（固体力学专业论文）泡沫塑料可压缩的塑性力学性能研究.pdf

中文摘要 泡沫塑料是一种应用广泛的材料，它以塑料为基本成分，含有大量气泡是 一种以气体为填料的复合材料。由于它质轻、比强度高、吸收冲击载荷的能力强、 隔热和隔音性能好，被广泛应用于农业、建筑、航空、运输、包装等行业，因此 它的力学性质受到广泛的关注。 本文对泡沫塑料的可压缩的塑性力学性能作了一定的实验及理论分析。 第一章介绍了泡沫塑料力学研究的国内外研究背景与主要研究工作，重点 突出研究泡沫塑料可压缩的塑性力学性能。 第二章介绍了泡沫塑料的结构特点，制作，本身特点及分类等基本知识。 第三章介绍了对泡沫塑料进行静态压缩实验。文中介绍了实验装置的设计 原则、标定以及测量所需要的国家标准。在三种状况：不同密度、不同加载方式、 循环加卸载下做了实验，进行了详细地分析与总结。用实时拍摄记录加载过程， 得到泡沫塑料单胞体图片，计算出泊松比。从而更进一步得出泡沫塑料的体积应 变与应力的关系，得出与典型塑性理论相矛盾的事实体积在进入塑性变形后为可 变的。总结出泡沫塑料弹性模量与密度关系函数。 第四章推导出和应力应变曲线及密度有关的本构关系。更改塑性力学全量 理论的经典假设，推导出适用于泡沫塑料的全量理论。 第五章进行了有限元公式的推导。探讨了对不同孔径的泡沫塑料进行有限 元分析计算，观察结果是否和实验相符合。并对泡沫塑料的微观破坏进行有限元 模拟。 第六章本文的总结与展望提出不足与希望。 关键词：泡沫塑料体积应变可压缩性本构方程力学性能 a b s t r a c t f o a mp l a s t i ci sac o m m o l 灯u s e dh i g hp o l ，a n e rm a t e r i a li t sg e n e r a l c o m p o n e n t 缸p a b t i ca i r a si ti su g h t , w i t hh i g hs p e c i f i cs t r e n g t b s t r o n ga b i l i t y 协 a b s o r bi m p a c t i n gl o a d , h e a t - l n s u l a t e da n dn o i s e - i n s u l a t e d ，i th a snw i d e a p p l i c a t i o ni na r i c l u t a r e , c o n s t r a c t i o n , a g i t a t i o n ，t r a n s p o r t a t i o n ，p a c k i n ga n ds o 0 1 9 1 s om o r ea n d m o r ep e o p l ep l a c em u c he m p h a s i so ni t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h i ld i s s e r t a t i o nd o e ss o m ep r i m a r yi n v e s t i g a t i o ni n t ot h ec o m p r e s s i b l e p l a s t i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i n c h a p t e r l ，t h e g u r r c n ts t a t u so fr e s e a r c h i n gr e q u i r e m e n t sa n d d e v e l o p m e n t so ft h i sk i n do fm a t e r i a la 地r e v i e w e d i ts t a t e st h ei n v e s t i g a t i o n b a c k g r o u n da n dm j o rc o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o n i nc h a p t e r 2 ，t h eb a s i cc o n c e p t sa n dk n o w l e d g ea b o u tf o a mp a l s t i e s s t u r e t a r ec h a r a c t e r i s t 6 c , p r o d u c i n ga n dc i 掷a r ed i s c u s s e d i nc h a p t e r 3 , t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ee o m r e s s i b l er e x p e r i n t e n lt h e d e s i g no fe q u i m e n t , c r i t e r i o no fe x p e r m e n t sa n dc a l i b r a t i o no ft h i