缓冲材料力学性能的测试方法研究

I缓冲材料力学性能的测试方法研究摘 要缓冲材料一直伴随着人类社会的进步而在不断地发展着，从以前的碎纸屑、木屑、泡沫塑料发展到现在的很多绿色的缓冲包装材料，比如有蜂窝纸板、玉米秸秆缓冲材料、瓦楞纸板、纸浆模塑制品、珍珠棉以及发泡聚乙烯缓冲材料等，这些新型环保缓冲材料的出现，大大促进了包装工业的发展。为了能在日常生活中更好的利用缓冲包装材料，所以对缓冲材料力学性能的测试是非常必要的。本文介绍了缓冲材料的主要力学性能包括：压缩性能、拉伸性能、弯曲性能、剪切性能、缓冲性能等，并对各力学性能的测试方法进行了对比分析，尤其是对正交试验、曲线拟合法、计算机仿真设计以及数字相关测量方法等等进行了详细地介绍，为现代缓冲包装材料的开发和研究提出了新的方向。关键词：缓冲材料，力学性能，测试方法研究IIBUFFER MATERIAL MECHANICS PERFORMANCE TESTING METHODABSTRACTBuffer material has been accompanied by the progress of human society and developing, and from the previous paper, broken wood, foam development of many green until now, for instance a cushion packaging material of honeycomb paperboard, corn straw cushioning material, corrugated, paper pulp molding products, pearl cotton and foaming polyethylene buffer material, these new environmental buffer material greatly promoted the development of packaging industry.In daily life, in order to better use and so on cushion packaging material buffer material mechanics performance test is very necessary. The paper introduces the main buffer material mechanics properties including compression performance, tensile properties, bending, cutting performance and buffering properties, and the performance of the mechanical properties test methods were analyzed, especially the orthogonal experiment, curve-fitting method of computer simulation, the design and digital correlation method etc. Carried on the detailed introduction to modern cushion packaging material, for the development and research of new direction.KEYWORDS: cushioning materials, mechanical properties, test methodsIII目录前 言 .1第一章 缓冲材料的介绍分类 .21.1 蜂窝纸板 .21.2 泡沫铝 .21.3 玉米秸秆 .21.4 纸浆模塑材料 .31.5 珍珠棉（EPE） .31.6 发泡聚乙烯缓冲材料 .31.7 金属多孔材料 .4第二章 缓冲材料的力学性能及测试 .52.1 压缩性能 .52.1.1 蜂窝纸板的压缩性能 .52.1.2 发泡聚乙烯缓冲材料的压缩性能 .72.1.3 金属多孔材料的压缩性能 .82.1.4 珍珠棉（EPE）的压缩性能 .92.2.