塑料性能数据及产品设计

塑料性能数据和产品设计,性能数据说明了什么,所有这些材料数据值都是通过使用符合最佳测试要求的样本进行采集的. 实际塑料件的性能很少能够达到数据表中所给出的性能数据值. 性能数据值不能直接用于产品设计, 除非此产品的应用条件与性能测试条件在尺寸, 形状, 应变能力和温度等方面都近似的情况下. 性能数据值可以用于对不同材料的性能进行应用前的预先的比较. 为在尽可能全面地使用材料各种性能, 设计师必须理解性能数据值的局限性, 塑料的种类和最终使用条件.,典型性能数据表,典型性能数据表,主要性能包括以下几种类型: 流变性能 机械性能 热性能 电性能 其他性能,典型性能数据表,流 变 性 能,SPIRAL-FLOW螺旋流动,Cavity half of spiral-flow mold.,螺旋流动的长度表示材料在规定的壁厚和加工条件的情况下的流动长度.,MELT FLOW RATE熔融指数,Schematic of melt flow rate test apparatus,熔融指数( 质量或体积 ) 是指10分钟内树脂在一定载荷的作用下通过标准口模的量. 试验是在单一的温度和载荷下进行的. 不考虑剪切应力和温度对粘度的影响. 无法准确预测在实际模具中的流动性. 是检验各批产品质量一致性或快速检验材料产品是否降解的良好途径.,VISCOSITY粘 度,材料的粘度是材料流动的内部阻力,决定了模具充填率. 溶解在溶剂里聚合物的粘度间接提供了测量基本树脂分子量和相关熔融流动性能的可能性. 相对粘度是指按特定浓度稀释的聚合物溶液与溶剂粘度的比值, 通常作为树脂生产时的品质控制标准.,VISCOSITY VERSUS SHEAR-RATE粘度与剪切应力的关系,粘度与剪切应力的关系曲线在热塑性材料成型性比较方面比熔融指数更实用, 但是很少被用于材料的选择上. 这些数据主要用于模具充填计算机仿真程序中.,SHRINKAGE收 缩,塑料在热成型加工的冷却阶段会有明显的收缩. 模具设计师必须使用材料收缩率来补偿热成型加工阶段的产品收缩., (模具尺寸) - (产品尺寸) (模具尺寸),收缩率 =,*这些值通常用百分比或长度/单位长度来表示.,典型性能数据表,机 械 性 能,TENSILE PROPERTIES拉 伸 性 能,试验装置和标准试样用于测试绝大部分塑料的拉伸强度.,拉伸性能可以用来比较不同材料的强度和刚性. 刚性热塑性塑料拉伸测试的标准是 ASTM D638 和 ISO527. 对于玻纤增强材料的拉伸速度为 5mm/min , 非增强材料为 50mm/min.,TENSILE PROPERTIES拉 伸 性 能,STRAIN,STRESS,屈 服 应 力指在应变应力曲线上斜率为 0 时, 对应的应力值.断 裂 应 力指拉伸试样在恒定的拉伸速度下发生断裂时, 所对应的应力.拉 伸 模 量 指在应力应变曲线上比例极限下,应力应变的比值. 其用于测量材料的刚性.,典型非增强塑料的应力应变曲线.,屈服点延伸率指屈服点的应变值. 它决定了材料在不发生屈服的情况下所能承受的小且持久载荷下变形的上限值.断裂延伸率指材料在断裂时伸长的百分比.脆性材料会在低应变水平下发生断裂. 韧性材料和弹性材料在断裂前可以承受较高的应变.,STRAIN,STRESS,TENSILE PROPERTIES拉 伸 性 能,典型非增强塑料的应力应变曲线.,TENSILE PROPERTIES拉 伸 性 能,这些典型曲线说明不同的材料具有不同的应力应变性能.,FLEXURAL PROPERTIES 弯曲性能,弯曲性能体现了塑料在负载下的弯曲或抗弯曲性能。 弯曲性能的标准测试方法使用ASTM D790 或 ISO 178. 对于玻纤增强材料弯曲速度通常为 2mm/min。 对于非增强材料弯曲速度通常为 20 mm/min。 弯曲模量是应力应变曲线上塑性段的应力对应变的比例。,弯曲试验的设定和样条在负载下的应力分布。,IMPACT PROPERTIES冲击性能,冲击强度，塑料产品吸收和消耗能量的能力，它因产品的形状，厚度和所处温度的不同而不同。当冲击性能用于某些应用时，测试结果因产品的实际特性而很难直接应用。 通常，冲击强度和拉伸模量提供了塑料的基本机械性能。 高冲击强度高拉伸模量 = 坚韧材料 高冲击强度低拉伸模量 = 韧性材料 低冲击强度高拉伸模量 = 脆性材料,IMPACT PROPERTIES 冲击性能,Izod and Charpy 冲击试验。,试验方法: Izod - ASTM D256, ISO 180 Charpy - ISO 179,聚碳酸酯的Izod冲击强度受缺口半径的影响。,典型性能数据表,热性能,负载下的热变型温度(DTUL),DTUL 或 HDT 用于预测在规定的测试条件下材料在负载下的温度特性。 该值不代表某一特定材料或应用的上限温度。 