se q u i p m e n t a p ed e t a i l e dr e p r e s e n t e d s o me x p e r i m e n t s , d i v e r s i t yl o a d i n gw a y sa n dd i v e r s i t y d e n s i t ya n dc y c l el o a d i n g , a r ed o n ei nt h i sp a p e r u s i n ga n 唧a n ds i m p l em e t h o d t om e a s u r et h ep o i s s o n sr a t i o t h e n ，d e r i v i n gt h er a l a t i o n s h i po fv o l u m e t r i c s t r a i na n ds h 帆a tl a s t ，ac o n c l u s i o ni sd r a w nw h i c hi st h ev o l u mo ff o a mp l a s t i c c h a n g ei np l a s t i cd e f o r m i n g , i nc h a p t e r 4 , d e d u c i n gt h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o n sa n dr e d e d u c i n gt h ep l a t i c t h e o r ya b o u tt h ec h a n g i n gv o l u m e i nc h a p t e r s , d e r i v i n gt h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r ya b o u tp l a s t i c c a e u l a t i n gt h e d i v e r s i t ys i z ef o a mp l a s t i sa n ds i m u l a t i n gt h ed a m a g e do t l o o k i n go f f o a mp l a s t t i c t h el a s tc h a p t e rd r a w st h ec o n c l u s i o no ft h ew h o l ed i s s e r t a t i o n t h e w e a k n e s sa n dt h ea p p l i c a b l er a n g eo fm o d e li sp o i n to u t , a n dt h ep r o s p e c to f t h er e s e a r c hi sb r o u g h tf o r w a r d s k e yw o r d s ：f o a mp l a s t i c , v o l u m e t r i cs t r a i n , c o m p r e s s i b i t l i t y , c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：列穆皂 签字日期：卯多年7 月髟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤空盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞太茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 割决 签字日期：7 卯；年7 月形日 一名：冶坼扛 签字日期：劬一6 年乞月q 日 r， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在传统的工程材料中，孔洞通常被认为是一种结构缺陷( 如缩孔、缩松) ， 因为它们往往是裂纹形成和扩展的中心，并对材料的物理、化学性能及力学性能 产生不利影响，严重危害产品的性能及使用寿命。但是，当材料中孔洞的数量增 加到一定程度后( 1 5 ) “1 ，材料会由于孔洞的存在而表现出一些特殊的、不同于 致密材料的独特性能，这就是多孔材料。 自然界中存在着大量的多孔材料，如树木、骨骼、海绵、珊瑚等。这些多 孔材料的独特结构不仅赋予其优异的力学性能，而且使其具有许多特殊的功能。 如树木除了以其较高的力学性能起到支撑的作用外，还可以通过孔隙传输水分和 营养，而且由于其轻质高强的特点被用作建筑材料：骨骼则为动物构建起了轻巧、 结实的骨架。在利用自然界所提供材料的同时，人类向自然学习，根据自身需要 也制备出了许多具有优异性能的多孔材料，最典型的例子是高分子泡沫材料，它 己被广泛地应用于工业、民用、包装、运输、航空及军事等领域。 现在技术已能制备聚合物、金属、陶瓷甚至玻璃的三维多孔固体。大规模生 产的人造泡沫材料，应用于冲击能的吸收( 在包装和防碰中) 以及轻质结构( 如 夹层镶板芯材) ，它们的有效使用需要对其力学行为作详细的了解。