弯曲性能 .112.2.1 蜂窝纸板的弯曲性能 .112.2.2 泡沫铝的弯曲性能 .112.3 剪切性能 .122.3.1 蜂窝纸板的剪切性能 .122.3.2 泡沫铝的剪切性能 .152.4 缓冲性能 .152.4.1 发泡聚乙烯缓冲材料的缓冲性能 .152.4.2 玉米秸秆的缓冲性能 .172.5 拉伸性能 .202.5.1 泡沫铝的拉伸性能 .202.5.2 纸浆模塑材料的拉伸性能 .20第三章 缓冲材料力学性能和测试方法研究 .22IV3.1 包装用缓冲材料性能分析 .223.2 测量缓冲包装材料力学性能的方法 .243.2.1 正交试验、曲线拟合法 .243.2.2 计算机仿真设计 .253.2.3 用数字相关测量方法 .253.2.4 应用有限元理论和有限元方法 .263.2.5 智能材料电流变流体在运输包装中的应用研究 .26结 论 .27谢 辞 .28参考文献 .29外文资料翻译 .311前 言随着社会的进步，科学技术的飞速发展，越来越多的缓冲材料被应用到生产实践中。传统的缓冲材料有泡沫块、木板、纸屑、草类等，近年来又出现了很多新型的缓冲材料，例如蜂窝纸板、瓦楞纸板、纸浆模塑制品、珍珠棉（EPE ） 、可降解泡沫塑料、玉米秸秆缓冲包装材料和气垫薄膜等，新型缓冲材料有着优异的力学性能和吸收能力,良好的成型性和低成本,无污染等特性,使其在包装领域占有突出的位置,可广泛用于精密机床、仪器仪表、工具、家电、电子及计算机产品、汽车零部件、玻璃等包装及周转贮运,还可用于食品的包装和包装时的空隙填充等。随着我国经济的迅速发展,物流进化和运输改革的不断深入,纸托盘、包装箱将大量应用,电子信息产品所需包装箱、缓冲衬垫、托盘等数量随生产的扩大和出口量的增加而迅速增加。彩色电视机、计算机、空调、电冰箱、洗衣机等家用电器所需包装箱、托盘、缓冲衬垫等数量也惊人。在应用中经常会碰到所需的力学性能不同的情况，所以对缓冲材料力学性能的研究是十分必要的。下面本文就对几种比较常见的缓冲材料的力学性能进行测试研究。2第一章 缓冲材料的介绍分类1.1 蜂窝纸板蜂窝纸板是根据自然界蜂巢结构原理制作的，它是把瓦楞原纸用胶粘结方法连接成无数个空心立体正六边形，形成一个整体的受力件纸芯，并在其两面粘合面纸而成的一种新型夹层结构的环保节能材料。蜂窝纸板以质轻、价廉、强度高、可回收等特性深受市场欢迎，特别是荷兰、美国、日本等发达国家和地区，已成为具有节省资源、保护环境的一种新型绿色包装。 蜂窝纸板包装箱是中国出口商品的理想包装。它的推广应用，一方面可降低商品在流通过程中的破损率；另一方面，取代木箱，利于环保。1.2 泡沫铝泡沫铝是在纯铝或铝合金中加入添加剂后，经过发泡工艺而成，同时兼有金属和气泡特征。它密度小、高吸收冲击能力强、耐高温、防火性能强、抗腐蚀、隔音降噪、导热率低、电磁屏蔽性高、耐候性强、有过滤能力、易加工、易安装、成形精度高、可进行表面涂装。 泡沫铝具有优异的物理性能、化学性能和力学性能以及可回收性。泡沫铝的这些优异性能使其在当今的材料领域具有广阔的应用前景，是很有开发前途的工程材料，特别是在交通运输工业，航天事业和建筑结构工业等方面。1.3 玉米秸秆在缓冲包装领域中，泡沫塑料存在着环境污染、韶易壁垒等问题，面临着淘汰的危险，因此寻找一种可替代泡沫塑料的缓冲材料势在必行。近几年，植物纤维类缓冲包装材料的研究成为一个新的热点玉米秸秆材料来源丰富、价格便宜、密度低且具有良好的生物降解性能。用秸秆粉碎物和粘接剂作为原料,经混合、交联反应、发泡、浇铸、烘烤定型、自然干燥等工艺后,即可制成减震缓冲包装材料。3这种材料在低应力条件下,具有良好的缓冲性能,且易降解,因此成为新型缓冲包装材料的研究重点。1.4 纸浆模塑材料纸浆模塑材料是用一定浓度的纸浆,加入适量的化学助剂在带有滤网的模具成型中通过真空或加压的方法使纤维均匀地分布于模具表面,从而具有拟定形状的湿纸浆模塑材料胚,再经过脱水、脱模、干燥和整饰而形成的缓冲包装材料。