电气材料分析实验报告1.docx

电气材料分析实验报告流变、拉伸实验 姓名：*班级：硕*班学号：*指导老师：* 日期：2013年11月7日试样的制备工艺及拉伸试验一、实验目的1. 了解试样制备的一般工艺过程，包括原料的密炼、压片、制片等；2. 了解RC-90型转矩流变仪的工作原理和操作方法，并利用RC-90型转矩流变仪对原料进行密炼；3. 了解微机控制电子万能试验机的原理和操作方法，并利用微机控制电子万能试验机测量材料的拉伸性能。二、实验原理1. 拉伸实验原理固体材料机械性能试验的目的是测定在机械力作用下材料的变形以及使材料破坏的机械应力。由于在各种机械和设备的运行中，由各种材料包括绝缘材料制作的部件会承受相当高的机械负荷，因此，材料的机械性能试验更具有实际意义。拉伸试验室力学试验中最常用的一种。它是在规定的试验温度、湿度与试验速度下，在试样上沿纵轴方向施加拉伸载荷，使其破坏，如图1所示。图1 试样受拉伸载荷时的情况测定试样破坏的最大载荷P和对应的标线间距离L的变化，即可求出拉伸强度t和断裂伸长率St。并绘制应力应变曲线，如图2所示。求出弹性模量。图2 拉伸时的应力应变曲线拉伸强度t按下式计算 （1）式中： t 拉伸强度(kg/cm2)； P 最大破坏载荷(kg)；b 试样宽度(cm)；d 试样厚度(cm)。断裂伸长率St为 （2）式中：St . 断裂伸长率(%)；L0 试样的有效长度(cm)；L , 试样断裂时标线间的距离(cm)。Oa段是弹性形变区，从直线的斜率可以求出杨氏模量，从分子机理来看，这一阶段的普弹性是由于高分子的键长、键角和小的运动单元的变化引起的。比例极限如图2中a点所示。有O至a点为一条直线，表示应力t与应变St成正比关系，符合胡克定律。对应a点的应力为该直线上的最大应力，称为比例极限应力。在Oa这条直线上，我们可以选取适当的和S求出弹性模量Et(kg/cm2) （3）屈服极限如图2中y点所示，定义为在应力应变曲线上第一次出现的应变增加而应力不增加时的应力，屈服点之后是塑性区，冻结连段开始运动，材料产生塑性形变，不再恢复原状。bc段为屈服阶段，即大变形区又称为强迫高弹形变，本质上与高弹形变一样，是链段的运动，但它是在外力作用下发生的。ct段为应变硬化区，分子链取向排列，使强度提高。t点为断裂点，它可能高于屈服点，也可能低于屈服点。因此，计算拉伸强度时所指的最大破坏载荷，不一定就是t点的断裂载荷，而应该是应力应变曲线上最大应力点的载荷，拉伸强度常用“强”和“弱”来形容。弹性模量Et反映了材料的刚性，表征材料抵抗变形能力的大小，常用“硬”和“软”区分材料的模量高低；断裂伸长率反映了材料的延展性，用“韧”和“脆”区分材料断裂伸长的长短，韧性是指材料断裂时所需能量的度量，能量时应力与应变的乘积，因此延展材料韧性比脆性材料高的多。2. RC-90型转矩流变仪测量原理转矩流变仪是研究材料的流动、塑化、热、剪切稳定性的理想设备。与研究材料流动性的一般仪器粘度计相比，该流变仪提供了更接近与实际加工的动态测量方法，可以在类似实际加工的情况下，连续、准确可靠地对材料的流变性能进行测定，如多组分的混合、热塑性树脂的交联、弹性体的硫化、材料的动态稳定性以及螺杆转速对体系加工性能的影响等。根据不同的试验目的需要，通过更换相应的测量附体，进行动态模拟混和、密炼、挤出、吹塑等实际的加工过程。可广泛应用于研究、教学、生产等部门开发新材料，设计新配方、测定物料性能，摸索加工工艺条件。转矩流变仪的设计目的是在高剪切效果下使聚合物熔体的多相组分得以良好混合。由于转矩流变仪与实际生产设备(密炼机、挤出机等)结构类似，且物料用量少，所以可在实验室中模拟混炼、挤出等。在此工艺条件下，被高度剪切的物料反抗混合的阻力与其粘度成正比，转矩流变仪通过扭矩传感器测量这种阻力，得到扭矩随时间变化曲线称之为“流变曲线”，用来分析高分子材料的加工和流变性能，同时制备各种预混试样用于物理和化学性能的测试。