甚至在力学 性能不是主要应用的时候一如当泡沫材料用于隔热、漂浮或过滤时其强度和断 裂行为仍然是重要的。 泡沫塑料是一种应用广泛的高分子材料，它以塑料为基本成分，含有大量 气泡，因此泡沫塑料也是一种以气体为填料的复合材料。与纯塑料相比，它有许 多优秀的性能，如质轻、比强度高、吸收冲击载荷的能力强、隔热和隔音性能好 等等。其用途极其广泛，近二、三十年来发展很快，特别在一些工业发达的国家， 泡沫塑料己成为一个单独的工业部门。它不仅具有较好的力学性能，也有较好的 绝热、绝缘、隔音和抗化学腐蚀性能，因而受到工程界的普遍重视这种材料一 经出现便以迅猛的速度发展，仅聚氨酯泡沫塑料一项的世界年消耗量就超过5 0 0 万吨。它除了在建筑、运输、包装、家具等行业具有广泛的应用外，它在航空、 航天等国防部门也有许多重要的应用。例如，飞机的机头罩、飞机的夹层结构、 客机的地板、座垫、扶手、机翼和机尾的填充支撑材料及雷达天线罩等都使用了 泡沫塑料。 从结构特点来说，泡沫塑料是一种人造多胞材料，相对密度低，比模量、比 天津大学硕士学位论文第一章绪论 强度高是这种材料的一种重要特性，这种特性使它成为理想的轻质结构材料。此 外，这种材料还具有良好的减振和能量吸收能力，因而在航空、航天结构中占有 重要地位”可见：泡沫塑料不论是作为功能材料还是作为结构材料，它在工农 业生产和国防建设中的应用都日益广泛。因此，对其力学行为进行研究已引起人 们的极大兴趣。国外对泡沫塑料力学性能的研究开始于五十年代末期，至今已有 较大发展。可是，国内对泡沫塑料力学性能的研究却起步较晚，成熟的工作也不 多见。 1 2 泡沫塑料的研究现状 关于聚氨脂泡沫塑科力学性质的研究工作主要有：应力一应变曲线的确定 及材料的本构关系；弹性模量及强度同泡沫密度的关系；断裂力学性能；冲击特 性及减震性能；疲劳特性；损伤及破坏机理，以及松弛和蠕变等。但由于泡沫塑 料是多孔的、其力学性能同材料密度有密切关系，而过去的工作主要集中研究低 密度泡沫塑料，对较高密度( 大于：o 3 9 c m 3 ) 的泡沫塑料研究较少，还没有现成 的本构模型可用。 1 2 1 国外泡沫塑料力学性能研究历史的回顾 回顾泡沫塑料力学研究的历史，泡沫塑料力学性能的研究起始于g e n t 和 t h o m a s 的奠基性工作，他们在1 9 5 9 年的著名论著中首先研究了这类材料的力学 行为。根据弹性支柱网络模型，他们得到了开孔泡沫塑料杨氏模量同基底材料模 量和结构参数( 或基底材料体积比) 之间的关系，并通过橡胶泡沫材料的实验证 图1 1g e n t 和t h o m a s 立方体结构模型及m a t o n i s 立方板结构模型 明他们所得理论结果的正确性。事实证明：当基底材料体积比小于0 3 时，他们 给出的理论预测值与实验符合得较好。他们还首次提出用立方体结构模型( 图l 一1 ) 研究开孔泡沫塑料的压缩变形，并把变形机制归结为弹性支柱的屈曲“1 。 g e n t 和t h o m a s 的工作对以后泡沫塑料力学性能的研究产生了深远的影响，这不仅 表现g e n t 和t h o m a s 模型导致了一些后继性工作的产生，如w h i t t a k e r ”，”1 等利用 天津大学硕士学位论文第一章绪论 囝津够 材料的非线性行为提供了理论框架。 相对于低密度泡沫塑料力学性能的研究来 说，较高密度泡沫塑料的力学性能研究很少。这 方面的工作主要基于增强复合材料的结果或基 于含孤立球形孔洞的弹性力学解，其中又以材料 杨氏模量的讨论居多，有关此问题详细论述见 天津大学硕士学位论文第一章绪论 除了对泡沫塑料的模量和强度性质进行了较为深入的研究外，还对泡沫塑料 的其他力学性能研究进行了广泛和深入的研究。例如，考虑应变率和温度对泡沫 塑料力学性能影响的主要工作有b u r e h e t t “”的1 9 6 7 年的工作，它研究了硬质聚氨 酯泡沫塑料的应变率和温度效应，试验表明屈服应力随应变率增加而增加，虽温 度增加而降低。温度对材料失效类型的转变起着根本的作用。g r e e n “”等用实验 研究了硬质、半硬质聚氨酯泡沫塑料的静、动态力学性能，得到一系列重要结论。 r a o 也研究了高应变率加载下软质泡沫塑料的力学行为。此外，r u s c h o “， s c h w a b e r n 。“，c o u s i n s 和r i c h a r d s o n 啪1 等在讨论泡沫塑料的抗冲击性能和 吸能特性时也考虑了泡沫塑料的应变率效应，考虑温度效应的工作还有p h i l l i p s 和w a t e r m a n 溉驯提供的实验结果。关于泡沫塑料缓冲性能、能量吸收和阻尼特性 的研究有很多文献发表，主要工作有：g e n t 和r u s c h o 3 羽，h i l y a r d o ”1 等人给出 的结果。关于泡沫塑料的本构关系前人也作了不少工作，但多数结果属于经验或 半经验的，其中包括g e n t 和r u s c h 绷，c h e n 和t h r o n e d l 等人的工作。泡沫塑料 的各向异性问题也有许多人研究。