其材料应用领域可涵盖电子、机械零部件、工业仪表、电工工具、玻璃、陶瓷制品、农产品、医药、食品等行业。虽然纸浆模塑材料的研究与应用在国内外已取得了很大的进展,但目前绝大多数的研究工作主要集中在生产工艺(如纸浆制备、添加剂的选择、工序的合理安排)的制定、改进、模具及成型机的设计开发上,而对纸浆模塑材料性能的研究还不深入,缓冲机理和结构设计理论研究甚少。1.5 珍珠棉（EPE）发泡聚乙烯 EPE，又称珍珠棉，是一种新型环保的包装材料，它由低密度聚乙烯脂，经物理发泡产生无数的独立气泡构成，克服了普通发泡易碎、易变形、回复性差的缺点，同时 EPE 还具有很好的抗化学性能，是传统包装材料的理想替代品。1.6 发泡聚乙烯缓冲材料发泡聚乙烯材料是以聚乙烯树脂为主体，加发泡剂、交联剂和其它添加剂制成，是十分重要的一种缓冲材料。它具有密度小，最小可达 0.01cm3；缓冲性、耐热性、吸水性小；化学性能稳定，不易受腐蚀；机械性能好，坚韧、有挠性、耐摩擦；加工性能好，易于成型；价 格 较 便 宜 等 优 点。在包装上广泛用于精密仪器仪表、家用电器、玻璃和陶瓷制品、工艺品、贵重物品等的缓冲包装；可制成缓冲衬垫，作为包装内衬材料；也可制成缓冲袋、缓冲板箱等包装容器；还可制成冷冻食品和热食品的绝热容器等。41.7 金属多孔材料金属多孔材料既有金属的性质，又因为材料内部存在着大量的孔隙，而具有一系列的功能特性，它是一类优良的结构功能一体化材料。金属多孔材料正在从功能单一的材料用途向结构材料延伸，最终实现多功能化、结构功能一体化的突破。随着金属多孔材料的功能结构一体化的研究，越来越需要研究功能性金属多孔材料在结构件中的力学行为，积累这些材料在承受一定载荷和冲击情况下的基础力学数据，同时为拓宽金属多孔材料的多功能化提供依据。第二章 缓冲材料的力学性能及测试2.1 压缩性能52.1.1 蜂窝纸板的压缩性能1. 试件试样尺寸见图 1。厚度 h 为产品实际厚度,宽度 b 至少应包括 4 个完整的蜂格,无支撑高度 H 不大于厚度 h 的 10 倍。总高度 H=H+2d,取支座深度 d=1020mm。各尺寸满足以下关系:hbH=146。此试验取h=30mm,b=120mm,H=180mm,d=20mm。试样的取位区,应离板材边缘(已切除毛边)23mm, 若取位区有气泡、分层、积胶、皱褶等,应予避开。蜂窝纸板为各向异性材料(除短切纤维模压蜂窝纸板外),试样取材时应严格保证布纹方向、布层方向与试验要求相符。并在试验报告中详细注明。蜂窝纸板试样的加工应该采用锋利和耐磨的硬质合金刃具或砂轮片。加工时要防止试样分层、刻痕和局部挤压等机械损伤,禁止用油。除对水敏感的材料外,可用水冷却。当材料厚度超过标准式样厚度时,应从单面削切。试样端部应精致加工,使两受载端面达到平行,不平行度应小于 0. 1mm,并与面板平面垂直。当蜂格边长C10mm 时 ,两端蜂孔应用填料加固。图 2-1 试件尺寸2. 加速速率变化时蜂窝纸板侧压强度的变化常温常压下,加载速率变化时,其它条件不变,加载速率分别为1、5、50、100mm /min。不同加载速率下的应力- 应变关系曲线见图 2。从图 2 中可以看出,当加载速率增大时,极限载荷有增大的趋势,并且在这个过程中,试件会较快的失去承载能力。6图 2-2 不同速率下蜂窝纸板试样的应力-应变关系曲线3. 温度变化时蜂窝纸板侧压强度的变化温度变化,其它条件不变,温度分别为-17. 7, 35, 50, 60。不同温度下的应力-应变关系曲线见图 3。由图 3 可以看出,当温度在 50以下时,随着温度的升高,蜂窝纸板的极限载荷增大,侧压强度也随着增大。但温度超过 50时,随着温度的升高,蜂窝纸板的极限载荷减小,侧压强度也随着减小。7图 2-3 不同温度下蜂窝纸板试样的应力- 应变曲线2.1.2 发泡聚乙烯缓冲材料的压缩性能1. 样品试验样品是 40. 5kg/m3 的发泡聚乙烯(EPE);试样的尺寸为 100mm100mm片材原厚;样品数量为 6 个;试验样品在 23,RH50% 的环境中预处理 24h 以上。2. 设备法国 ADAMEL 的拉压试验机 DY25,准确度等级为 1%,电脑同步采集系统,游标卡尺,砝码。3. 