成型条件，样条的制备和样品厚度极大地影响着 DTUL/HDT 值。 谨慎比较来自不同实验室和供应商提供的数据。,负载下的热变型温度(DTUL),样条承受的外部纤维应力为66 或 264 psi (0.455或1.82Mpa ). 测试箱内的温度以 20 C /分钟的速度上升直到样条弯曲达到0.010英寸。Test Methods : ASTM D 648 -样条厚度 1/8 1/2 英寸 ( 3.2 to 12.7mm ) 支撑脚间距为4 英寸。 ISO 75 -样条厚度 110 x 10 x 4 mm 支撑脚间距为 100 mm 。 -样条厚度 80 x 10 x 4mm 支撑脚间距为 64mm 。,热变型温度(DTUL)所用试验仪器,维卡软化温度,通过一个带有轻微负载(10N或50N)的探针刺入塑料所达到的温度来显示塑料的热性能。 用于表征短期，高温性能。 对于样品的厚度和成型条件不象DTUL那么敏感。,维卡软化温度,用一根横截面为1mm2扁平探针接触塑料样条并浸入加热池中。在探针上加以规定负载(10N或50N)后,油浴箱以缓慢恒定的速度升温 ( 50 K/h or 120 K/h )。维卡软化温度是当探针刺入0.04英寸(1mm)深度时油浴箱的温度。测试方法: ASTM D 1525 ISO 306,维卡软化点试验仪器,不同产品选材的重点,以塑代钢,以塑代钢的意义：降低重量增加设计自由度，整合零件增加加工效率降低原料成本（材料回用）降低加工成本降低运输成本降低成品维护成本降低综合成本,不同产品选材的重点,以塑代钢,考虑：耐温结构受力状态耐磨性可装卸性环境:高低温耐化学性成本,1X 1.5X 13.3X 27X 30X,不同加强筋结构带来不同刚性表现,不同产品选材的重点,外观件,考虑：强度光泽硬度透明性耐刮擦性成型性耐化学性着色性电镀/喷涂-免喷涂材料抗UV 耐盐雾性成本 密度,电子电器零件,考虑：耐温绝缘性 耐电弧性 UL94 CTI阻燃性 UL94 HB V2 V1 V0,功能件考虑：耐温强度尺寸稳定性抗冲击性耐磨性抗静电 导热,产品设计,制品设计要求,功能要求制造要求,功能要求,首先:性能结构装配外观其次:成本,产品制造要求,流动 / 充模冷却顶出操作,塑料制品设计人员的首要原则,保持均匀一致的壁厚,结晶型塑料在厚壁处具有更大收缩,Thick,Thin,Shrinkage,壁厚不均匀可能引起的后果,内应力翘曲缩孔空洞尺寸偏差大,壁厚不均匀可能引起的后果,去除壁厚不一致的部分,改良后的设计,壁厚的不一致不可避免时采用逐步过渡,尖角,不良设计,3t,可以接受的设计,但有可能仍有问题,t,最好是采用相同壁厚的设计,尽量避免不一致的壁厚,不好,不好,不好,好,好,A = B,好,A,B,A,B,塑料制品设计的第二个原则 避免尖角,圆角半径对应力集中系数的影响,54321,P=所施加的荷载R=圆角半径T=厚度,Stress Concentration Factor (K),R / T,R,P,T,不良设计,改进的设计,外角,内角,容易引起高应力集中, 充模流向乱, 翘曲可能性大,Parts mustfit snugly,尖角,不良设计,改进的设计,肋与加强筋,理想的肋结构,Radius 1/2t,3tmax.,1/2 t - 2/3 t,t,1/4 Draft,肋的设计对制品重量和强度的影响,肋的使用可以大大提高产品刚性,肋部增加刚性 A,边缘增加刚性 B,转角增加刚性 C,获得良好刚性的边缘设计,1,2,3,4,5,肋,好处坏处更大的或翘曲相当的刚性节约材料缩孔成型周期短脱模可能有问题有可能改善更多的熔接痕充模流动性,翘 曲,引起翘曲的原因,不一致的壁厚各向异性的收缩行为 成型加工条件模具设计,应力集中,缩痕,翘曲,合理的设计,均匀壁厚或逐步过渡,不良设计,均匀一致的壁厚,壁厚不一致,尾部向内翘曲,熔体充模流动方向,浇口,混乱的流向使玻纤在转角处不规则排布,差,好,各向异性的收缩行为,由于转角处的流向差异产生的翘曲现象,各向异性的收缩行为,非增强,玻纤增强改性,矿物增强改性,Flow,流动方向,横向,Transverse,浇口,浇口,Gate,聚合物取向,玻纤取向,MineralReinforcementOrientation,模具收缩,成型后收缩,Flow,Transverse,各向异性的取向行为,压缩,拉伸,Delrin 500Stress / Strain Curve 0.2 in / min strain rateat 70F,Strain (%),Stress, (psi),成型工艺条件,熔体温度模具温度注射保压时间,不一致的冷却也会导致不一致的收缩行为,底面收缩更大,较低的温度,较高的温度,非增强的等级,模具设计的影响,熔接痕,浇口位置所导致的变形因素,Core,Gate,Gate,Gat