泡沫塑料的泊松比问题是十分有趣的课题，尤 其是l a k e s ”等人制造并讨论了负泊松比材料，增强泡沫塑料是一种十分有发 展前途的材料，它的制作和相应的力学性能的研究受到人们的及大重视。代表性 的工作是c o r g r e a v e 和s h o r t a l l “1 等人做出的，他们研究了玻璃纤维对泡沫塑 料的增强机理和失效机制。随着泡沫塑料应用领域的扩大，泡沫塑料的断裂力学 图1 4 胞体结构的s e m 照片， 密度( g m m 3 ) 为：a 0 0 3 b 0 3c ：0 5 性能的研究也成为人们关注的一个热点问题，主要工作有f o w l k e s t “j ， a n d e r t o n m “”和m a i t i 等人的结果。在泡沫塑料力学性能的研究中，为提出描 述不同密度泡沫塑料的力学模型，人们对泡沫塑料的胞体机构形态进行了大量的 观察( 图卜4 ) ，得出：低密度泡沫塑料具有五边十二面体结构，中密度泡沫塑 料具有圆形多面体结构和高密度泡沫塑料具有球形的胞体结构。呻1 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 国内泡沫塑料力学性能研究历史的回顾 国内对泡沫塑料力学行为的研究开始与8 0 年代中期，由于未受到应有的重 视，所以这方面的研究工作报道很少，多数研究结果也不涉及较深的力学问题。 华云龙和余同希( 1 9 9 1 ) 首先在国内报告了多胞材料的力学行为，但他们的 介绍主要集中在二线蜂窝结构材料的力学性能方面。张小鹏等对作为缓冲器的聚 氨酯泡沫塑料进行了压缩力学性能的测试。 卢子兴等于1 9 9 2 年开始对聚氨酯泡沫塑料的力学性能进行实验研究，并在 理论方面进行了一些探索性工作，取得了可喜的结果和进展。主要工作包括：对 注射成型聚氨酯泡沫塑料进行了扫描电镜分析，得到t d a w s o n 删等人基本一致的 结果，但发现当密度为0 5 9 m m 3 左右时，泡沫塑料胞体之间仍存在相互连通的现 象嘞1 ，对较高密度硬质聚氨酯泡沫塑料( 密度为0 5 9 m 3 ；0 5 9 m 3 ) ，进行了 i n s t r o n 低速压缩删、落锤冲击实验嘟删和s h p b 应力波加载实验阻力，研究了材 料的应变率效应等力学性能，得到一些重要的实验现象和资料。并且试验后对泡 沫塑料试件又进行了扫描电镜测试，分析了泡沫塑料的破坏机理嘶叫。在理论研 究方面，针对低密度泡沫塑料，提出对l e d e r 珊a a n 模型的修正，由此导出了包含 应变率效应的拉伸本构关系咖。基于前人的工作提出对已有一些各向异性模型的 修正，考虑了支柱横向尺寸对力学各向异性的影响1 。而针对高密度泡沫塑料研 究了它们的模量性质，并成功地将复合材料力学中的微分方法用于确定泡沫塑料 杨氏模量等弹性性质，从理论上证实了平方率模型这一经验关系可在整个密度范 围内描述泡沫塑料的杨氏模量蚴。根据微分法方程，得到一些便于工程应用且与 实验符合较好的近似结果旧蚓。此外，依据复合材料力学中的三相球模型，也确 定了泡沫塑料的有效模量嘟删。作为理论探讨，得到了椭球比及孔隙比对杨氏模 量、泊松比的影响鲫。作为一种试探性研究，研究了基体为非线性材料时的高 孔隙比泡沫塑料的本构关系，最终得到与单轴压缩实验资料相拟合的本构关系 形式。 平幼妹和余本农研究了加载速度对两种缓冲包装材料( 聚苯乙烯和聚乙 烯泡沫塑料) 静态压缩特性的影响，实验结果表明：当应变速度在一定范围内变 化时，此类材料与时间有关的应力可分离为一个时间函数与应变函数的乘积。此 外分析表明：测定此类材料的静态压缩特性时，加载速度在一定范围内的变化对 实验结果的影响可以略去不计。 胡时胜等用分离式h o p k i n s o n 压杆对硬质聚氨酯泡沫塑料进行了高应变率 实验，完整地给出了硬质聚氨酯塑料在高应变率下的动态应力应变曲线，并 对动态力学性能和吸能缓冲机理作了简单分析n ”。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 目前存在的问题 纵观泡沫塑料力学性能研究的历史和国内外泡沫塑科力学行为研究的现状， 我们认为泡沫塑料力学性能的研究需要同材料科学联系起来。泡沫塑料作为一种 包装、衬垫和缓冲材料( 主要是低密度的) 研究高应变率作用下泡沫塑料的能量吸 收机制和应力波在材料中的传播特性具有重要的意义。作为一种轻质结构材料或 夹层结构的填装材料，研究它的破坏及断裂力学规律非常必要，应建立这种材料 在复杂应力状态下的失效准则。此外，从细观角度认识泡沫塑料的破坏和损伤演 化的机制。建立细观参数同宏现物理量的关系也十分重要，它有助于对泡沫塑料 的本构行为，疲劳、断裂行为及能量吸收特性等问题的认识。 泡沫塑料作为一种特殊结构的材料它的力学性能和结构有很大的关系。普遍 认为材料在塑性变形很小时，可以不考虑体积的变化，然而实际情况并非如此。 对于泡沫塑料来说，进入塑性阶段体积有一定的变化。 1 4 本文的主要研究工作 通过上述对国内外文献的综述，可知：泡沫塑料可压的塑性力学行为的研究 仍然是人们的研究关注的热点课题，本论文研究的主要工作有： 1 设计合理的试验装置测量不同密度、材料的和不同加载方式泡沫塑料的 力学参数及特性。