焊接工藝。兩種工藝均沿試件寬度方向進(jìn)行焊接，焊接軌跡為直線。焊接時(shí)均采用雙面加熱，直壓焊接，隔離帶材料為Kapton?HV，兩種焊接工藝的最大區(qū)別在于焊接控制溫度，具體焊接參數(shù)見表1。TPI薄膜經(jīng)焊接后，表面微細(xì)纖維紋路，平整且無微氣泡，焊縫邊有微細(xì)褶皺，柔韌性及抗撕裂較好。

將TPI薄膜試件分為三組，分別為TPI母材、Covertex焊接膜材及Taiyo Kogyo焊接膜材，簡寫記為M50、C50及T50?？紤]到TPI薄膜力學(xué)性能的離散性，每組均選取5個(gè)試件。

表1 TPI薄膜焊接試件焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding parameters of TPI welding films

2? 2 試驗(yàn)條件

拉伸速率對塑料薄膜的彈性模量、屈服強(qiáng)度、屈服應(yīng)變、抗拉強(qiáng)度及斷裂延伸率有一定影響。塑料薄膜拉伸試驗(yàn)方法中給出拉伸速度選擇范圍為1～500 mm／min，一般情況下，硬質(zhì)材料和半硬質(zhì)材料選用較低拉伸速度，軟質(zhì)材料選用較高拉伸速度［10］。TPI薄膜質(zhì)地較軟，故試驗(yàn)拉伸速率定為100 mm／min，試驗(yàn)時(shí)室內(nèi)溫度為（24±1）℃。

2? 3 單軸拉伸實(shí)驗(yàn)

采用AG?X／250電子材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)加載誤差小于2 N。考慮到TPI薄膜質(zhì)地較軟且為了避免試驗(yàn)機(jī)誤差對試驗(yàn)結(jié)果的影響，夾持試件時(shí)施加預(yù)緊力3 N使試件得到充分展平。為了便于夾持試件，在試件端部增加長度為50 mm的鋁箔夾片。

3 結(jié)果與討論

3? 1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在拉伸的過程中，TPI薄膜試件首先被拉緊，然后伸長量逐漸增大，同時(shí)塑性變形逐漸增加直至試件拉斷，破壞形式為延性破壞；在拉伸過程中，TPI薄膜母材與焊接膜材均出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，如圖2所示。薄膜母材試件M50在試件端部處破壞，焊接膜材C50、T50總計(jì)10個(gè)試件中有少數(shù)為近夾具處斜拉破壞，多數(shù)為焊縫邊緣附近破壞，焊縫處具有足夠的強(qiáng)度。

3? 2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算可得工程應(yīng)力及工程應(yīng)變［11］：

式中，σ、ε、F、b、h、ΔL和L分別表示工程應(yīng)力、工程應(yīng)變、軸向拉力、試件寬度、試件厚度、伸長量及試件標(biāo)距。

圖3（a）、（b）、（c）分別表示M50、C50及T50的5個(gè)試件工程應(yīng)力?應(yīng)變曲線。由于TPI試件拉伸至抗拉極限后強(qiáng)度下降，因此曲線只截取試件從開始拉伸至強(qiáng)化階段的部分?？梢钥闯觯篢PI薄膜在拉伸時(shí)，初始階段的應(yīng)力?應(yīng)變滿足近似線性關(guān)系；此后曲線的斜率逐漸減小，材料發(fā)生非線性彈性變形，但沒有明顯的屈服流動(dòng)現(xiàn)象，屈服點(diǎn)不夠明顯；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度之后，試件強(qiáng)度下降明顯，與焊接試件相比，母材試件強(qiáng)度下降更顯著。

