粘弹性材料（精选十篇）
粘弹性材料 篇1
关键词：夹芯板,复合材料,弯曲疲劳,加载频率,S-N曲线,聚氨酯弹性体
0 引言
夹层板结构以其优异的弯曲和轻质性能成为工程中得以广泛应用的新材料。聚氨酯弹性体钢夹层板是两块钢质面板内部夹有聚氨酯弹性体材料。聚氨酯弹性体其力学性能介于橡胶和塑料之间, 是一种具有大的力学性能可调范围的粘弹性材料, 钢板夹层聚氨酯弹性体夹层材料钢夹层板现已经应用于船舶甲板的修复和桥梁面板的建造和修复上[1,2], 其优异的减震吸能效果受到人们的广泛关注, 绝缘性能、隔热性能、抗疲劳性能也照比常用的梁板组合结构要好, 由于弹性体和钢材的粘结力非常强, 使得夹层板结构的整体性更好, 均化应力的分布并抑制主体钢结构裂纹的扩展。
粘弹性体夹芯材料的疲劳行为体现出一定的特殊性, 其加载、裂纹的生成和扩展、断裂等都体现出粘弹性的特征。李玲等[3]对竹木复合材料层合板在疲劳/蠕变交互作用下的断裂损伤进行了研究, 发现随着蠕变作用时间的增加, 挠度也随之增加;S.C.Sharma[4]等开展了聚氨酯泡沫夹芯, 纤维增强复合材料作为面板的夹层板的疲劳实验;Gary K[5]等开展了钢板-弹性体夹层梁的疲劳实验, 发现弹性体的力学性能与加载速率相关。
本文采用自制的聚氨酯弹性体夹层板结构, 自制的夹层板的面板材料为65Mn, 屈服应力为425Mpa。夹芯为硬质聚氨酯弹性体, 硬度为邵氏D62。首先对其面板材料开展了纯弯曲疲劳实验, 然后对夹层板进行三点弯曲疲劳实验。
1 聚氨酯弹性体夹芯板静力弯曲实验
层间强度是决定夹层板破坏形式和极限载荷的一个控制因素, 所以为了研究这两种破坏形式对弯曲和疲劳性能的影响, 我们将试件分为两种, 一种是对钢板内表面未进行处理, 另外一种是对其进行使用高强度胶粘贴在一起。针对两种不同的层间剪切强度的试样, 选定跨距, 调整支座, 跨中安装位移传感器。如图2所示, 实验在INSTRON4505试验机开展, 其破坏形式为图2右图。
实验结果如图3所示。
在加载曲线上可以看出, 曲线都有明显的弹性段、塑性强化阶段和破坏阶段, 在塑性强化阶段, 夹层板出现载荷下降的毛刺, 这说明此时在弹性体和钢板界面之间出现了局部脱粘, 提高层间剪切强度是提高夹层板整体力学性能的重要方法。
值得注意的是, 由于夹芯粘弹性的性质, 夹层板的开裂有一定的延时特性, 即在弯曲实验结束时, 虽有裂纹存在, 但并没有明显的开裂现象, 放置一段时间 (几分钟至几小时) 后, 夹层结构出现大范围的脱粘。这是因为聚氨酯弹性体具有很大的变形回复范围, 在裂纹出现, 荷载卸去后, 由于上下面板的回复受到约束, 使得在裂纹上下表面由受载时的压、剪作用转化为裂纹的拉伸作用, 此时由于聚氨酯弹性体的粘弹性作用, 裂纹的开裂不明显, 随着时间的增加, 由于弹性体的松弛作用, 使得裂纹持续开裂。
2 疲劳实验
选用同样的两组试件在电液伺服疲劳试验机上开展实验, 实验频率1!3Hz, 分别在弹性阶段, 如图1中的屈服点作为屈曲载荷进行实验, 和屈曲阶段进行疲劳加载。塑性阶段的极限载荷定义为以下两个条件之一:
1) 静力弯曲实验中的曲线出现下降毛刺, 幅度为总载荷的10%, 这时说明夹层板内部界面间出现脱粘或内部夹芯发生撕裂。
2) 曲线未出现毛刺而总体位移下降距离为跨度的20%。
为了研究夹层钢板的疲劳性能, 首先开展了弹性范围内的疲劳实验研究。以图线3中的弹性段的顶端为板的屈服极限, 采用施加恒幅载荷的方法来进行实验。实验采用Instron8801高频疲劳试验机上进行, 应力比为0.9, 与文献[7]类似, 荷载水平定义为实验时最大载荷与静力屈服载荷的比值。最大实验载荷为屈服载荷的90%.
2.1 65Mn材料的纯弯曲疲劳实验
为了检验夹层板结构的疲劳极限, 首先对夹层钢板材料进行纯弯曲疲劳实验, 实验的开展在疲劳纯弯曲疲劳试验机上。
分别取4个试件, 取载荷水平为分别在60%、70%、80%和90%的屈服载荷作用下进行弯曲疲劳实验, 测得的S-N曲线如下图所示:
由图拟合获得纯弯曲疲劳的S-N曲线:
2.2 实验频率的确定
粘弹性夹芯的存在, 使得疲劳测试发生困难。对于聚氨酯弹性体夹芯钢板, 测试频率和测试载荷都会对结构的响应带来影响。
使用图1中的试样在疲劳试验机上开展疲劳实验, 其极限值取其屈服极限, 分别在最大实验载荷为60%、70%、80%、90%的情况下, 以应力比0.9时的载荷进行不同频率下的实验, 检验试件的疲劳载荷响应和位移响应。所加载荷如表1所示。
分别对应20Hz、15Hz、10Hz、5Hz和1Hz进行实验, 获得其实际内部载荷响应的幅值如图6所示。
从图6中可以看出, 对于在不同频率下施加了相应的幅值, 其由于粘弹性的存在, 其弹性响应与结构的频率有关, 当循环的开始阶段, 载荷逐渐上升时, 产生较大的变形, 载荷下降时, 由于试件存在粘弹性性能, 无法马上回到初始位置, 所有会产生一定的载荷延迟, 当施加高频的循环载荷时, 使得自身的载荷响应无法达到最初的设计载荷值。从图中可以看到, 随着频率的降低, 试件响应载荷值越来越接近外加载荷的设置值, 对如图的试件, 加载频率小于3Hz才可以获得较为理想的疲劳载荷幅值。
为了检验面板材料的疲劳强度, 使其与面板纯弯曲疲劳性能进行比较, 需要进行等效计算。考虑到夹层板的受力是单向拉压受力状态, 同纯弯曲实验载荷不同, 根据文献[6], 考虑到荷载类型的差别, 引入载荷类型因子CL, 定义为其他加载方式下, 疲劳强度与旋转弯曲疲劳强度的比值。则公式 (1) 中的公式可以写成
其中S-1是在其他加载方式下应力比为-1的材料的疲劳极限。对于金属材料在拉压载荷情况下, CL=0.85, 则 (2) 式可以写成:
这是在应力比为-1时纯弯曲实验获得的s-n曲线, 要获得其他荷载水平的S-N曲线, 可以通过Goodman曲线来进行换算:
其中sm和ss分别为平均应力和屈服应力, (4) 代入 (3) 式可得:
式 (5) 即为在拉压载荷作用下, 某一荷载水平的S-N曲线。当已知平均应力和屈服应力时, 对应一定的载荷水平, 可以近似计算出其疲劳寿命。
2.3 夹层板三点弯曲疲劳实验结果
以2Hz加载频率进行加载, 90%屈服载荷为循环最大载荷, 应力比取为0.9进行疲劳实验, 荷载与位移曲线图如图7所示。
在图中可以看出, 在应力比为0.9, 以90%屈服载荷为循环最大载荷时, 由于粘弹性性质的存在使得曲线具有曲线下降的趋势, 在前2万次作用, 曲线下降速度较快, 之后变化趋缓。在应力为380Mpa时, 加载150万次后, 材料没有明显的裂纹和变形。
将参数代入 (5) 式, 计算得到面板在未受到夹芯约束的时循环次数为630963次, 所以, 由于粘弹性体夹芯的存在, 使得对面板的约束作用提高了面板的疲劳极限。
3 结论
通过对面板材料的纯弯曲疲劳实验和对粘弹性夹芯板的疲劳实验, 发现由于粘弹性夹芯的存在, 导致了夹芯板结构的荷载响应与加载频率密切相关, 只有在加载频率小于5Hz时才能实现循环载荷加载。同样由于粘弹性体夹芯的存在, 使得对面板的约束作用极大地提高了面板的疲劳极限。
参考文献
[1]M.A.Brooking;S.Kennedy (2004) .The Performance, Safety and Production Benefits of SPS Structures for Double Hull Tankers.www.ie-sps.com.
[2]Stephen J.Kennedy.An Innovative“No Hot Work”Approach to Hull Repair on In-Service FPSOs Using Sandwich Plate System Overlay.Offshore Technology Conference. (2003) .
[3]李玲, 李大纲, 徐平, 等.疲劳/蠕变交互作用下竹木复合层合板断裂损伤研究, 北京林业大学学报, 第28卷, 增刊2, 2006年12月.
[4]S.C.Sharma, M.Krishna, H.N.Narasimha Murthy, et al.Fatigue Studies of Polyurethane Sandwich Structures.Journal of Materials Engineering and Performance.Volume 13 (5) October2004-637.
[5]Gary K.Lui, Scott D.B.AlexanderFatigue of Steel Plate-Elastomer Composite Beams.Structural Engineering Report No.274.December, 2007.
[6]姚卫星, 等.结构疲劳寿命分析, 国防工业出版社, 2002.