得出泡沫塑料密度与弹性模量之间的函数关系。推导 出和应力应变曲线及密度有关的本构关系。 2 根据实验考察在泡沫塑料进入塑性阶段体积的变化量及泊松比的变化。 3 更改塑性力学全量理论的经典假设，推导出适用于泡沫塑料的全量理 论。并进行了有限元公式的推导。 4 对不同孔径的泡沫塑料进行有限元分析计算，观察结果是否和实验相符 合。并对泡沫塑料的微观破坏进行有限元模拟。 天津大学硕士学位论文 第二章泡沫塑料的基本概念 第二章泡沫塑料的基本概念 多孔材料普遍存在于我们的周围，在结构、缓冲、减振、隔热、消音、过 滤等方面发挥着重大的作用。高孔率固体刚性高而密度低，故天然多孔固体往往 作为结构体来使用，如木材和骨骼，而人类对多孔材料的使用，则不但有结构方 面的而且还开发了许多功能用途。本章主要介绍这种泡沫材料的基本概念和特 点。 2 1 多孔材料的概念 顾名思义，多孔材料是一类包含大量孔隙的材料。这种多孔固体材料主要 由形成材料本身基本构架的连续固相和形成孔隙的流体相所组成，其中流体相又 可随孔隙中所含介质的不同而出现两种情况，即介质为气体时的气相和介质为液 体时的液相。 图2 - 1 多孔固体举例( a ) 二 维蜂窝材料( b ) 三维开孔泡 沫塑料( c ) 三维闭孔泡沫塑 并不是所有含有孔隙的材料就能称为多孔材料。比 如在材料使用过程中经常遇到的孔洞、裂隙等以缺陷形 式存在的孔隙，它们的出现会降低材料的使用性能，这 是设计者所不希望的，因而这些材料就不能叫做多孔材 料。所谓多孔材料，须具备如下两个要素：一是材料中 包含有大量的孔隙；二是所含孔隙被用来满足某种或某 些设计要求以达到所期待的使用性能指标。可见，多孔 材料中的孔隙是设计者和使用者所希望出现的功能相， 它们为材料的性能提供优化作用m 】。 多孔固体的性能直接依赖于孔穴的形状和结构。多 孔固体是一种由形成孔穴的棱边和壁面的固体板或固 体杆所构成的相互联结而得网络体。其中最简单的方式 是多边形做二维排列，像蜜蜂的六边形巢穴那样堆积冲 填平面区间，我们称之为“蜂窝材料”；而更普遍的情 况是孔穴由做三维空间填充的多面体构成，这种三维多 孔材料称为“泡沫材料”。如果组成泡沫体的仅仅是孔 穴棱边，则称该泡沫体是“开孔”；如果多面体壁面也 辫鲤 天津大学硕士学位论文第二章泡沫塑料的基本概念 是固体的，以至于每个孔穴都与其相邻的孔穴相互封闭隔离，则说该泡沫体是“闭 孔”的( 图2 - 1 ) 。多孔固体最重要特性是其相对密度，风( 泡沫材料的密度， 除以制造其固体材质的密度店) 。用于减震缓冲、包装填塞和隔音隔热的聚合物 泡沫材料，其相对密度通常为0 0 5 - o 2 。” 多孔固体的结构变化可以从蜜蜂蜂窝的几乎完美有序到海绵和泡沫体的无 序三维网络。孔穴的形状在研究多孔结构的性能方面有着非常重要的作用，二维 的就有等边三角形、等腰三角形、正方形、平行四边形、正六边形和不规则六边 形等多种形态选择。任何一种多面体在它的几何拓扑学上都有各自的研究特点。 2 2 泡沫塑料 泡沫塑料又称多孔塑料，是一种以塑料为基本组分，内部含有大量气泡孔 隙的多孔塑料制品。由于泡沫塑料由大量充满气体的气孔组成，因此亦可视为以 气体为填料的复合塑料。一般热固性塑料、通用塑料、工程塑料和耐高温塑料等 均可制成泡沫塑料，该类多孔体是目前塑料制品中用量最多的品种之一，在塑料 工业中占有重要地位m ，。 制各泡沫塑料最常用的树脂品种有聚苯乙烯( p s ) 、聚氨酯( p u ) 、聚氯乙烯 ( p v c ) 、聚乙烯( p e ) 和服甲醛( u f ) ，其他常用品种还有酚醛( p e ) 、环氧( e r ) 、有 机硅( 0 s ) 、聚乙烯缩甲醛、醋酸纤维素及聚甲基丙烯酸甲酯( p a ) 等。另外，近 年来不断增加的品种，如聚丙烯( p p ) 、聚碳酸酯( p c ) 、聚四氛乙烯( p t f e ) 、尼龙 ( p a ) 等也在不断投产嗍。 2 2 1 泡沫塑料的制备蚴 聚合物的发泡是通过将起跑冲入液态单体或热聚物，使气泡长大并稳定， 然后经交联或冷却使其整体固化。 气体充入方式即可是机械搅拌，也可将发泡剂混入聚合物。物理发泡剂既 非活性气体，如二氧化碳或氮气，高压下将其压入热聚合物熔体，然后减压使其 膨胀成空泡。 通常在制备泡沫材料过程中，由于液态基体中发泡剂释放气体而引起了气泡 的形核，这些气泡核逐渐长大为气泡，当气泡大到一定程度，相邻的气泡相接触， 拥挤在一起，将材料排向气泡的间隙处，若材料膜破裂，则形成了网状结构。最 后，通过固化基体材料从液态转变为固态，这样便得到真实的泡沫材料。 天津大学硕士学位论文第二章泡沫塑料的基本概念 2 2 2 泡沫塑料的分类 泡沫塑料的分类方法较多，常见的有三种。 1 按泡孔结构分类可分为开孔泡沫塑料和闭孔泡沫塑料二类： 开孔泡沫塑料是泡孔之间相互连通，相互通气，发泡体中气体相与聚合物 相间呈连续相，流体可从发泡体内通过。至于流体通过的难易程度与聚合物本身 特性和开孔程度有关。 闭孔泡沫塑料是泡孔孤立存在，均匀地分布在发泡体内，互不连通，气泡 完整无破碎，泡孔壁形成发泡体的连接相。实际的泡沫塑料中两种泡孔结构同时 存在，即开孔结构的泡沫塑料体内带有闭孔结构，闭孔结构的泡沫塑料体内带有 开孔结构。