一种聚合物层合结构老化失效机理的实验分析方法

摘要

一种聚合物层合结构老化失效机理的实验分析方法，涉及一种层合结构的老化失效机理的实验分析方法。本方法主要通过实验方法，使层合结构的老化只受单一因素的影响，通过测定不同老化时间的临界

说明书

技术领域

本发明涉及一种层合结构的老化失效机理的实验分析方法，尤其涉及一种利用临界积分值来分析层合结构中分子迁移或聚合物本体材料老化导致的性能退化失效机理的实验方法。

背景技术

由两种或多种聚合物材料组成的层合结构广泛应用于航天、机械等领域，在实际的贮存与使用环境中，由于温度、湿度、氧扩散速率以及组份迁移等多种因素的影响，层合结构出现非均匀老化。在实际应用中，层合结构的老化失效往往表现为粘接界面脱粘，而结构失效的机理又与聚合物中添加的小分子迁移和聚合物本体材料老化导致的性能退化相关，如何判定占优的失效机理对改进材料设计以改善结构耐老化性能具有重要意义。目前，对于判断老化的主要原因，以及非均匀老化的趋势一般都是采用化学，材料学的方法，工序繁琐，成本高昂，而且层合结构中小分子迁移和聚合物本体材料老化导致的性能退化往往耦合作用，不宜区分，因此寻找一种简单的实验测试方法是研究层合结构老化失效机理所需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种简单的聚合物层合结构老化失效机理的实验分析方法。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

本发明的层合结构a由两种或多种聚合物材料组成，将采用上述单一材料组成的试件在界面处切割后重新粘结成层合结构b，通过测定不同老化时间的临界                                                积分值，绘制出老化曲线，通过对层合结构a与层合结构b两条老化曲线的比较，判定出界面老化的主要机理，其判断方法为：若层合结构a的斜率变化率比层合结构b大，则说明组份迁移是层合结构老化的主要原因；若层合结构a的斜率变化率比层合结构b小，则说明氧气的扩散是层合结构老化的主要原因；同时，将层合结构a不同部分进行切割组成层合结构c，测定其完全老化的临界积分值，并与完全老化的层合结构b的临界积分值进行对比，判断层合结构中组份材料非均匀老化的趋势，其判断方法为：若层合结构b与靠近界面切割组成的层合结构c的临界积分绝对值大于层合结构b与外边面切割组成的层合结构c的临界积分的差值绝对值，则说明此层合结构中外边面的氧扩散速度比界面的氧扩散速度要快，若层合结构b与靠近界面切割组成的层合结构c的临界积分绝对值小于层合结构b与外边面切割组成的层合结构c的临界积分的差值绝对值，则说明此层合结构中外边面的氧扩散速度比界面的氧扩散速度要慢。

对于弹性变形下的层合结构：，B为试件厚度，为两试件的裂纹长度差，为阴影部分面积，A、B两点为裂纹的起裂点，O为原点。

对于弹塑性变形下的层合结构：利用公式与 计算出的值。

本发明能够判定层合结构中非均匀老化趋势，同时也能确定层合结构界面老化的主要因素。与现有技术相比具有以下优势：

1、本发明没有采用传统的化学、材料学测试手段，而用力学方法分析比较了氧扩散与组份迁移对于层合结构老化的影响，能够判定不同组份材料情况下哪一个是导致老化的主要原因；

2、能够比较层合结构外表面与界面氧扩散速率；

3、可适用于各种层合结构的老化评估问题，在航天，航空领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为试件Ⅰ的结构示意图；

图2为试件Ⅱ的结构示意图；

图3为试件Ⅲ的结构示意图；

图4为试件Ⅳ的结构示意图；

图5为试件Ⅴ结构示意图；

图6为试件Ⅵ的的结构示意图；

图7为曲线图；

图8为试件Ⅶ、Ⅷ的切割与粘贴结构示意图；

图9为试件Ⅸ的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细阐述本发明的技术方案，但并不限定本发明的保护范围。

具体实施方式一：本实施方式的层合结构由材料A与材料B组成，界面处留有初始裂纹，如图1-5所示，其中试件Ⅰ两端密封，防止空气进入，试件Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ采用的是由单一材料组成的层合结构，防止界面间出现组份迁移, 其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的尺寸为60mm*40mm*20mm，试件Ⅳ、Ⅴ的尺寸为60mm*40mm*10mm，按裂纹长度不同将试件分为3组，试件个数见表1，试件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ放置于50℃的环境中老化，试件Ⅳ、Ⅴ放置于70℃环境中老化，进行如下实验：

老化时间为天时，从①②③组中各取出试件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ一个，各组将试件Ⅱ、Ⅲ沿界面处切割后重新粘结成试件Ⅵ（如图6），分组将试件Ⅰ、Ⅵ在拉伸速率固定的条件下将试件拉至断裂临界点，记录各组试件Ⅰ、Ⅵ的曲线，其中为拉力大小，Δ为受力点位移。对于试件Ⅰ，取①组、②组的曲线（如图7），其中A、B两点为裂纹的起裂点，计算出阴影部分面积，同样取组②、组③的曲线计算出阴影部分面积，取、的平均值，利用公式：得到，其中，B为试件厚度， 为两试件的裂纹长度差；对于试件Ⅵ，与试件Ⅰ采用同样的方法得到。

当老化时间为天，天，天，天，天，天，天时，重复上述步骤，得到不同老化时间下试件Ⅰ、Ⅵ的断裂临界J积分值、、、、、、与、、、、、、，将其分别绘制成试件Ⅰ、Ⅵ的老化曲线与（横坐标为老化天数，纵坐标为值 ）。比较2条曲线的斜率变化，若的斜率变化率比大，则说明组份迁移是层合结构老化的主要原因；若的斜率变化率比小，则说明氧气的扩散是层合结构老化的主要原因。

当老化时间为D₇天时，从①②③组中各取出试件Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ按如图8所示进行切割与粘结，每组得到各自的试件Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ。同样进行拉伸速率固定的拉伸实验，记录曲线，并利用同上方法计算出此时试件Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ的临界J积分值、、，比较与的大小，若大于，则说明此层合结构中外边面的氧扩散速度比界面的氧扩散速度要快，若小于，则说明此层合结构中外边面的氧扩散速度比界面的氧扩散速度要慢。

本实施方式适用于弹性变形下的层合结构。

表1

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，对于弹塑性变型，所需的试件个数如表2（只使用裂纹长度为20mm的试件），老化时间为天时，将试件Ⅱ、Ⅲ沿界面处切割后重新粘结成试件Ⅵ（如图6），将试件Ⅰ、Ⅵ在拉伸速率固定的条件下将试件拉至断裂临界点，记录各组试件Ⅰ、Ⅵ的曲线。利用公式与 计算出与的值，其中为拉力大小，Δ为受力点位移，U为应变能，为试件裂纹长度，为试件宽度。

表2