弹性离校汇报材料 篇2
尊敬的各位领导: 首先,我代表全体师生对各位领导莅临我校指导工作表示热烈的欢迎!按照县局有关文件的规定和要求,我校本学期开始试行“弹性离校”，并对义务教育阶段实施平行分班，现将有关情况汇报如下：
一、高度重视，成立机构
我校高度重视“弹性离校”和平等分班工作，为切实加强对这两项工作的领导和相关工作的落实，我校成立了以校长为组长，副校长为副组长，全体班主任为成员的“弹性离校”工作和平行分班工作领导小组，确保将工作落到实处。
二、强化宣传，加强督导
为切实将“弹性离校”工作和平行分班工作落到实处，我校先后组织召开了“弹性离校”工作家长代表座谈会，并组织全体教师认真学习了关于全市小学试行“弹性离校”暨作息时间调整工作通知。向教师传达市、县关于“弹性离校”和平等分班工作的精神要求，广泛宣传实行“弹性离校”和平行分班工作的重要意义，切实提高教师对这两项工作的认识。
三、对照标准，严格落实
我校严格按照县局关于“弹性离校”和平行分班实施要求，落实各项工作任务，具体情况为：
1、“弹性离校”暨时间调整工作 关于“弹性离校”工作，我校按照县局要求，结合我校实际和农村作息时间执行“弹性离校”，实施过程中建立建全“弹性离校”工作专项档案，安排好学生活动场地和教室，重点安排好每天的值班校长和值班教师，确保学生在校期间有人看管，保证安全。我校下午放学时间为17：30，等同于全校学生都参加了“弹性离校”，这一举措受到了学生家长的大力赞同。
2、平行分班工作
我校高度重视平行分班工作，结合县局文件要求，我校提出义务教育阶段实行平行分班，严禁分等次编排各种名义的重点班、非重点班。学校实行平行分班时，将入学新生信息录入电脑，按照性别比例随机平等分班，电脑平行分班工作结束后，将分班结果在全校公示，接受学生、家长和社会监督。
尊敬的各位领导，教育发展无止境，我校将以本次检查为契机；进一步完善工作措施，狠抓工作落实，在教育局的正确领导下，严格教育管理，提升教育质量，为办好人民群众放心满意的教育而不懈努力。
BP神经网络对材料弹性模量的预测 篇3
【摘 要】讨论利用神经网络对梁的变形进行分析，利用分析的数据来预测梁的弹性模量，并与实际变形情况做比较，希望在工程实际应用中，提供材料力学分析的新方法。
【关键词】弹性模量 力学分析 神经网络 matlab
【中图分类号】G250.72【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0465-01
1 研究背景
本文所研究的梁的模型为伯努利梁，基于神经网络对函数具有很好的逼近这一特性，希望能借助神经网络获得梁的挠度与弹性模量的对应关系。
2 问题的描述？即悬臂梁的受力模型和几个参数是已知的，当悬臂梁采用不用的材料时，悬臂梁的变形情况是不同的，现在已知在几种不同弹性模量E的情况下所对应的最右端的挠度值：
现在面临的问题是，在不知道最右端挠度值和E、M、I关系的情形下，能利用的条件只有表1的一组数据，在已经测量到最右端挠度值w=0.0198的情况下，想预测材料的弹性模量E的数值。
3 BP网络求解过程
上述问题可以通过神经网络对数据的分析和预测来求解，利用挠度w作为网络的输入，E作为网络的输出，构建神经网络，利用这一神经网络来模拟w、E、M、I的相互关系，当有一个新的w输入的情况下，神经网络可以产生一个对应的输出，比较这一输出和通过计算所获得解析解的误差来分析神经网络的预测能力。
用BP神经网络求解问题的过程，可以分成如下步骤：1）原始数据输入；2）数据的归一化；3）网络建立；4）对已有数据进行仿真；5）将仿真结果与实际结果对比并修正网络；6）对新数据进行仿真。
下面给出具体程序，并对程序添加了注释
P=[ 0.2500 0.2380 0.2270 0.2170 0.2080 0.2000 0.1920 0. 1850 0.1790 0.1720 0.1670]；%以挠度w作为输入矩阵，为了提高神经网络隐含层函数对数据的识别能力，把挠度值w写为w*10
T=[2.0000 2.1000 2.2000 2.3000 2.4000 2.5000 2.6000 2. 7000 2.8000 2.9000 3.0000]； %以弹性模量E作为目标矩阵，单位为E+11Pa
net=newff（[0.1670 0.2500]，[10 1]，{tansig purelin}）；
net.trainParam.epochs=10000；
net=train（net，P，T）；
x=[0.198]；
y=sim（net，x）
TRAINLM， Epoch 0/10000， MSE 9.68058/0， Gradient 66. 1516/1e-010
TRAINLM， Epoch 4/10000， MSE 1.15301e-022/0， Gradient 5.68978e-012/1e-010
TRAINLM， Minimum gradient reached， performance goal was not met.
y=2.5132图2 神经网络训练情况
上述y=2.5193即为神经网络所预测得到的弹性模量数值，可以看到神经网络仅仅训练了4步，网络的总体误差为：MSE 1.15301e-022，下面分析这一网络的预测精度。根据计算悬臂梁最右端挠度的计算公式得到
参考文献
[1] 丛爽.面向Matlab工具箱的神经网络理论与应用 中国科学技术大学出版社.2008.09
[2] 郭丽华.人工神经网络基础 哈尔滨工程大学出版社.2006.11
粘弹性材料 篇4
关键词：压阻行为,动态流变,PTC行为,电阻蠕变,电阻松弛
1引言
受基体粘弹性对渗流网络的影响, 聚合物基导电复合材料的导电行为在外场 (如机械外力、溶剂、电场、磁场或超声场) 作用下呈现温度与时间依赖性。同时, 固相填料粒子的引入导致屈服点的出现, 显著改变了高聚物体系流动行为的规律性。影响流变行为的诸多因素如弹性体基体、填料分散相的拓扑结构及填料与基体间相互作用等也不同程度地依赖于温度、变形方式和应力幅度等。将外场作用下的流变与电阻响应直接关联, 不但为探索凝聚态结构-性能关系提供有力旁证, 还能指导新型聚合物基导电功能材料的设计与开发。
本文用自制的微机控制同步测量装置考察了聚合物基导电复合材料电阻的长时响应及动态粘弹响应, 试图从聚合物基体粘弹特性的角度首次揭示电阻粘弹响应的内部机制, 进而探寻提高聚合物基导电复合材料功能稳定性和重现性的有效措施。
2实验部分
炭黑 (CB, VXc-605) :上海卡博特公司, 初级粒子平均直径25nm, DBP吸油值1.48cm3/g, 吸碘值90mg/g;高密度聚乙烯 (HDPE, 5000S) :扬子石化公司, 密度ρ=0.954g/cm-3, 熔体流动指数MFI (190℃) =0.090g/min, 熔点Tm=132℃;抗氧剂 (B215) :瑞士Ciba-Geigy公司, 相对分子量M=647, Tm=180℃~185℃。引入抗氧剂可以在200℃以下范围内有效消除氧化引起的聚乙烯基体交联现象。
将填料 (SCF或CB) 、基体 (HDPE) 及抗氧剂在Haake转矩流变仪 (Rheoflixer Poly Lab) 内 (155℃×50rpm×15min) 混炼, 混炼料在平板硫化机上 (165℃×10MPa×10min) 热压成片, 冷却后获得表面平滑的样片, 引入铜网或导电胶带作电极。用材料万能试验机及高级流变扩展系统测定材料的力学及流变性质, 用自制的微机控制电阻测量系统同步记录电阻变化。
3结果与讨论
图1为填料体积分数为10vol.%的HDPE/SCF复合体系在 (a) 不同应力水平下蠕变实验和 (b) 不同应变水平下应力松弛实验过程中的时间依赖电阻变化 (ΔR/R0) 。空心圆点:实验数据;实线:拟合结果。
图1显示, 在蠕变和应力松弛的同时, 材料的电阻也发生相似的变化, 我们定义为电阻蠕变和电阻松弛, 只是方向各有不同。电阻蠕变与松弛根源于基体的力学松弛, 并被认为是此前压阻行为的延续。用同一方程可对不同组成、不同应力下的电阻蠕变进行拟合:
其中τ1和τ2为电阻蠕变的松弛时间, t0为开始测量时间与蠕变起点间差值, A1×A2>0。表明电阻相对变化与蠕变应变相类似, 也可以分为普弹、高弹、滑移 (粘流) 三个部分。只是其中的高弹部分至少包括两个不同的松弛过程。
图2基于方程 (1) 拟合得到的 (a) 不同填料体积分数的HDPE/SCF复合体系在恒定应力作用下以及 (b) 填料体积分数为8vol.%的HDPE/SCF复合体系在不同应力作用下的松弛时间数据。
图2 (a) 、 (b) 分别显示不同填料含量及不同应力水平下的电阻松弛时间。不难发现, 反映松弛速率的电阻松弛时间几乎不随应力水平和填料含量而改变, 表明τ是两个松弛过程的本征参数。
图3填料体积分数为1 1 v o l.%的HDPE/CB复合体系在 (a) 不施加以及 (b) 施加动态剪切条件下的相对电阻R/R0、储能模量G′、损耗模量G″以及损耗角正切tanδ的温度依赖变化。
图4不同填料体积分数的HDPE/CB复合体系在动态剪切条件下的温度依赖相对电阻变化R/R0。
对电阻松弛过程的分析显示, 有两个方向相反的松弛过程制约着电阻变化规律, 其中之一力图延续压阻趋势, 另一则导致电阻回复, 综合结果是使得电阻松弛现象呈现显著的填料浓度依赖性。
图3 (a) 、 (b) 揭示了不同环境下电阻正温度系数 (PTC) 行为的差异, 发现动态剪切作用会引起材料PTC行为的突变温度和转折温度升高, 并使渐变区 (平缓区) 内出现电阻下降。
图4给出了不同填料含量体系在动态剪切条件下的电阻变化, 可以看到, 增加炭黑含量, 使两个临界温度升高;当含量减少到渗流域值以下时, 则电阻在渐变区的后段出现上升趋势, 且上升速率不断增加。
我们认为, 动态剪切作用协助导电粒子运动以及模量降低增加CB接触几率这两种作用是导致电阻变化规律改变的内在原因。
参考文献
[1]Zhou J. (周剑锋) , Song Y. (宋义虎) , Shen L. (沈烈) , Zheng Q. (郑强) .Gong Neng Cai Liao (功能材料) , 2004, 35 (03) :271-274.