智能化流变仪具有转矩测量分辨力高，温度重复性好，数据处理力强等优点，可以分辨复合料中成分的微小改变以及混料工艺不同造成的干混料流变曲线的细小变化。3. 微机控制电子万能试验机的测量原理材料机械性能测试采用的仪器是SANS公司生产的CMT4503型微机控制电子万能(拉力)试验机，其整体结构如图3所示。图3 CMT系列微机控制电子万能(拉力)试验机万能试验机可以用于其测量范围内任何材料的拉、压、弯机械性能的测试。应用万能试验机测试机械性能时，所采用的试样形状应该是规则的。按照国家标准，通常拉伸试验采用哑铃状或条状试样，压缩式样采用圆柱体试样或正方形柱体试样，弯曲试验采用圆形、方形、长方形或多边形横截面的试样。应注意：弯曲外表面不得有划痕，方形和长方形试样的棱边应挫圆，其半径不应大于2mm。本次拉伸实验选择的是哑铃状片形试样，具体形状和参数如图4和表1所示。图4 哑铃状试样示意图表1 哑铃状试样的几何尺寸符号名称尺寸/mm公差符号名称尺寸/mm公差L总长(最小)150W端部宽度200.2H夹具间距离1155.0d厚度C中间平行部分长度600.5b中间平行部分宽度100.2G0标距(或有效部分)500.5R半径(最小)60三、实验设备和试样1. 实验设备1）RC-90型转矩流变仪马达功率 3.6kW 温度范围 0500转矩测量范围 0200Nm , 压力显示范围,0700bars2）微机控制电子万能试验机 最大实验力 5kN 试验力 0.4%100%Fs 试验分辨力 1/300000Fmax. 变形分辨力 1/300000amax 大变形测量 10800mm .分辨力 0.008mm 横梁速度调节范围 0.001500mm/min .有效拉伸空间 850mm2. 实验试样 1）密炼 纯的交联聚乙烯（XLPE）粒料2）拉伸试验拉伸试验的试样均为片状的交联聚乙烯试样。经过密炼得到的XLPE料经过平板硫化机制成方形试样，再用冲片机和刀具压出如图4所示的哑铃状试样。此次老师的演示实验只选取了两个XLPE试样，实际实验中应该选取至少5个试样。四、实验步骤1. 密炼实验步骤1) 检查三相和单相电源是否已正确连接。2) 开启CPU电源（顺时针方向退出），屏幕应显示主菜单，并伴有啸叫声，可将MDU的复位开关复位，即停止啸叫，同时合上MDU的电源及Motor开关；3) 检查MDU上所连的混合器或挤出器是否已就位，无错装；4) 按菜单程序要求，分别键入测试所需数据及信息，Setup分菜单的个别项目可不操作，如Files；5) 进行校正（混合器测试必须在电机已驱动下进行），校正时速度应已达到规定值，螺杆或转子应已装好，试样未投入；6) 校正完毕后即可用专用工具向混合器中投料，并关闭混合器的进料口，准备完成后，方可进行试验；7) 混炼完毕后，关机停止搅拌，取出试样并对混合器中的残留样品进行清理，擦净后重新安装妥当以备下次使用，最后切断电源。2. 拉伸试验步骤1) 打开试验机主机电源；2) 按软件启动方式进入软件，选择正切的传感器进行联机；3) 在输入用户参数窗口选择欲做实验方案；4) 输入存盘文件名，或采用默认文件名；5) 测量试样尺寸；6) 输入试样尺寸、试样标距及相关试验参数，可以一次输入一根试样的尺寸，也可以一次输入所有试样的尺寸；7) 安装夹具及装夹试样；8) 开始实验，软件自动切换到试样界面；9) 观察试验过程；10) 到试样断裂，实验结束，在试验结果栏中，程序将自动计算出的结果显示在其中。如您想清楚点观看结果，可双击试验结果区，试验结果区将放大到半屏，方便观看结果数据，再次双击试验结果区大小复原。如想分析曲线，双击曲线区，曲线区将放大到半屏，方便分析曲线，再次双击，曲线区大小复原；11) 生成实验报告并储存实验结果，以便以后分析；12) 关闭软件以及试验机主机电源五、实验结果及数据分析1.