3? 3 抗拉強(qiáng)度與極限應(yīng)變

根據(jù)試件M50、C50與T50的單軸拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線，以曲線極大值點(diǎn)作為材料的極限強(qiáng)度點(diǎn)，分別得到三者的抗拉強(qiáng)度及極限應(yīng)變，如表2所示。其中，σb、εb分別表示抗拉強(qiáng)度和極限應(yīng)變。母材試件M50的抗拉強(qiáng)度為82? 2 MPa，極限應(yīng)變?yōu)?? 53%；焊接試件C50的抗拉強(qiáng)度比母材試件M50低1? 40%；焊接試件T50的抗拉強(qiáng)度比母材試件M50低1? 80%?？梢钥闯?，TPI焊接膜材的抗拉強(qiáng)度較之母材略有降低，但無明顯差別；焊接試件C50的抗拉強(qiáng)度比T50高0? 82%；不同焊接工藝對TPI薄膜抗拉強(qiáng)度無顯著影響。

表2 TPI薄膜試件抗拉強(qiáng)度及極限應(yīng)變Table 2 Tensile strength and strain of TPI films

3? 4 屈服應(yīng)力與屈服應(yīng)變

高分子材料加載時(shí)具有明顯的粘彈性和粘塑性，其應(yīng)力?應(yīng)變曲線也呈現(xiàn)出明顯的非線性特征，因此確定其屈服點(diǎn)只能通過近似方法［11］。TPI薄膜單軸拉伸時(shí)的應(yīng)力?應(yīng)變曲線沒有明顯的屈服流動(dòng)階段，屈服點(diǎn)不易確定。Davidow等［12］提出了一種確定非線性材料屈服點(diǎn)的方法，該方法依據(jù)材料試驗(yàn)所得的應(yīng)力?應(yīng)變曲線及應(yīng)變能理論，可有效地反映應(yīng)力?應(yīng)變?yōu)榉蔷€性關(guān)系的材料的屈服應(yīng)力與屈服應(yīng)變。

具體方法如下：在實(shí)測得到的應(yīng)力?應(yīng)變曲線上選擇一個(gè)點(diǎn)，假設(shè)加載至該點(diǎn)時(shí)材料始終處于線彈性階段，其應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系為式（3）：

式中E為彈性模量。

由式（3）可得，加載至該點(diǎn)時(shí)材料吸收的應(yīng)變能U′為式（4）：

式中，σy為屈服強(qiáng)度，εy為屈服應(yīng)變。

材料加載至該點(diǎn)時(shí)，應(yīng)力?應(yīng)變滿足非線性關(guān)系，通過數(shù)值積分方法計(jì)算出加載至該點(diǎn)時(shí)材料實(shí)際吸收的應(yīng)變能U，若估算應(yīng)變能U′與實(shí)際應(yīng)變能U的誤差在合理范圍內(nèi)（一般選擇5%），則認(rèn)為該點(diǎn)為材料的等效屈服點(diǎn)，如式（5）所示；

根據(jù)TPI薄膜試件屈服點(diǎn)的確定結(jié)果，可分別得到M50、C50與T50的屈服強(qiáng)度與屈服應(yīng)變?nèi)绫?所示。可以看出，對TPI薄膜進(jìn)行焊接會(huì)降低其屈服強(qiáng)度與屈服應(yīng)變。其中，焊接試件C50的屈服強(qiáng)度與屈服應(yīng)變分別比母材試件M50低14? 4%和21? 6%，而焊接試件T50的屈服強(qiáng)度與屈服應(yīng)變分別比母材試件M50低1? 4%和4? 2%，差值均在5%以內(nèi)，其性能并未受到太大影響。

表3 TPI薄膜試件屈服強(qiáng)度及屈服應(yīng)變Table 3 Yield stress and strain of TPI films

C50與T50的焊接寬度類似，但高溫對TPI材料強(qiáng)度的影響更為明顯［4］。C50焊接溫度為290°C，比T50的焊接溫度（275°C）高9? 09%，高溫狀態(tài)下的TPI薄膜黏度下降，使材料剪切速率提高而增加了取向，取向的增加會(huì)使聚合物分子鏈中呈現(xiàn)各向異性的力學(xué)性能，而焊縫處由于分子的相聚而使垂直方向上的取向增多，從而降低了屈服強(qiáng)度。從材料的屈服強(qiáng)度來看，T50試件的焊接工藝優(yōu)于C50試件的焊接工藝。