[2]Zheng Q., Zhou J., Song Y.J.Mater.Research, 2004, 19 (09) :2625~2634.
[3]Yanovsky Y.G.Polymer rheology:theory and practice.Chapter 5.London:Chapman&Hall, 1993.
粘弹性材料 篇5
试验组别：材料科学与工程13-1 班一组
试验者姓名:赵乙凡学号：1311440123试验日期：2015年12月23日
电测法测定材料弹性模量E和泊松比μ
一． 实验目的。
1．测定碳钢的弹性模量。2．测定碳钢的泊松比。
二．实验设备及仪器。
1.材料力学多功能试验台一台。2.应力&应变综合参数测试仪一台。3.拉伸试件。4.温度补偿块。5.长度测量尺。
三．实验原理及方法。四．实验步骤。
1.设计好本实验所需的各类数据表格。2.测量试件尺寸。3.制定加载方案。
4.根据要求选择桥接方式，调整所用仪器设备。5.分级加载（一般分4-6级），记录不同载荷下的应变值，并随时检查应变量是否符合线性变化。实验至少重复两次。
6.完成全部内容后，卸除载荷，关闭电源，设备及导线恢复原状。
7此实验加载时，不要过载，接线时要小心，避免损坏试件以及各种接线。
五．实验结果处理。
1.根据公式计算弹性模量。2.根据公式计算泊松比。
式样截面积：4.99×2.92=14.5708mm 2
表一：实验测量值（09~11、14 为纵向微应变 12~13 为横向微应变）
表二：弹性模量 E 与泊松比的计算
表三：方差计算：
六．思考题。
1.测定金属的弹性模量为什么要用引伸计或应变片来测量。
金属弹性模量测定时，由于金属变形量微小，并且卸载后变形会恢复，无法用长度测量工具准确测出变形大小，故需要用应变片来使数值变得可测量且较准确。应变片是由一定长度的敏感栅和引线等构成，测量应变时，将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。2.分析误差原因。
1．从操作的角度分析，可能原因是读数和数据记录的偏差。
1是施加载荷的工作状态不是十分稳定，导致各2．从实验机器的角度分析，可能原因○
2由于拉伸时出现偏心，导致左右侧边的应变片测量值一个偏大种仪表精度上的误差。○3由于应变片与试件表面的粘结出现松动，一个偏小。○导致载荷增大时应变的测量偏小，导致 E 的值严重偏大。
粘弹性材料 篇6
【关键词】压裂液；粘度；地层伤害
1.压裂液的作用及VES-SL压裂液产生的起因
水力压裂工艺中使用的液体，统称为压裂液。压裂液的性能是影响压裂工艺成败的诸因素中最主要的因素之一。对高温深井和大型压裂，这一因素尤为重要。在低渗透油藏的改造过程中，为了降低压裂液对油藏和支撑的伤害，开发了种类繁多的压裂液体系。其中，由于粘弹性表面活性剂压裂液体系对油藏和支撑缝伤害小且易反排，而成为压裂液领域的研究重点。粘弹性表面活性剂压裂液不含高分子聚合物，其增稠性是由特殊的表面活性剂分子俩实现的，这些具有特定结构的表面活性剂分子溶解到水中后，能够形成一种类似于高分子线团结构的胶束，从而使得水溶液具有较高的粘度，因此可以做为压裂液的使用。由于表面活性剂是小分子，对油藏和支撑裂缝伤害小。所以，这类压裂液又成为清洁压裂液或零伤害裂液。目前，由于存在着耐温性能不好和成本较高的问题，中国研制的粘弹性表面活性剂压裂液的应用受到了限制。
经过多年室内合成，研制了VES-SL粘弹性表面活性剂压裂液（VES-SL压裂液），并在室内研究的基础上，将该压裂液在现场进行了推广应用，为提高低渗透油藏的压裂改造效果和开发水平典定了基础。
2.VES-SL压裂液的合成与配制
SL表面活性剂的合成是研究粘弹性表面活性剂压裂液的关键。由于烃基中的碳原子数和不饱和度对粘弹性表面活性剂压裂液的粘度有一定影响，因此，首先利用不同烃基结构的脂肪酸，合成了一系列不同的表面活性剂体系；然后，在表面活性剂浓度为5%，助剂I(一种阴离子表面活性剂)浓度为1%，试验温度为90C条件下，测试了烃基结构对表面活性剂压裂液的性能影响。试验发现，表面活性剂中碳原子数越多，形成的压裂液粘度越高；而当碳原子数相同时，表面活性剂中烃基不饱和度对所形成的压裂液粘度影响不大。通过室内合成及评价，将油酸和另外3种化工原料作为合成SL表面活性剂的初始原料，在175C的条件下，经过一系列化学反应后，合成了SL表面活性剂。单纯SL的表面活性剂所配制的压裂液，耐温性能不好，无法应用于高温油藏的压裂改造。为了提高其所形成的压裂液的耐温性，经过反复试验，发现助剂I能够较大幅度地提高该压裂液的耐温性。为此，将助剂0.4%、0.6%、0.8%1.0%1.2%的比例分别添加到用浓度为5%的SL表面活性剂所配制的水溶液中，在90C和170S条件下测试该体系的粘度。试验结果表明，当助剂I的浓度由0.6%提高到1.0%时，压裂液体系粘度提高约43MPa.s;当助剂I的使用浓度超过1.0%时，体系的粘度反而降低。说明助剂I的最佳使用浓度为1.o%.使用助剂能明显地提高体系的粘度是因为它是一种阴离子表面活性剂，将其加入到SL表面活性剂所形成的胶束溶液中后，由于所携带的电荷不同，它对SL表面活性剂形成的胶束具有极强的促进作用，从而提高了VES-SL压裂液的耐温性能。为了研究用于不同油藏温度的VES-SL压裂液，研制了2种配方体系；一种适用于低温地层的压裂改造和压裂防砂（3%的SL表面活性剂加1%的助剂I），另一种则适用于高温地层的压裂改造（5%的SL表面活性剂加1%助剂I）。
3.VES-SL壓裂液性能
在实验室内，对用5%的SL表面活性剂与1%的助剂I所配制的压裂液性能进行了评价。
3.1 SL表面活性剂浓度和矿化度对压裂液粘度的影响
将浓度不同SL的表面活性剂分别与浓度为1%助剂溶解到水中，于沸水中加热后，用六速旋转粘度计测定混合物的粘度。结果表明，SL表面活性剂的使用浓度对所形成的压裂液性能影响较大。当其浓度为2%时，体系的粘度可达120mPa.s；当其浓度为5%时，体系粘度可达350mPa.s；当它超过临界胶束浓度时（1.2X10moIL），它的浓度越大，它的粘度也就越大。因此，针对不同地层温度的油藏进行压裂液施工时，可设计不同浓度的表面活性剂配制VES-SL压裂液。
在测试温度为80C时，在VES-SL压裂液中加入不同浓度的化钾溶液后，测定体系的粘度值。从试验结果可以明显地看出，无机盐的使用，对体系的粘度在一定范围内有增效作用；但当盐浓度大于4%后，会导致粘度降低甚至使得压裂液破胶化水。为此,对矿化超过40000mg/L的油藏进行压裂改造时，压裂液的粘度将变的非常低；压裂液滤失量会增大；造缝效率降低，导致压裂施工失败。因此，VES-SL压裂液仅适用于矿化度不超过40000mg/L的油藏的压裂改造。
3.2 VES-SL压裂液的流变性能
利用RCV6300毛细管流变议，测试了压裂液在一定温度和剪切速率条件下的流变性。在恒温100C和170s的条件下，测试时间为5000s时，测定了该粘弹性表面活性剂压裂液粘度随剪切时间的变化规律。试验结果表明，当剪切时间为1200s时，其粘度降至135mPa左右随着剪切时间的延长，其粘度不再发生明显的变化，粘度基本保持恒定。该性能与压裂液的性能有很大的不同，压裂液在恒定的温度和剪切速率条件下，随剪切时间的延长，其粘度值一直降低。这说明VES-SL压裂液具有比HPC压裂液更加优良的耐剪切性能。
在完成恒定温度测试流变性的基础上，又研究了VES-SL压裂液粘度随测试温度和测试时间的变化规律。从实验中看出，随测试温度的逐渐升高，VES-SL压列液在测试时间为300S时，温度为55C粘度上冲至900mPa.s左右，粘度出现极大值；之后随测试温度的升高，粘度开始下降，当测试时间为400s时，温度为80C,其粘度为400mPa.s；当测试时间为500s时，温度为100C，粘度降到200mPa以下，而当测试时间为600s时温度升高至120C，粘度维持在58mPa.s左右，在温度保持恒定的条件下，粘度不再随剪切时间的延长进一步降低；当温度降低到100C时体系粘度又恢复到135mPa.s左右。说明VES-SL压裂液与HPG压裂液的不同，具有很好的抗热降解和剪切降解的能力。
3.3与粘土穏定剂的配伍性和对地层伤害率测试