如果开孔结构占9 0 一9 5 ，则称此泡沫塑料体为开孔结构泡沫、反 之则称为闭孔结构泡沫。闭孔结构对发泡体的力学性能影响较大，是泡沫塑料制 品的重要结构参数。开孔结构和闭孔结构的识别特征见图2 2 。 2 按硬度分类可分为软质、硬质和半硬质泡沫塑料三类： 在2 3 。c 和5 0 的相对湿度下，泡沫塑料的弹性模量小于7 0 兆帕的称为软 质泡沫塑料。在上述温度和相对湿度下，弹性模量大于7 0 0 兆帕的称为硬质泡沫 塑料。介于7 0 兆帕和7 0 0 兆帕弹性模量之间的泡沫塑料称为半硬质泡沫塑料。 软质的泡沫塑料是以高效的c 0 2 为发泡齐j ，泡孔是敞开的，以网络型为主； 硬质的泡沫塑料发泡靠低沸点溶剂( 三氯一氟甲烷) 的蒸发，形成饱和泡孔，并 充满溶剂的蒸气。嘲 3 按密度分类可分为低发泡、中发泡和高发泡泡沫塑料。 一泷黔蝴 r e )( f ) 图2 - 2 泡体结构 密度为0 4 克厘米3 以上，气体固体发泡倍率 9 的称为高 搦燃 天津大学硕士学位论文 第二章泡沫塑料的基本概念 发泡泡沫塑料。但也有把发泡倍率 5 的称为低发泡泡沫塑料，5 以上的称为高 发池边沫塑料。有把密度0 4 克厘米3 作为划分低发泡和高发泡泡沫塑料的界 限。 2 2 3 泡沫塑料的性能 由于泡沫塑料都是用气发泡制得，因此具有下列相同的性能。 1 密度小泡沫塑料中有大量气泡存在，共密度一般为0 0 0 4 0 0 4 克 厘米3 ，为非发泡塑料制品的几至几十分之一。 2 吸收冲击载荷性好泡沫塑料在受到冲击载荷时，泡孔中的气体受载荷 作用而压缩，产生一种滞流现象。这种压缩、回弹和滞流现象会消耗掉冲击载荷 能量。另外泡沫体还可以较小的负加速度，逐渐分步终止冲击载荷，故呈现出优 异的减震缓冲能力。 3 隔热性优良由于泡沫塑料中有大量泡孔，泡孔内有气体，而气体的热 导率比塑料低约一个数量级，故泡沫塑料的热导率低。此外，泡沫塑料中气体相 互隔离，也减少了气体的对流传热，有利于提高泡沫塑料的隔热性。实验证明： 聚苯乙烯泡沫塑料的密度为0 6 5 克厘米3 时，其热导率是非发泡聚苯乙烯的1 2 。 4 隔音效果好泡沫塑料隔音效果一是通过吸收声波能量，使声波不能反 射传递；二是通过消除共振，减少噪音来实现的。当声波到达泡沫塑料泡体壁时， 泡体受声波冲击，使泡体内气体压缩，并出现滞流现象，将声波冲击能消耗散逸 掉。另外泡沫塑料可通过增加泡体刚性，消除或减少泡体因声波冲击而引起的共 振及产生的吸音。 5 比强度高比强度是指材料强度与相对密度之比值，它代表材料的物理 特性。由于泡沫塑料密度低，比强度自然要比非发泡塑料制品高但泡沫塑料的 机械强度随发泡倍数增加而下降，一般认为微孔或小孔发泡的泡沫塑料强度高。 但从总体来看，泡沫塑料的比强度要比其他材料高得多。如以丙烯一丁二烯腈一 苯乙烯( 简称a b s ) 和发泡a b s 所作的悬臂粱冲击强度实验为例，非发泡a b s 密度 为1 0 3 克厘米3 ，模量为2 0 6 0 兆帕；发泡a b s 密度为0 5 克厘米3 ，模量为 6 8 6 兆帕。以相同形状的制品，在相同的测试条件下试验，结果表明a b s 泡沫塑 料要比非发泡a b s 悬臂梁冲击强度大2 6 6 倍。 2 2 4 影响泡沫塑料的性能的主要因素 泡沫塑料的制造是通过化学反应产生的气体，或机械搅拌引入的空气，或 蒸发的气体均匀分布在液体中而完成发泡，然后通过冷却或聚合反应而稳定泡 天津大学硕士学位论文 第二章泡沫塑料的基本概念 沫，因此，工艺条件对泡沫的泡孔构型和尺寸影响很大，泡孔的构型和尺寸在较 宽的范围内变化。 1 加工因素影响泡沫塑料性能的加工因素甚多，主要有设备、工艺过程 的控制和加工人员的经验。泡沫塑料在加工过程中特别是在发泡膨胀过程中，由 于料流的拖力或外界拉力作用，会使所生成的气泡变形，即不呈圆形，而呈椭圆 形和细长形气泡。这样泡壁沿膨胀方向拉伸，致使泡沫塑料呈现各向异性。也就 是说，沿拉伸方向取向的机械性能增大( 即纵向强度增大) ，而垂直于取向方向的 强度变低。对聚氨酯泡沫塑料所作的实验证明，泡孔的拉伸度愈大，相应的压缩 应力比和模量比也愈大，也就是说泡沫塑料的各向异性程度也愈大。压缩应力足 指泡体被压缩2 5 时所产生的相对应力。作为泡沫塑料应尽量避免各向异性除 非应用中有特殊要求。 2 泡孔结构因素泡孔的开或闭会影响泡沫塑料泡体的性能，有人通过针 刺泡孔以得到所要求的开孔率，结果表明开孔率变高，其压缩强度明显下降，压 缩强度是衡量泡沫塑料主要性能的指标之一。由此可见要制取高压缩强度的泡沫 塑料，应使闭孔率高，反之则应保持高的开孔率。 3 泡孔尺寸因素泡孔尺寸大小是影响泡沫塑料压缩强度的重要因素之 一。用光谱显微镜对两种泡孔大小不同的泡沫塑料泡体所做的压缩实验表明，大 泡孔( o 5 1 5 毫米) 泡沫塑料泡体被压缩1 0 时，外层泡孔肋架开始弯曲，当 被压缩2 5 时，外层泡孔崩塌，而泡体内层的泡孔则开始弯曲，泡体中心的泡 孔才开始变形。这说明0 5 1 5 毫米大泡孔的泡沫塑料泡体呈非等量压缩，而 小泡孔( 0 0 2 5 0 0 7 5 毫米) 泡沫塑料泡体，当被压缩时所有泡孔呈等量压缩， 即泡体的内外泡孔可均匀地吸收外加压缩能量，故认为小泡孔泡沫塑料压缩性能 优于大泡孔泡沫塑料。 