3? 5 彈性模量

由TPI薄膜試件拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線（圖3（a）、圖3（b））可以看出，在拉伸初始階段，TPI薄膜處于近似線彈性階段，故可參考這一階段的曲線確定其彈性模量。為了避免TPI薄膜屈服后的數(shù)據(jù)對彈性階段數(shù)據(jù)的影響，選擇取屈服點(diǎn)之前的曲線用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，以直線斜率作為試件的彈性模量，具體結(jié)果如表4所示。

表4 TPI薄膜試件彈性模量Table 4 Elastic modulus of TPI films

可以看出，焊接試件C50的彈性模量比母材試件M50大1? 2%，焊接試件T50的彈性模量比母材試件M50小2? 7%。TPI焊接膜材與TPI薄膜母材的彈性模量基本一致，不同焊接工藝對TPI焊接膜材的彈性模量無顯著影響。

4 結(jié)論

1）在溫度為（24±1）°C，拉伸速率為100 mm／min的拉伸試驗(yàn)條件下，TPI薄膜母材試件破壞位置位于鋁箔夾持處，焊接試件于焊縫邊緣處破壞。TPI薄膜無明顯屈服流動(dòng)階段，屈服點(diǎn)不明顯；到達(dá)抗拉強(qiáng)度后，母材試件強(qiáng)度下降比焊接試件更為明顯。

2）TPI薄膜母材的抗拉強(qiáng)度約為81? 0 MPa，極限應(yīng)變約為6? 5%，彈性模量約為2600 MPa；TPI焊接膜材的上述力學(xué)指標(biāo)與薄膜母材基本一致。TPI薄膜母材的屈服應(yīng)力約為40? 1 MPa，焊接試件的屈服強(qiáng)度低于母材試件。

3）焊接溫度影響TPI焊接薄膜的屈服應(yīng)力，而不同焊接工藝對于TPI焊接薄膜的抗拉強(qiáng)度、極限應(yīng)變及彈性模量影響不大。T50焊接薄膜力學(xué)性能指標(biāo)與TPI母材薄膜較為接近。

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（責(zé)任編輯：龐迎春）

Effects of Welding Technology on Uniaxial Tensile Mechanical Properties in Thermoplastic Polyimide Films

YIN Yue1，HU Jianhui1，2，3，LI Yipo1，CHEN Wujun1?，F(xiàn)ANG Guangqiang4，PENG Fujun4，XIE Chao4
（1．Space Structures Research Center，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2．State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；3．Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep?Sea Exploration，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；4．Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai 201109，China）

To study the mechanical properties of the thermoplastic polyimides（TPI）films，uniaxial tensile tests were conducted in TPI base films（M50）and two different TPI welding films（C50 and T50）．The results showed that the yield stresses of M50，C50 and T50 were 40．1 MPa，34．4 MPa and 39．6 MPa，respectively．The tensile strength and the elastic modulus of TPI base films and welding films were similar．The yield stress of TPI welding films was influenced by the welding tem?perature while the effects of welding technology on the tensile strength and the elastic modulus of TPI welding films were not significant．

thermoplastic polyimide（TPI）films；uniaxial tensile tests；tensile strength；yield stress；elastic modulus

TU532? 2

A

1674?5825（2017）04?0546?05

2017?03?06；

2017?06?02

國家自然科學(xué)基金（51608320）；博士后科學(xué)基金（2016M591677；2017T100298）

陰悅，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槟げ牧吓c膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E?mail：yinyue＿sjtu＠sjtu．edu．cn

?通訊作者：陳務(wù)軍，男，博士，教授，研究方向?yàn)槟げ牧吓c膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E?mail：cwj＠sju．edu．cn