根据SY/T5107—1995评价水基压裂液对岩心基质渗透率伤害率的实验标准，利用扎尔则油田的岩心，评价了VES-SL压裂液对岩心基质渗透率伤害率，并与HPG压裂液进行了对比实验。实验结果显示，在相同的实验条件下，VES-SL压裂液对岩心基质渗透率伤害率 仅相当于HPG压裂液的50%左右。因此，利用VES-SL压裂液施工可以大大减少对油藏的伤害，提高压裂液施工的效果。地层原油和柴油可以使得VES-SL压裂液快速降粘破胶。在地层中，该压裂液与原油接触以后，在温度的作用下，可以快速破胶。当温度为70C时，在VES-SL压裂液中，按VES-SL压裂液体积的5%加入柴油，在20min内可以使该呀裂液的粘度降至约清水的粘度；而在常温条件下，需要10h的时间，其粘度才能降到接近清水的粘度。说明VES-SL压裂液可以被柴油、煤油的原油破胶化水，且温度对破胶化水的速度有较大影响。
4.现场应用
以SL表面活性剂为主剂，将期按5%的使用浓度添加到水溶液中，配制成呀裂液稠化剂溶液；再以加交联剂的形式，将助剂I按1%的比例加入到混砂车中，使得SL表面活性剂溶液在混砂车中与助剂混合，形成VES-SL压裂液。
目前，压裂液已经在现场实施加砂压裂2口井、压裂防砂22口井。营543-斜3井是1口刚刚完钻的新井，油层渗透率为8.0x10~32x10m，油层温度为105C.该井施工共使用VES-SL压裂液140m，加入陶粒支撑剂15.5m施工最高砂比为52%施工排量为3.0~4.1Im/min，施工泵压为39~45Mpa.通过施工瞬时停工测试，VES-SL压裂液的摩阻仅相当于清水摩阻的25%~30%比HPC压裂液的摩阻还要低1000m，现场应用证实，VES-SL压裂液携砂能力强有利于对深井的加砂压裂改造。因此，在进行压裂改造施工时，可以明显地提高低渗透油藏的压裂效果和可发水平。对低渗透油藏的压裂效果和改造有重大的现实意义。
粘弹性材料 篇7
高分子阻尼材料的种类和用途多种多样。其中以硅橡胶为基体材料的阻尼性能引起了广大科学研究者的兴趣。但是,对于一般硅橡胶而言其阻尼系数(0.05~0.1)比较小,严重影响了其应用范围,因此如何使硅橡胶材料在相当宽的温度区域内还具有良好的阻尼性能是广大科学工作者研究的重要方向[11,12,13,14,15]。
丁基橡胶是由聚异丁烯和少量的聚异戊二烯共聚合而成,由于聚异丁烯链段上有对称甲基,且异丁烯结构单元在大分子中所占比例大于97%,大分子链取代基数目很多,链段的弛豫阻力增大,内耗较大,其具有优越的阻尼性能,因而它是应用最广的基础阻尼橡胶之一,由其研制的阻尼材料被广泛应用于相关阻尼结构中。粘弹性阻尼结构的阻尼性能和阻尼材料的性能密切相关,优异的阻尼材料是提高结构阻尼性能的重要所在[16,17,18,19,20,21]。丁基橡胶容易和硅橡胶进行共混,且均可以采用白炭黑补强和过氧化物进行硫化,具备与硅橡胶进行共混以及共硫化的有利条件。
本实验采用共混改性的方法,以硅橡胶为基体材料,通过丁基橡胶与硅橡胶进行合金,提高基体硅橡胶的阻尼性能,添加白碳黑补强剂进行增强提高基体硅橡胶的物理机械性能,拓宽硅橡胶制品的应用领域。
1 实验部分
1.1 原材料
聚二甲基乙烯基硅氧烷(VMQ):黏均分子量M(=62±5万,美国GE 公司生产;丁基橡胶(IIR):门尼黏度ML1+8(125℃):40~80,不饱和度:0.6%~2.0%,德国拜尔公司生产;过氧化二异丙苯(DCP),化学纯;白碳黑(SiO2):T36-5,沉淀法,吉林双龙化工公司产品;硅烷偶联剂(KH-845-5),南京曙光化工总厂生产;氧化锌(ZnO):分析纯,市售;硬脂酸(SA):分析纯,市售。
1.2 基本配方
VMQ:100份,IIR:0~100份,SiO2:0~30份, DCP:0.5~2.5份,KH-845-5:0~2份,ZnO :0~5份,SA:0~3份。
1.3 设备仪器
开放式炼塑机:SK-250,无锡市第一橡塑机械设备厂;模压成型机:YX-50,上海伟力机械厂;电磁平板硫化机:XLB-DC-600×600-2A,株洲时代机电设备有限责任公司生产;电子万能试验机:CMT-7105,珠海三思计量仪器有限公司扫描电镜:kyky2800,北京科仪器厂。
1.4 材料制备
在二辊开放式炼胶机上,先加入一定量的丁基橡胶,待包辊后缓慢加入剩余胶料,然后依次加入SA、ZnO,混炼10min左右,加入硅橡胶至混合均匀,最后加入硫化剂DCP。进行薄通,混合均匀后出片,在平板硫化机上进行模压硫化成型,待用。
1.5 性能测试
力学性能:用标准裁刀制成拉伸试样,按GB/T528-1998进行试验,拉伸速率为500mm/min,邵尔A硬度按GB/T531-1992的方法测定。
DMA测试:将试样按要求裁成4mm×12mm×3mm尺寸条状,美国TA公司Q800型动态热机械分析仪,单悬臂,升温速率2℃/min,测量温度范围为-80~100℃。
相态结构观察:试样采用液氮低温脆断,表面喷金处理,在kyky2800扫描电镜下进行观察。
2 结果与讨论
2.1 力学性能
在基础配方下,以硅橡胶为基质向体系中加入不同比例的丁基橡胶进行共混改性,研究了对硅橡胶复合材料机械力学性能的影响,如表1所示。
从表1中的力学性能数据对比可知,随着体系中丁基橡胶用量比例的增加,硅橡胶阻尼复合材料的硬度稍有降低,拉伸强度呈下降趋势,扯断伸长率和永久变形有所增大。
为了提高硅橡胶复合材料的力学性能,通过向体系中加入一定量的补强剂白炭黑来进行增强,以硅橡胶和丁基橡胶1∶1的体系为研究基础配方,考察了添加不同用量的白炭黑时硅橡胶复合材料的机械力学性能,如表2所示。
从表2所列对比数据可知,在硅橡胶阻尼复合体系中,加入补强剂白炭黑可以有效提高和改善其力学性能,且随着白炭黑用量的增加其提高效果就越明显,同时材料的扯断伸长率和永久变形有一定下降。
2.2 阻尼性能
2.2.1 VMQ/IIR共混体系的阻尼性能
硅橡胶作为阻尼减振材料,其综合阻尼性能是衡量其阻尼减振效果的重要数据,本文选择具有优良阻尼性能的丁基橡胶材料进行共混,目的就是提高和改善硅橡胶的阻尼性能。以硅橡胶为基体材料,研究了向体系中加入不同比例的丁基橡胶,运用动态力学性能分析测试方法考察复合材料的阻尼性能变化规律,如图1所示。
从图1中对比曲线可以明显看出,在硅橡胶基体材料中加入一定具有高阻尼性能的丁基橡胶材料,明显提高硅橡胶基体材料的阻尼性能,与纯硅橡胶的阻尼曲线对比,可以大幅度提高其阻尼损耗因子,同时有效拓宽其阻尼温度范围。
随着丁基橡胶在硅橡胶基体中用量的增加,其最大损耗因子也相应提高,且有效阻尼温度范围也得到拓宽。同时,在谱图上只出现一个大而宽的阻尼峰,说明硅橡胶和丁基橡胶两者之间具有良好的相容性。可见,通过在硅橡胶中加入具有一定相容性和较高阻尼性能的丁基橡胶,可以明显改善硅橡胶的阻尼性能。
2.2.2 VMQ/IIR/SiO2共混体系的阻尼性能
硅橡胶具有良好的使用性能,在作为阻尼结构材料时,需要其具有良好阻尼性能的同时还应具有一定的力学性能。以阻尼性能较好的硅橡胶丁基橡胶1∶1体系为研究基础配方,考察加入增强剂白炭黑后体系材料的阻尼性能变化规律,如图2所示。
从图2曲线对比可知,在体系中加入补强剂白炭黑后,复合材料在力学性能上有明显的变化,同时其阻尼性能有一定的下降,最大损耗因子降低,有效阻尼温度范围变窄。随着补强剂用量的增加,整个降低趋势越明显,整个DMA曲线稍有向高温区域移动。在硅橡胶丁基橡胶体系中加入白炭黑后,对复合材料的阻尼性能产生一定的影响,说明材料的体系结构发生一定的变化,这一方面的研究将在后面的相态结构中有所描述和分析。
2.3 相态结构
在硅橡胶体系中加入白炭黑后可以明显改善和提高其物理机械力学性能,但对材料的阻尼性能产生一定影响。从不同体系的FTIR谱图分析(图略)可知,白炭黑的加入并没有对材料的分子链结构产生破坏或影响。同时,由粘弹性阻尼材料的阻尼作用产生机理可知,说明白炭黑的加入部分改变了体系的相态结构,进而直接影响到材料的阻尼性能(如图3和图4所示)。
从图3可以看出,对于纯硅橡胶体系,其断面SEM照片光滑平整,说明其为均相结构体系。在体系中加入丁基橡胶后,两者产生相互缠绕贯穿的材料结构体系,由于两者存在较好的相容性,其共混体系的相态结构可以保持较好的均一相态结构(如图4),这为有效保持体系材料的良好阻尼性能奠定基础。
在体系中加入白炭黑后,一方面在有效提高其物理机械力学性能的同时,补强剂也改变了复合材料体系的相态结构,加入白炭黑后使具有均一相态结构的体系产生一定的破坏,使两者之间的相容产生一定的降低作用,从其共混体系的SEM谱图上也可以清晰看出(如图4所示),且随着白炭黑用量的增加,相容性降低的作用就越明显。因此,如何在保持共混体系的机械力学性能的同时又尽量降低白炭黑对其阻尼性能损害方面的研究将在下面介绍。