另外，泡孔的大小还会影响其吸水率，泡孔直径愈大，吸水率就愈大。 此外，泡沫塑料的性能还取决于树脂性能、配方、泡体密度等因素，这些 因素又与成型条件有直接关系。随着发泡倍率的增大，泡体的拉伸强度、弯曲强 度、热变形温度等均随之下降，而制品的成型收缩率增加。其中泡孔结构、泡孔 形态和尺寸与成型工艺关系更紧密。 2 3 泡沫塑料的结构形态及力学模型 泡沫塑料的力学性能强烈依靠其微观结构。不同密度的泡沫塑料在微观结 构上存在很大的差异。同种密度的泡沫塑料利用一些特殊的工艺，也可以制出微 观结构相差很大的材料。 天津大学硕士学位论文第二章泡沫塑料的基本概念 2 3 1 泡沫材料的微观结构 泡沫塑料的力学性能强烈依靠其微观结构不同密度的泡沫塑料在微观结 构上存在很大的差异。同种密度的泡沫塑料利用一些特殊的工艺，也可以制出微 观结构相差很大的材料。 对泡沫塑料微观结构的认识主要基于扫描电镜和其它显微观察。通过微观 观察，人们得出以下结论：真实低密度泡沫塑料的胞体结构主要是五边十二面体 结构。开孔低密度泡沫塑料，其结构由空间的支柱框架组成，而闭孔低密度泡沫 塑料胞体上有膜覆盖。胞体的膜比支柱薄，厚度均匀；高密度泡沫塑料胞体基本 上是球形结构，但泡孔与泡孔之间往往有穿孔连接；中密度泡沫塑料的胞体结构 介于低密度泡沫塑料和高密度泡沫塑料之间，呈现球形多面体结构。( 图2 - 3 ) 图2 - 3三维多面体孔穴：c a ) 四面体；( b ) 三棱柱：( c ) 四棱柱；( d ) 六棱柱；( e ) 八 面体；c f ) 菱形十二面体；( g ) 五边形十二面体；( h ) 十四面体；( i ) 二十面体 天津大学硕士学位论文第二章泡沫塑料的基本概念 2 3 2 泡沫材料的力学模型 对不同结构的泡沫塑料，人们提出了不同的力学模型。对低密度泡沫塑 料的研究比较早，研究成果也比较全面。g e n t 和t h o m a s 对开孔低密度泡沫塑料提 出了弹性杆支柱网络模型，并由此得到了材料杨氏模量和基体材料模量及结构参 数之间的关系。同时他们还提出了立方体结构模型，用于研究闭孔低密度泡沫塑 料。他们把泡沫塑料的压缩变形机制归结于弹性支柱的屈曲。g i b s o n 和a s h b y 提 出用反映弯曲变形机制的交错立方体结构。这种结构虽不符合泡沫塑料的微观几 何结构，却在避免复杂几何描述的情况下反映了低密度泡沫塑料变形、破坏的物 理本质。g o o d s 等人发展了这一模型，他们借助量纲分析的方法，在考虑支撑杆、 薄膜的几何参数及胞体内气压等诸多因素的条件下，给出了低密度泡沫塑料的模 量和强度的预测公式。 对高密度泡沫塑料，国内国外的研究结果都比较少。2 0 世纪九十年代后， 卢子兴等人将颗粒增强复合材料的研究方法引入高密度泡沫塑料的研究中。先后 用自洽法、微分法等方法得出了高密度泡沫塑料有效模量和强度的解析表达式， 这些结果和实验值吻合得较好。 2 4 几种典型的泡沫塑料 2 4 1 聚苯乙烯泡沫塑料 聚苯乙烯英文简称p s ，1 8 3 9 年发明，1 9 3 0 年投入工业生产。它透明、无 味、无毒，容易着色，坚硬，电绝缘性好，但吸水性差。它用于制作日常生活用 品、玩具和装饰品，适宜生产仪表外壳、车辆灯罩。聚苯乙烯是无色透明体，表 面硬而有光泽。它容易着色，色泽晶亮。聚苯乙烯的制品落地或敲打时发出类似 金属的清脆声音。它看上去像玻璃，容易摔碎。在8 0 的热水中能软化。 聚苯乙烯泡沫塑料有隔音、绝热功能，能作剧场、冷藏库的墙体隔层材料。 2 4 2 聚氨酯泡沫塑料 聚氨酯塑料英文简称p u ，1 9 4 7 年发明，1 9 5 3 年投入工业生产。它有韧性， 耐磨又耐冲击。 它常制成软泡沫塑料，这种塑料保暖、透气、弹性好，是绝热、隔音、防 震的好材料，主要用作服装衬里、床垫、椅垫等。 天津大学硕士学位论文第三章泡沫塑料静态压缩实验 3 1 引言 第三章泡沫塑料静态压缩实验 泡沫塑料作为一种重要的工程材料越来越受到工程界的重视和欢迎，因而 近年来得到飞速发展。根据9 5 年仅对聚氨酯泡沫塑料的统计结果可知：其世界年 消耗己超过5 0 0 万吨，若考虑其它种类( 例如聚乙烯，聚苯乙烯等) 泡沫塑料的消 耗量就更为可观了。所以，泡沫塑料工业是塑料行业的后起之秀，它的发展和使 用为我们提出许多重要的研究课题。 伴随生产的发展和应用领域的不断扩大，对不同种类泡沫塑料的力学行为 进行研究也变得十分迫切了。根据第一章对泡沫塑料力学性能研究动态的介绍， 不难看出：国外对泡沫塑料力学性能的研究仍然方兴未艾，而国内对泡沫塑料力 学性能的研究也掀起高潮。目前，国内已发表不少这一研究领域的论文，并且其 研究成果己受到国家的重视。 继卢子兴等1 9 9 2 年开展高密度聚氨酯泡沫塑料静、动态压缩力学性能的实 验研究以来，他们已发表数篇论文报道了这一方面的研究成果。以前所做的工作 涉及到不同加载速度( 应变率) ，不同温度，不同材料种类( 普通或增强) 泡沫塑料 的压缩实验；此外，还对聚氨酯泡沫塑料进行了扫描电镜观察和分析。 考虑到为了研究泡沫塑料在塑性可压时的力学性质，对测量泡沫塑料的泊 松比、体积变化和进行压缩变形及破坏规律的研究非常必要。