密炼结果密炼实验设定的温度为130，转速为50rpm，其实验过程图像（示意图）如下图所示：图5 密炼过程示意图从图中可以看出一开始没有往密炼腔中添加母料，转矩为零，温度从室温逐渐升高到设定温度后保持不变。在加料后，由于XLPE料没有融化，转矩迅速变大而温度下降；接下来随着XLPE的逐渐融化，转矩渐渐下降而温度也渐渐回升。转矩下降到某个数值后保持不变，表示XLPE已融化完全。2.拉伸试验结果表1 塑料拉伸性能试验报告试验标准GB 13022-91试验速度100mm/min试验温度21.9变形传感器大变形试样厚度试样宽度试样原始标距弹性模量断裂伸长率 mm mm mm MPa 第 1 根1.0004.00020.000185.413527.110第 2 根1.0004.00020.000170.863557.615平均值1.0004.00020.000178.138542.363最大值1.0004.00020.000185.413557.615最小值1.0004.00020.000170.863527.110中值1.0004.00020.000178.138542.363平均差7.27515.253不均率0.0410.028标准偏差n-11022离散系数n-15.7763.977变异系数n-15.7763.977表1 塑料拉伸性能试验报告拉伸断裂应力拉伸强度拉伸屈服应力断裂能最大力 MPa MPa MPa J N第 1 根23.33723.3419.9605.37093.364第 2 根26.22626.2269.7155.836104.902平均值24.78224.7849.8385.60399.133最大值26.22626.2269.9605.836104.902最小值23.33723.3419.7155.37093.364中值24.78224.7849.8385.60399.133平均差1.4451.4430.1230.2335.769不均率0.0580.0580.0120.0420.058标准偏差n-1220.170.338.2离散系数n-18.2438.2311.7615.8818.230变异系数n-18.2438.2311.7615.8818.230图6 XLPE试样的应力-应变曲线表1和图6所示的是XLPE试样的拉伸试验结果。首先，从图6可以看出试样的应力-应变曲线是符合材料力学中的有关规律。oa段是弹性形变区，a点之前应力和应变是线性关系。a点到b点的变形属于强迫高弹性变形，除去外力后，成为永久变形。bc段是材料的应力软化阶段，此时应变增加、应力反稍下跌。cd段材料应力到达屈服应力之前变形是均匀的，到达之后，开始出现不均匀形变，沿试样的某些特殊点上开始颈缩。随后，颈缩区的局部变形增加，强度和刚度增加。df段为取向硬化阶段，此时拉伸应力明显增加，这促使了细颈的稳定发展，而在e处出现了一个缓变过程。从表1来看，材料的断裂伸长率分别为527%和557%，说明试样有较好的韧性，但是其拉伸强度分别为23.341MPa和26.226MPa，弹性模量分别为185.413MPa和170.863MPa，均不是太高，所以材料的强度并不大，但是由于交联，所以推测其强度可能会大于聚乙烯，不过这需要进一步的实验进行验证。六、实验注意事项1. 密炼注意事项1) 密炼腔中可以填入最多约50g料，由于事实上密炼腔的容量上限应该是容积而不是质量，所以在投入一些密度小的高分子材料时，投入的质量因远远小于50g；2) 试验过后必须认真清洗RC-90流变仪，因为试验过程中会向仪器中添加各种添加剂，如果有残留会影响到下次试验。2. 拉伸试验注意事项1) 实验方案设置中，变形传感器包括位移、大变形和引伸计。其中大变形传感器仅仅记录试样有效部分（见图4，表1）的位移，而位移传感器还记录进了端部的位移变化，引伸计传感器精度高范围小；2)