2.4 硅烷偶联剂的作用研究
2.4.1 力学性能
大量文献资料表明,对白炭黑表面进行有效的改性和处理,能显著提高补强剂白炭黑和基体材料间的相互作用,有效提高共混材料的相关力学性能,研究了添加硅烷偶联剂对体系材料力学性能的影响,如表3所示。
从表3中可以看出,在共混体系中加入一定量的硅烷偶联剂,可以在一定程度上改善材料的力学性能,其拉伸强度有所提高,扯断伸长率和永久变形变化不大。
2.4.2 阻尼性能
对于本实验所研究的硅橡胶共混体系,同时还研究了硅烷偶联剂对材料阻尼性能的影响,通过改变添加量,考察了不同并用体系的阻尼性能变化情况,如表4所示。
从表4中数据对比可以明显看出,在体系中加入一定量的硅烷偶联剂,可以有效改善材料的阻尼性能,最大损耗因子得到一定的提高,最大损耗因子对应的温度点稍向高温移动,损耗因子大于0.3的有效阻尼温度范围有所拓宽。在所研究的配方体系和硅烷偶联剂用量范围内,随着硅烷偶联剂用量的增加,材料的整个DMA曲线有向高温域移动的趋势。说明通过对白炭黑表面的改性和处理,在一定程度上可以有效改善材料的阻尼性能。
3 结 论
以硅橡胶为基体材料,通过加入具有高阻尼性能的丁基橡胶进行共混改性,成功制备出具有高阻尼因子和宽有效阻尼温度范围的粘弹性硅橡胶阻尼复合材料,其最大损耗因子tanδmax≥0.7,损耗因子大于0.3的温度范围△T tanδ>0.3≥100℃。同时,研究了丁基橡胶和补强剂白炭黑等用量对硅橡胶阻尼复合材料力学性能、阻尼性能和相态结构的影响规律。通过研究,为高性能硅橡胶阻尼减振材料的制备及其阻尼性能的研究提供了可借鉴的研究基础。
摘要：以硅橡胶和丁基橡胶为基体材料,成功制备出高阻尼宽温域粘弹性硅橡胶复合材料,最大损耗因子tanδmax≥0.7,损耗因子大于0.3的温度范围△Ttanδ>0.3≥100℃。同时研究了材料的力学性能、阻尼性能和相态结构。结果表明,在硅橡胶基质中,加入具有一定相容性的高阻尼丁基橡胶材料,可以显著提高体系的阻尼因子,拓宽有效阻尼温度范围。补强剂白炭黑的加入可以提高材料的机械力学性能,但对材料的阻尼性能产生一定的负面影响,通过加入一定量的硅烷偶联剂KH-845-5对白炭黑表面进行改性处理,可以部分有效解决这两种性能间的矛盾,达到高性能硅橡胶阻尼减振材料使用上的性能平衡。
弹性环氧灌浆材料的性能研究 篇8
近年来, 水库大坝、高速公路、桥梁等混凝土结构老化后出现了大量的裂缝, 许多裂缝的宽度还会随温度变化、水位涨跌及载荷的变化而不断张合。在以往的工程中, 都是采用收缩小、力学强度高、耐久性好的环氧灌浆材料进行化学灌浆原位修复。但是环氧树脂本身是一种脆性的热固性树脂, 目前大量使用的糠醛丙酮环氧树脂灌浆材料的韧性虽有所提高, 但仍是一种脆性材料[1,2,3,4], 材料的断裂变形比较小, 不适合灌注变形大的伸缩缝。采用传统糠醛丙酮环氧灌浆材料加固的一些水库大坝工程, 随着缝隙的张合会导致材料的破坏, 因此, 每隔一段时间都需要重新注浆。
针对这种伸缩缝隙的灌注, 需要采用一种方法对环氧树脂进行改性, 提高其弹性, 使得环氧灌浆材料能广泛地应用在类似于水库大坝的伸缩缝中。目前在环氧树脂的增韧方面已经有了大量的研究[5,6,7,8], 但是真正能应用到可伸缩缝灌注方面的环氧灌浆材料还是比较少, 也很少有合适的方法去衡量环氧树脂灌浆材料在伸缩缝中的使用效果。
本文采用压力机对材料进行多次反复的压缩, 通过测量材料多次压缩之后力学强度的变化以及恢复时间和恢复状况来表征灌浆材料在伸缩缝隙中的变化情况。通过这种模拟材料在伸缩缝隙中的挤压和张拉情况的方法来表征环氧树脂灌浆材料的弹性。
本文用聚乙二醇PEG200化学改性环氧树脂, 制备出一种高弹性的环氧树脂灌浆材料, 与聚乙二醇PEG200物理共混制得的环氧树脂灌浆材料相比, 该材料可以经受多次压缩而强度不会降低, 从而具有很好弹性, 且粘接强度、拉伸强度和剪切强度等其它方面的性能也都达到了JC/T 1041—2007《混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料》标准的要求。因此, 采用该方法制成的环氧树脂灌浆材料可以用来修复混凝土中的伸缩缝。
1 试验部分
1.1 原材料与试验仪器
双酚A型环氧树脂:E-51, 工业品, 美国壳牌公司;聚乙二醇:PEG200, 进口分装, 广东光华化学厂有限公司;催化剂:实验室自制;AGE (C12~C14烷基缩水甘油醚) 、SY-692 (苄基缩水甘油醚) :工业品, 上海晟盈科技有限公司;固化剂:实验室自制;促进剂:DMP-30。
NDJ-4型旋转黏度计;RFX-65A傅立叶变换红外光谱仪;WDW3020型微机控制电子万能试验机;p HS-25C型雷磁精密数显酸度计测试。
1.2 弹性环氧树脂灌浆材料的制备
1.2.1 改性环氧树脂的合成
按一定比例称取环氧树脂E-51及催化剂, 置入四口烧瓶中, 油浴加热至100~120℃, 然后滴加聚乙二醇PEG200, 滴加后再升高温度到130℃左右继续反应1~2 h, 经冷却得到改性环氧树脂。其具体合成路线如下。
1.2.2 弹性环氧灌浆材料的配制
将制得的改性环氧树脂与稀释剂配成A组分, 固化剂和促进剂配成B组分, 再将A、B组分按照表1所示的配比混合, 便可以制得所需的弹性环氧灌浆材料。
1.3 分析测试与性能表征
(1) 黏度:按照GB/T 2794—1995, 采用NDJ-4型旋转黏度计进行测试;
(2) FTIR分析:采用美国Analect公司RFX-65A傅里叶红外转换光谱仪测试;
(3) 环氧值:采用盐酸-丙酮法测试;
(4) 密度:在室温下, 采用体积法进行测试;
(5) pH值:在室温下, 采用p HS-25C型雷磁精密数显酸度计测试;
(6) 抗压强度:按照GB/T 2569—1995, 试样为直径10.00mm, 高度为25 mm的圆柱体。将材料室温固化15 d后, 用WDW3020型微机控制电子万能试验机, 在室温下分5次对同一试样进行抗压强度测试, 取试样压缩至原长度50%时的抗压强度为压缩终点时的抗压强度;
(7) 恢复时间:从抗压试样压缩到原长50%处时开始计时, 到材料恢复至原长时所需要的时间记为材料的弹性恢复时间;
(8) 拉伸强度:按照GB/T 2568—1995制样, 然后再用WDW3020型微机控制电子万能试验机测试拉伸强度, 拉伸速度为5 mm/s。
2 结果与讨论
2.1 改性环氧树脂的结构及性质
2.1.1 改性环氧树脂的结构分析
未改性的环氧树脂E-51和经PEG200改性的环氧树脂E-51的红外谱图可分别见图1、图2。
由图1、图2可以发现, 改性E-51的环氧基特征峰在914cm-1处, 其强度明显比未改性的E-51在918 cm-1处的环氧基特征峰要弱很多, 且位置要后移, 这主要是因为在环氧树脂中间引入聚乙二醇后使得环氧基所占的比例下降, 从而导致环氧基特征峰的强度减弱。又因为改性后的E-51的环氧基之间的距离比未改性的E-51上的环氧基之间距离大, 从而导致彼此的影响较小, 所以环氧基的特征峰后移。而在3000~3400 cm-1处, 改性后的E-51的羟基峰明显比未改性的峰宽, 强度也较大, 主要是因为聚乙二醇上的羟基与环氧基反应之后生成羟基, 而导致整个体系的羟基比例增大。所以, 从图1、图2红外光谱可以看出, 经过上述反应后, 实现了PEG200对E-51的改性。
2.1.2 改性环氧树脂的性质
(1) 黏度
对于灌浆材料来讲, 只有较低的黏度才能灌入细微的裂缝, 因此, 在制备环氧树脂灌浆材料时必须考察体系的黏度变化情况。
在灌浆材料中使用的主体环氧树脂一般是E-51或E-44, 其中E-51的黏度为25 000 m Pa·s左右, 而E-44的黏度更大, 因此, 需要降低环氧树脂灌浆材料的黏度。本文通过将PEG200接入到E-51分子结构中间, 增大了刚性环氧树脂分子的运动性, 从而降低了环氧树脂的黏度。下面就PEG200的添加量 (占E-51的质量比) 对黏度的影响进行讨论。
PEG200的添加量对环氧灌浆材料黏度的影响见图3。
从图3可以看出, 改性树脂的黏度随PEG200添加量的增加而逐渐减小。E-51树脂本身的黏度在25 000 m Pa·s左右;当PEG200添加量为10%时, 体系的黏度急剧下降到7700m Pa·s;当PEG200添加量从10%增加到35%时, 其黏度从7700 m Pa·s降低到1200 m Pa·s。这说明PEG200具有非常好的降低黏度的作用, 主要原因是PEG200和环氧树脂反应后, 2个分子通过柔性的醚键连接, 分子间距离增大, 环氧树脂分子链的位阻减小, 分子运动能力增强, 树脂的黏度降低。