因此，本章将介绍 一些泡沫塑料压缩力学性能的实验研究结果和分析。 3 2 实验装置 3 2 1 实验构想 做实验首先要设计实验装置，我们需要做的是泡沫塑料的压缩实验，那就 需要有一个加载装置，安装加载装置需要一个架子，而要测得应力应变还需要有 相应的传感器及读取数据装置。要实现很大的加载还需要相应的导向定位，而如 何测取横向变形更是给我们提出了难题。其中还要考虑泡沫塑料的变形较大，要 有足够的加载路程。 综合以上观点整个实验装置我们应考虑： 天津大学硕士学位论文第三章泡沫塑料静态压缩实验 1 该实验装置首先是压缩实验装置，其力和位移的范围能满足本实验的要 求。如图( 3 一1 ) a 所示。 2 由于加载行程较大，加载力容易偏移需要有一定的导向机构。 3 避免实验装置及力传感器对泡沫塑料受压缩产生额外的影响，应该把力 传感器至于装置的下方。 4 加载过程中容易发生泡沫塑料失稳，加载偏移引起的测量位移有误差， 在装置上加两个位移传感器，得出的实验结果取均值。 图3 - 1 加载装置( 无周边约束) 3 2 2 装置实现 根据上一节中的因素实验装置最终设计如图( 3 - 1 b ) 及图( 3 - 2 ) 。实验设备中 保证上下两个压缩平板表面平整光滑，刚度好不易发生变形。本装置种下板固定， 图3 - 2 加载装置( 有间边约束) 上板在规定的条件下以恒定的速率移动。这基本就是图3 - 1 中所述支架部分和加 载装置。测定力的装置是在下板安装一个拉压力传感器，型号为b l r l ，该传感 器可连续地测定试验时试样对平板的反作用力f ( 在测定时所产生的自身变形可 忽略不计) ，且精度为1 ，即为图3 - 1 中圆柱部分。测定位移的装置图3 一l 中所 天津大学硕士学位论文第三章泡沫塑料静态压缩实验 示两侧的千分表，型号为w b d - 5 0 ，为了能够有更好的实验效果，防止在压缩过 程中侧向失稳，我们在试样左右两侧各安装一个表，读数时取平均值，它的精度 应该为5 。 泡沫塑料压缩性能试验采用国家标准( g b 8 8 1 3 8 8 硬质泡沫塑料压缩实验方 法中规定的试样及方法 试样大小有两种：圆柱形( d , h = 5 8 * 6 8 ) ，立方体形( 没有特定试样) 。试样 的材料：聚氨酯，聚乙烯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料。 在实验中为了减小压头表面对泡沫摩擦引起的实验误差将上下压头表面涂 抹机油。 3 2 3 装置标定 实验之前还需要做校准与标定工作，所有的标定工作选用标准质量的砝码 及标准厚度铁板。按照g b 2 9 1 8 塑料试样调节和试验的标准环境及g b 6 3 4 2 泡 沫塑料和橡胶线性尺寸的测定洲所规定的温度2 3 + 2 c ，相对湿度4 5 - 5 5 进行。我们进行实验的实验室温度为2 5 c ，湿度5 0 。 实验中选定的测试仪器是b l r - 1 型拉压力传感器( 测应力) 和w b d - 5 0 型千 分表( 测应变) 。首先要对仪器进行标定，数据如表3 - 1 和表3 2 ： 表3 - 1力传感器标定 第一次第二次第三次平均 o- 7 6 4- 7 6 4- 7 6 0 1 0- 7 8 37 8 57 8 1 2 0- 8 0 48 0 68 0 3 3 08 2 5- 8 2 78 2 4 4 0 8 4 68 4 9 8 4 7 5 08 6 78 6 58 6 8 每k g 变化单位 6 0- 8 8 88 8 2，8 8 8 数字( 格k g ) ： 结果 - 2 0 6 6 6 71 9 6 6 6 7- 2 1 3 3 3 3- 2 0 5 5 5 6 位移传感器的标定各测得了四组数据，现取最合理结果如下： 表3 - 2位移传感器标定 卜 a 表b 表 o一3 1 31 0 4 4 1 54 6 8 15 4 0 4 2 6- 3 5 3 24 2 7 5 3 5- 2 6 0 33 3 5 9 天津大学硕士学位论文第三章泡沫塑料静态压缩实验 5 0- 5 2 2 46 1 1 0 l 每m 变化单位数字( 格m ) ： - 1 0 1 9 7 1 0 1 9 1 标定完测试仪器后，需保持仪器装置安全可靠，尽量不在其它条件发生变 化。 经过标定力传感器的单位刻度为- 2 0 5 5 5 6 格k g ，位移传感器表一的单位刻 度为1 0 1 9 1 格m ，表二的单位刻度为一1 0 1 9 7 格衄。 3 3 实验结果与分析 为了研究泡沫塑料的可压的塑性力学性能， 1 不同密度的材料的压缩实验； 2 循环加卸载； 3 周边有固定约束与无固定约束。 并且在以上实验的基础上进行了图像扫描， 与宏观变形。 3 3 1 几种实验的比较 i 密度不同的试件 h u 本文作了如下的几种实验： 拍摄泡沫塑料在受压时的微观 s t r a i n 图3 - 3 不同密度泡沫塑料应力应变曲线 图3 3 为三种密度泡沫塑料的典型应力应变曲线，从图中可以看出密度 对泡沫塑料力学性能影响很大。中、低密度材料的应力应变曲线均分为弹性 区、屈服区( 平台区) 和致密区，与普通泡沫塑料类似。弹性区主要反映了该 天津大学硕士学位论文第三章泡沫塑