(2) 主要物理性质
改性环氧树脂淡黄色透明, 不溶于水, 密度1.13 g/cm3, p H值5.6, 环氧值0.3~0.4。
2.2 改性环氧灌浆材料的性能
分别从PEG200添加量、稀释剂种类、稀释剂含量以及固化剂的含量等方面对改性环氧树脂灌浆材料的抗压强度、恢复时间以及其它力学性能进行分析和表征。
2.2.1 PEG200添加量对改性环氧灌浆材料性能的影响
(1) 抗压强度
抗压强度是反映灌浆材料力学性能的一项重要指标, 当环氧树脂灌浆材料灌入细微裂缝时, 不仅仅要求材料有较好的抗压强度, 也需要该材料具有一定的弹性, 使其在裂缝多次抗压之后能够恢复到原来的力学状态。本文通过考察5次重复压缩对材料的抗压强度和恢复时间的影响来表征材料的耐压缩性能。
PEG200添加量对改性环氧灌浆材料抗压强度的影响见图4。
从图4可以看出, 随着PEG200添加量的增加, 浆材的抗压强度逐渐减小, 主要原因是随着PEG200添加量的增多, 有较多的PEG200接入环氧树脂分子之间, 导致环氧基之间的距离变大, 从而导致材料固化后形成的交联网络也越不致密, 所以强度下降。
从图4还可以看出, 改性后的浆材不仅有很好的抗压强度, 而且具有十分优异的弹性。除了PEG200添加量为10%时只压了2次材料就破坏之外, 其它配比的试样都可以经受反复的压缩, 且压缩之后都能恢复到原来的长度。说明PEG200添加量过少, 材料的弹性较小, 耐压缩性能不强。但是PEG200的添加量也不宜过多, 否则会造成游离态PEG200过多, 将会严重降低材料的各项力学性能。
(2) 恢复时间
恢复时间可以从另外一个角度反应材料的弹性及伸缩性能, 一般来讲恢复时间越短则说明该材料的弹性越好。PEG200的添加量对改性环氧灌浆材料抗压后恢复时间的影响见图5。
从图5可以看出, 随着PEG200添加量的增加, 环氧灌浆材料恢复时间逐渐缩短, 当添加量为35%时, 试样基本上只需要十几分钟就可以恢复。这说明PEG200的加入对环氧树脂的弹性具有很大程度的提高, 随着PEG200添加量的增加, 体系内具有弹性的醚键也越多, 从而导致在压缩时所储备的弹性势能逐渐增多, 所以恢复时间也较短。但是PEG200与E-51的比例不能太高, 否则体系内的游离态PEG200含量过高, 这会导致材料的抗压强度减小, 使材料容易被破坏。
(3) 拉伸强度与断裂伸长率
拉伸强度和断裂伸长率也是表征材料弹性的一项重要指标, 传统的糠醛丙酮体系环氧灌浆材料的拉伸强度较大, 但是其断裂伸长率较小, 一般在4%~8%, 很易在缝隙张拉过程中被破坏。而本文研制的聚乙二醇改性环氧树脂灌浆材料具有较好的断裂伸长率 (见表2) , 能够抵抗缝隙的变化对材料的破坏。
由表2可以看出, 随着PEG200添加量的增加, 材料的拉伸强度逐渐降低, 断裂伸长率逐渐增大。主要原因是, 随着体系内PEG200添加量的增加, 一方面, 由于PEG200引入到E-51中后使得分子链变长, 环氧固化后的交联网络也没有未引入PEG200前密实, 且游离态的PEG200也会增多, 所以该材料的拉伸强度逐渐降低。另一方面, 随着PEG200的增多, 体系中的醚键逐渐增多, 从而使得分子链的运动能力变强, 材料的弹性越来越大, 所以该材料的断裂伸长率逐渐增大。
综上所述, 综合考虑黏度、抗压强度、恢复时间、拉伸强度及断裂伸长率等影响因素, 以及行业标准对环氧树脂灌浆材料的要求, 本文认为, PEG200与E-51的质量比在20%~30%时较为合适。
2.2.2 稀释剂对改性环氧灌浆材料性能的影响
图3表明, 经PEG200改性后E-51的黏度降低了很多, 但即使PEG200添加量为35%时, 其黏度也还有1200 m Pa·s, 不能够满足环氧树脂灌浆材料对黏度的要求。一般环氧树脂灌浆材料要求黏度在200 m Pa·s左右, 因此, 还需要在PEG200改性后的体系中加入稀释剂来进一步降低其黏度。本文就AGE和SY-692两种稀释剂的添加量 (稀释剂占改性后环氧树脂的比例) 对E-51的稀释效果及其对固结体力学性能的影响进行讨论。以下性能测试所用环氧树脂均为PEG200添加量为25%时的改性E-51环氧树脂。
(1) 黏度 (见图6)
从图6可以看出, PEG200的添加量为25%时, 改性环氧树脂体系的黏度随着稀释剂添加量的增加从420 m Pa·s逐渐降低至120 m Pa·s。这主要是由于稀释剂的加入使环氧树脂E-51的分子运动受到的阻力更小, 运动能力变强, 所以黏度也随着稀释剂含量的增多而逐渐变小。
图6还表明, SY-692和AGE两种稀释剂的稀释效果总体相近, 但在相同的用量下, SY-692的稀释效果略好于AGE。主要原因是, AGE中存在很长的碳链和双键, 很容易发生分子链间的缠绕或交联而增加分子运动阻力, 而SY-692即苄基缩水甘油醚由于存在刚性基团, 分子较小而不存在缠结的问题, 所以后者的稀释效果更好一些。且SY-692中存在刚性的苯环, 与柔性的烷基链相比, 它的黏度对温度更加敏感, 又因为固化反应是一种放热反应, 所以, 随着温度的升高, 其黏度降低的更快。
虽然说黏度越小越有利于灌注, 但是黏度太小, 其力学性能也会变弱。因此, 不宜加入太多的稀释剂。
(2) 抗压强度
分别使用不同的稀释剂AGE、SY-692, 按照不同的配比对改性之后的环氧树脂进行稀释, 然后按固化剂的理论添加量配以一定的固化剂和促进剂, 在室温固化15 d后测抗压强度。
不同稀释剂的添加量对环氧灌浆材料抗压强度的影响分别见图7、图8。
由图7、图8可见:
①经过本文提出的改性方法和配比制得的环氧树脂灌浆材料具有很好的抗压强度和弹性, 能够多次反复压缩, 且可以恢复至原状。
②随着稀释剂增多, 抗压强度逐渐减小。主要原因是稀释剂是单环氧官能团的物质, 它跟固化剂反应生成的是小分子物质, 在环氧树脂E-51与胺形成的交联网络中起着降低交联网络密度的作用。所以随着稀释剂含量的增多, 小分子物质所占的比例增大, 交联网络的密度逐渐减小, 所以抗压强度逐渐降低。
③掺加55%AGE稀释后的试样在一次压缩之后就被破坏, 不能再恢复至原来的状态。主要是由于稀释剂掺量过大, 固化之后形成的低分子量物质含量过高, 会导致整个固化体系不够稳定, 试样容易被压坏, 所以稀释剂添加量不宜过多, 一般在20%~35%比较合适。
④这2种稀释剂对环氧灌浆材料抗压强度大小的影响差别不大, 在稀释剂含量低于20%时, 各试样抗压强度基本能够达到40 MPa以上, 符合行业标准对环氧树脂灌浆材料固化物性能要求。
(3) 恢复时间
不同稀释剂的添加量对环氧树脂灌浆材料抗压后恢复时间的影响见图9。
从图9可以看出, 随着稀释剂添加量的增加, 恢复时间逐渐减小, 当稀释剂添加量为40%~50%时, 试样基本上都能够在5 min内恢复至原高度。主要原因是稀释剂与固化剂生成的小分子结构的物质在交联网络之间起着弹性小颗粒的作用, 随着稀释剂添加量的增多, 体内弹性小颗粒的含量也逐渐变多, 所以恢复时间逐渐变小。
图9还表明, SY-692的弹性恢复时间相对AGE较短, 主要是因为AGE中含有较长的分子链, 这些分子链之间有一定程度上的缠结, 所以恢复时间相对较长。
综上所述, 当稀释剂添加量为20%~25%时具有较佳的黏度、抗压强度和恢复时间。
2.2.3 固化剂添加量对改性环氧灌浆材料性能的影响
固化剂对环氧树脂灌浆材料的各项性能有着十分重要的影响, 选择合适的固化剂添加量对环氧树脂灌浆材料具有重要意义。本文采用PEG200添加量为25%时的改性环氧作主剂, 用AGE作为稀释剂, 其用量为改性环氧树脂的20%。按照环氧基与活泼氢摩尔比为1∶1, 可以计算得到理论固化剂添加量 (占添加稀释剂后的环氧树脂质量比) 为12.4%, 再依据该比例分别取固化剂含量为6.4%、9.4%、12.4%、15.4%、18.4%、21.4%时分别对其抗压强度和恢复时间进行考察, 便可以得出该材料应用在伸缩缝灌注时的最佳固化剂使用量。
(1) 抗压强度
固化剂的添加量对环氧灌浆材料抗压强度的影响见图10。
从图10可看出, 随着固化剂添加量的增加, 试样的抗压强度先增大后减小。主要原因是, 固化剂添加量较少时, 材料固化不是很充分, 从而导致抗压强度较低。随着固化剂添加量的增加, 固化剂与环氧树脂形成的交联网络变得更加致密, 所以抗压强度也就逐渐增大。但是当固化剂添加量继续增加时, 固化后的交联网络变得更加致密, 使分子运动能力下降, 进而导致材料较脆, 很易被破坏。另外, 环氧的固化是放热反应, 放热又会加快固化反应速度, 若固化剂添加量过多, 固化太快, 而导致固化不均一, 甚至会导致爆聚, 从而会破坏材料的力学性能, 其抗压强度会下降。
(2) 恢复时间
固化剂添加量对环氧灌浆材料恢复时间的影响见图11。
从图11可以看出, 随着固化剂用量的增加, 恢复时间逐渐缩短, 主要原因是随着固化剂的增多使得交联网络更加致密, 从而使得试样在经压缩之后所储备的弹性势能越来越大, 从而导致在释放压力之后, 试样会以较快的速度恢复至原样。
综上所述, 相对于不同性能指标来讲, 其固化剂的最佳含量不同, 并不能完全按照理论计算最佳固化剂含量。综合考虑各项性能指标, 本文中的固化剂含量在10%~12%较为合适。
3 结 论
(1) 经过PEG200改性的环氧灌浆材料, 力学性能基本达到了JC/T 1041—2007《混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料》的要求, 且能够经受反复压缩, 具有良好的弹性, 适合可伸缩缝隙的灌注。
(2) 经PEG200改性后的E-51, 黏度与未改性的E-51相比有很大程度的降低, 再配以一定的环氧树脂稀释剂, 黏度会变得更低。当PEG200添加量为25%, 改性环氧树脂的黏度为2080 m Pa·s;加入20%稀释剂SY-692, 黏度降低为250 m Pa·s, 再配以一定的固化剂之后, 黏度降低至160 m Pa·s左右, 基本满足环氧树脂灌浆材料对黏度的要求。
(3) 当PEG200添加量为E-51的20%~30%, 稀释剂的添加量为改性环氧的20%~25%, 固化剂添加量为A组分的10%~12%时得到的环氧树脂灌浆材料其黏度和力学性能最适合伸缩缝的灌注, 其抗压强度为40~60 MPa, 拉伸强度为5~11 MPa, 断裂伸长率达到25%左右, 远远大于传统的环氧灌浆材料。
参考文献
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粘弹性材料 篇9
随着人类社会的进步与物质生活水平的提高,人们对周围生活环境的舒适性提出了更高的要求。振动和噪声环境的长期作用不仅会影响人们的身心健康,降低工作效率,还会导致结构设备因长期振动而疲劳破坏、精密仪器灵敏度下降。控制振动、降低噪声已经成为迫切需要解决的课题[1]。
从广义上看,声学现象实质上就是传播媒质(气体、液体、固体等)质点所产生的一系列力学振动传递过程的表现,而且声波的发生基本上也来源于物体的振动[2]。振动与噪声紧密联系在一起,因此必须将两者相结合研究减振降噪问题。对于振动、噪声的控制应该在噪声(振动)源、传播途径和接受者三个层次上实施。控制噪声(振动)就应当从声源上降低噪声(振动),从传播途径上隔断、吸收噪声(振动)和对噪声接收的对象进行必要的保护[3]。
从声源上降低噪声(振动)首先应着力研发振动与噪声较低、对环境影响较小的设备,从源头上减小设备的振动与噪声。但设备性能的提升并不是无限制的,还应从传播途径上隔断、吸收噪声(振动)以及采取措施对噪声作用的对象进行必要的保护。噪声按传播途径的不同主要分为空气噪声和固体噪声两大类,不同的传播途径决定了对它们处理的方法也不同。空气噪声是声波通过空气介质传导,因而对空气噪声主要采取隔声措施,如采用隔声材料或密闭结构隔绝噪声等。固体噪声则是噪声作用于结构上引起结构的振动而辐射噪声,对于固体噪声的处理则主要靠隔振与减振措施,如优化结构避免共振,增加结构的自身刚度,增加结构阻尼以衰减振幅等。对噪声接受对象保护的常用方法主要有使用防声耳塞、耳罩和防声帽盔等[4]。
黏弹阻尼材料不但兼具隔声、吸声和减振等优点,而且来源广泛且应用成本较低,目前已在汽车、船舶和飞机行业的振动与噪声控制中得到了广泛的应用[5]。日本的铃木汽车公司研究了黏弹性阻尼层对车厢弯曲振动和乘车舒适性的影响[6,7],范蓉平等通过实验研究了不同阻尼材料应用于列车车内减振降噪的效果[8],王奎洋等对汽车驾驶室分别采用敷贴阻尼材料和加筋板的降噪方法降低了驾驶室内部噪声[9],杜冬菊等对阻尼材料在潜艇管路上减振应用进行了研究[10],汪浩等研究了不同阻尼材料复合试样的减振效果,提出了阻尼测量及数据处理的改进措施[11]。目前黏弹阻尼减振技术已成为控制结构振动降低噪声的主要方法之一,这种技术特别适用于控制宽频带多峰共振响应,能够有效的控制结构的振幅、降低噪声,增加结构的疲劳寿命。
本文针对薄壁金属间壁类结构,选择了两种黏弹性阻尼材料。通过对两种不同黏弹性阻尼材料自身阻尼性能的测试,为阻尼减振降噪材料的选用提供依据。根据黏弹性阻尼材料自身阻尼性能的测试结果,选取一种黏弹性阻尼材料涂敷在金属板构件上,进行减振与隔声性能测试。研究黏弹性阻尼材料对金属薄壁结构减振降噪的影响。这些试验丰富了阻尼减振降噪的工程应用实例,同时试验结果对指导结构减振降噪也具有参考价值。
1 黏弹性阻尼材料的选取及测试过程介绍
1.1 黏弹性阻尼材料
工程应用阻尼材料的选取要综合考虑多方面因素。由于黏弹性阻尼材料的阻尼性能并不是一成不变的,它会随着温度变化表现出较大的差异性。温度过高或过低都不利于阻尼材料阻尼性能的发挥。只有在温度处于阻尼材料的玻璃态转化区时,阻尼材料在该区域内的弹性模量急剧下降,高分子链段由完全冻结向自由运动转变,在外力作用下软硬链段发生摩擦产生热而消耗机械能,才具有较好的阻尼性能。因此选取阻尼材料的玻璃态转化区温度要覆盖工作环境的温度变化的范围。同时考虑到工程应用方便,选取的阻尼材料还要满足方便大面积喷涂,耐老化,无毒无害等要求。综合以上各方面因素,本文选取了HY 05—3777和DB两种阻尼材料,尝试将其应用于工程结构的减振降噪处理。
1.2 黏弹性阻尼材料的阻尼性能测试
本文对涂有不同种类阻尼材料试样进行阻尼性能测试,采用声学阻尼材料测试国家标准[12]中的悬臂梁法。悬臂梁法适用于大多数类型的材料,对于选用的阻尼材料,将其涂敷在金属板上做成复合试样进行测试。试样为矩形条状试样,长180 mm,宽10 mm,基材均为0.9 mm厚钢板,如图1所示。测试试样均竖直安装,上端刚性夹定,下端自由。
本试验所用测试系统如图2,利用信号发生器进行扫频激励,对试样施加简谐激励力,由激光位移传感器测试试样的振动响应,经放大后接入数据采集系统记录。测试时保持恒定的激励力,连续改变频率,测出试样的弯曲共振曲线。根据弯曲共振频率和共振峰宽度计算出损耗因子。对于复合试样试验,阻尼材料的损耗因子测量分两步进行:(1)测量金属基板的共振频率和储能弯曲模量;(2)制成复合试样后再测共振频率和共振峰宽度。由二次测试的数据计算阻尼材料的损耗因子。
2.3 减振与降噪效果测试
涂敷黏弹性阻尼材料板类构件的减振降噪效果测试在声学混响室中进行。本试验所用混响室分为发声混响室和受声混响室两部分,发、受声混响室之间设有1.3 m2测试窗口。如图3所示,将球面声源放置在发声混响室中用于发出白噪声,发声混响室中布置声压测点1用以监测球面声源发出白噪声声压级。在受声混响室中布置四个声压测点用于测试发声混响室中白噪声经过测试窗口衰减后受声混响室的声压级,如图4。
测试所用板类构件为4 mm厚钢板,在板中心点和长边1/4点处分别布置加速度传感器1和2用于测试板的振动(如图5)。根据黏弹性阻尼材料阻尼性能测试的结果选取阻尼性能较好的阻尼材料涂敷在钢板上。分别测试涂敷黏弹性阻尼材料前后板的振动与隔声特性,分析黏弹性阻尼材料对钢板的减振降噪影响。
2 测试结果及分析
2.1 黏弹性阻尼材料的阻尼参数测试结果
为了准确地测试HY 05—37777和DB两种不同种类黏弹性阻尼材料的损耗因子,将阻尼材料按照不同的厚度分5组涂敷在钢条上做成复合试样,每组试样由3个涂敷同样厚度黏弹性阻尼材料的样条组成。对同组样条测得的复合损耗因子和损耗因子进行平均处理。
HY 05—3777和DB两种不同种类黏弹性阻尼材料的平均厚度与平均复合损耗因子、平均损耗因子之间的关系如图6和图7所示。从图中可以看出,对于HY 05—3777和DB两种黏弹性阻尼材料,在一定的喷涂厚度范围内,平均复合损耗因子随着涂覆材料的厚度增加而变大。从材料HY 05—3777测试结果看,当阻尼涂层达到一定厚度(3 mm)时,复合损耗因子对涂层厚度的增加已不敏感。这说明对一种具体的结构而言,阻尼涂料的喷涂存在一个最佳厚度,需要针对具体的基材和阻尼层的特性,通过大量的试验测试获得。HY 05—37777和DB两种阻尼材料的损耗因子随涂覆厚度的不同变化不大,说明损耗因子是阻尼材料的固有属性,与材料的涂覆厚度无关。在不同厚度条件下,DB阻尼材料的损耗因子均比HY 05—3777阻尼材料大,说明DB阻尼材料的阻尼性能要优于HY 05—3777阻尼材料。
2.2 减振与降噪效果测试结果
针对两种黏弹性阻尼材料的阻尼参数测试结果,选择阻尼性能较好的DB阻尼材料涂敷在板类样件上。将测试样件按四边固定的安装方式安装在混响室的测试窗口上,分别测试涂敷黏弹性阻尼材料前、后两种工况下测试样件在白噪声激励下的振动响应与隔声特性。
对于受声室内4个声压测点数据的处理采取多通道数据求平均的处理方法,4个声压点测量数据的平均值Lpm用公式(1)计算:
式(1)中:Lim—第i点测得的第m频带声压级(振级),单位dB(A);每个声压测点的总声压级L则用公式(2)计算:
式(2)中:Lpm—测量频段内第m个中心频率对应的测点平均声压级,单位dB(A);M—测量频段内中心频率总个数。
图8为涂敷黏弹性阻尼材料前后声压测点1检测的发声室球面声源发出的白噪声1/3倍频程声压级,由图中可以看出两次测试发声室球面声源发出的白噪声一致。图9和图10分别为1#和2#振动测点在涂敷黏弹性阻尼材料前后板的谱分析曲线对比。由图中可以看出,不涂阻尼材料板类样件在白噪声激励条件下低频和3 000 Hz—4 000 Hz频带范围内振动加速度较大,除低频外在整个频带范围内振动特性与发声室球面声源发出的白噪声声压级分布特性一致。在相同的白噪声激励条件下,涂敷阻尼材料比不涂阻尼材料在整个频带范围内板类样件的振动幅值均有大幅度的衰减,特别是在低频和3 000 Hz—4 000 Hz振动峰值较大的频点,振动幅值衰减最大能达到90%以上,有效地降低了板类样件的宽频带多峰振动。
图11为涂敷阻尼材料前、后两种安装工况下板的隔声量对比结果。由图可以看出,涂敷阻尼材料前后1/3倍频程A计权声压级隔声量曲线趋势与发声室内声压级趋势基本一致,随着频率的增加隔声量整体呈上升趋势,在整个频带范围内高频的隔声量较低频有明显提高。除个别频点外,涂敷阻尼材料后测试样件隔声量比不涂阻尼材料在整个频带范围内均有所提高。从总声压级看,涂敷阻尼材料前后隔声量分别为37.6 dB(A)和39.8 dB(A),涂敷阻尼材料比不涂敷阻尼材料隔声量有2.2 dB(A)的提高。
3 结论与展望
本文选取了阻尼性能较好的阻尼材料涂敷在板类结构上,分别测试涂敷前后振动噪声响应、传递特性。通过测试可以得到如下结论:
(1)涂敷阻尼材料比不涂阻尼材料在整个频带范围内板类样件的振动幅值均有大幅度的衰减,能够有效地降低宽频带多峰振动。
(2)在整个频带范围内高频的隔声量较低频有明显提高;涂敷阻尼材料后测试样件隔声量比不涂阻尼材料在整个频带范围内均有所提高;从总声压级看,涂敷阻尼材料比不涂敷阻尼材料隔声量有2.2 dB(A)的提高。
(3)本文主要研究了黏弹性阻尼材料对板类结构振动与噪声的影响,对阻尼材料分别涂敷在发、受声侧以及不同的涂敷厚度对振动与噪声的影响还需进一步研究,这将在今后的工作中进行探讨。
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球形生物材料干燥时的弹性应力研究 篇10
生物材料通常都具有多孔的内部结构和较高的初始含水率,在干燥过程中随着含水率的降低常常伴有明显的收缩和变形。生物材料干燥后的品质主要由生物材料在干燥过程中的收缩决定。不同的生物材料在脱水过程中的各种属性,如密度硬壳的形成、裂缝和其它条件都会影响生物材料的收缩过程[1]。
鉴于干燥应力应变研究的重大理论和实践意义,国外学者早在上世纪50年代就对其进行研究。但由于生物材料本身结构及其干燥过程弹性参数变化的复杂性,其独特的干缩湿胀性能,以及干燥环境的恶劣,使许多用于测量金属应变的仪器和方法难以适用于测量生物材料干燥应变,致使生物材料干燥应力的研究困难重重。因此几十年来,研究的重点大多放在了如何准确、方便地测量干燥应力,而对生物材料干燥过程中的应力应变模型却没什么研究。
聚合物的结构类似于粮食和其他类型的生物材料,因为凝胶的结构较简单,所以广泛应用于模型的研究[2,3]。在我国,数学模型大多应用在对木材的干燥应力应变研究中,然而对生物材料干燥应力应变却没有进行过多的研究。鉴于此,现针对生物材料干燥过程中的组织收缩,以期对生物材料干燥中的应力应变数学模型进行构建。
1模型的构建
构建球形颗粒离散单元及应力平衡单元模型图(图1)。图1中σr,σt为径向应力和剪切应力。
2 应力应变模型
根据图1有径向应力和切向应力。参考文献[4]的弹性应变模型。在径向方向,应符合力学平衡条件
对于小变形,广义胡克定律可简化为
由总的应变与几何形状的关系得:
由式(3)和式(5)得
再将式(6)代入式(1)得:
式(7)中σri为i层试样径向应力;σti为i层试样切向应力;εri为i层试样径向应变;εti为i层试样切向应变;Si为i层试样径向位移;ri为i层试样半径;E为杨氏模量;μ为泊松比。
计算Si时,取颗粒局部体积变化与含水率的函数及球形颗粒整体收缩模型[5,6]为:
式中Mi为颗粒经过t时间i层的含水率;r
3 模型的计算
现做如下假设:(1) 材料组织各向同性;(2) 由于球形材料同一单元层的杨氏模量与剪切模量相差很小,可用杨氏模量代替剪切模量且为常量。(3) 在恒温状态下,忽略了温度对含水率、水分扩散系数、应力和应变的影响。
假定球形颗粒的干燥速度由颗粒内部的扩散阻力决定,则球形颗粒内的水分迁移可由Fick定律描述
初始条件及边界条件为:
式(11)中M为颗粒的局部干基含水率,kg/kg(d·b);M0—颗粒初始干基含水率,kg/kg;Me—颗粒的干基平衡含水率,kg/kg;t—时间,s;r—某点到球心的距离,m;Deff—多孔材料的水分扩散系数,m2/s。
以去皮球形土豆试样对模型进行计算, 其土豆力学参数[7,8,9]为:
E=5.37 MPa; μ=0.2; Me=0.3; M0=4.62; Deff=4.05×10-9。
运用Matlab编程:(1) 得出土豆各层的含水率Mi,见图2。(2) 将各参数代入式(6)和式(7),得出径向应力和剪切应力,见图3和图4。
图2为干燥过程中土豆各节点含水率随干燥时间的变化曲线。结果表明:① 表层的含水率变化最大,由表层到内层,各层含水率变化依层减小。② 在同一时间,内层含水率要高于表层含水率。
图3为土豆各节点剪切应力随干燥时间变化的曲线。结果表明:① 剪切应力值由表层到内层,其值依次从负值到正值。一般情况下,正的应力值是指拉伸应力,负的应力值是指压缩应力。表层的压缩应力主要是由于表层的快速脱水而产生的,内层保持较高的含水率,其值为正,而中间层的剪切应力几乎为零。② 在恒速干燥期,表层的剪切应力比其它单元层要早达到最大值,而且要比径向应力早达到最大值。③ 各单元层达到最大值后都缓慢减小直至接近到零。
图4为土豆各单元层径向应力随干燥时间变化的曲线。结果表明:① 含水率与径向应力成正比,含水率高的核心部位的径向应力最大,而表层的径向应力几乎为零。② 在恒速干燥期,由于里层的含水率高和低机械性能,所以径向应力增幅较大。各单元层达到最大值后都缓慢减小直至接近到零,这是因为含水率梯度在减小,径向应力值也随之减小。
由图3和图4得:剪切应力远大于径向应力。这与文献[10]所得结果是一致的,表层剪切应力是造成材料开裂的主要原因。
4 结论
(1) 建立的球形弹性应力应变模型能较精确地计算土豆的应力与应变,通过计算结果能得知表层和里层的破裂情况,如果不能预测表层的最大剪切应力,使剪切应力大于破坏强度,将影响到产品的品质。
(2) 剪切应力和径向应力最大值都出现在恒速干燥期。剪切应力最大值出现在快速脱水的表层。径向应力最大值出现在含水率高的核心部位。
摘要：建立了弹性应变状态下,生物材料干燥的应力应变模型。应用此模型,可以在得到物料各单元层含水率变化的基础上,得到各单元层的应力与应变。以球型土豆为例,得到:在恒速干燥期,各单元层径向应力与剪切应力逐渐增大,并且剪切应力在1 h～2 h之间达到最大值,径向应力在1 h～3 h之间达到最大值。剪切应力最大值出现在表层,径向应力最大值则出现在含水率高的核心部位。各单元层的应力在达到最大值后缓慢减小,最终接近于零。
关键词：生物材料,应力,应变,模型,干燥
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