实验方法（1）将试样分成 2 组 A 和 B,每组 3 个,对每个试样进行编号。（2）测量每个试样的初始厚度。按顺序测量试样 4 个角的厚度,取其平均值。（3）使用 11kg 的砝码分别对 A#组的 3 个试样进行预压处理 ,环境条件为23, RH50%,预压缩时间是 24h。（4）经 24h 预压缩后,卸载,试样恢复 4h 后再次测量试样的厚度,并用拉压试验机以 100mm /m in 的速度对试样进行压缩,同时采集试样的 “压力-形变”数据和曲线。（5） B#组试样均不做预压缩处理,在拉压试验机上直接以 100mm /min 的速度对试样进行压缩,同时采集试样的“压力-形变数据和曲线。4. 实验结果压缩特性曲线经过预压缩的 A#组试样应力-应变曲线,见图 1。8图 2-4A#组试样的应力- 应变曲线 (常温)未经预压缩的 B#组试样应力-应变曲线,见图 2。图 2-5B#组试样的应力-应变曲线2.1.3 金属多孔材料的压缩性能图 1 为烧结金属多孔材料典型的压缩应力-应变曲线，可以看出，其压缩应力-应变曲线大致分为 3 个阶段：在应变很低情况下的线性弹性区、屈服平台区和应力急剧增大情况下的致密化区。金属多孔材料在压缩过程中能量吸收能力取决于压缩应力- 应变曲线下平台屈服区的面积。金属多孔材料还是优良的减震材料，由于其具有这一特殊性质而广泛应用于汽车制造业。从图 1 还可以看出，金属多孔材料抗冲击性能取决于线弹性区下的面积。9图 2-6 金属多孔材料的压缩应力-应变曲线2.1.4 珍珠棉（EPE）的压缩性能1. 样品样品为两种不同密度的发泡聚乙烯（EPE） ；试样的尺寸为100mm100mm片材原厚，片材厚度分别为 25mm、35mm、45mm；每种样品数量为 10。2. 设备采用英国 LLOYD 公司的 LRXPLUS 5kN 万能材料试验机，对试样进行准静态压缩试验，设定压缩速度 12mmmin。3. 试验方法（1）测量每种试样的初始厚度、质量。求得密度，分为大密度、小密度试样两种；（2）按照 GBT 4857.292 包装运输包装件温湿度调节处理，将样品置于恒温恒湿试验机内，温度：20，相对湿度：65%，预处理时间：24 小时以上；（3）对每种试样在万能材料试验机上进行静态压缩试验，获得试样的力-变形数据；（4）当压缩载荷急剧增加时停止实验。卸载 3 分钟后，测量试样厚度，作为试样经压缩实验后的厚度，求得残余应变；（5）进行数据处理，获得应力-应变曲线模型。10图 2-7 大密度 EPE 不同厚度的应力 -应变曲线图 2-8 小密度 EPE 不同厚度应力- 应变曲线112.2.弯曲性能2.2.1 蜂窝纸板的弯曲性能面板、夹心采用串联模型,并考虑芯子在面内无承剪能力,面内剪应力为xy= fxyGHt2当蜂窝夹层结构受到面内(xy)的剪力作用时,由于芯子在这个方向上的剪切强度很小,剪应力完全由面板承担,剪切强度为 fhtxy2弯曲强度为 tfhbM1Qc2.2.2 泡沫铝的弯曲性能泡沫铝的弯曲性能研究都是基于复合结构,实际应用当中,由于泡沫铝的刚度较低,承受弯曲载荷时都是用其复合结构。目前,有关复合板弯曲破坏行为的研究还不充分。多层复合板的问题尚未系统研究,另一个问题是只有用铝合金作为表面板使用的报道,用其它板材做为复合板面板的研究报道比较少。泡沫铝层合梁和泡沫铝的承受载荷能力随孔隙率的增大而逐渐减小,且同一孔隙率下的泡沫铝层合梁的极限载荷点比泡沫铝极限载荷点出现得迟,极限载荷值约为后者的 45 倍;在孔径大小分布均匀的情况下,小孔隙率的三明治板的抗弯强度和弯曲弹性模量比大孔隙率的大,而大孔隙率三明治板的断裂吸收能和断裂挠度比小孔隙率的大。较厚的面板和良好的孔结构可以提高泡沫铝层合梁的载荷曲线,载12荷分别增加 70%和 80%左右。泡沫铝层合梁在四点弯曲载荷下有板材表面的凹陷,内芯的切断和金属面板的屈服三种失效方式,这些失效方式既与金属面板和泡沫铝芯厚度以及复合板整体厚度等几何因素有关,也与金属面板和泡沫铝芯强度有关。凹陷型破坏是复合板与压头接触部位的局部变形,弯曲载荷在达到峰值后略微下降,当发生较大的弯曲变形时弯曲载荷仍保持峰值的 80%90%,这条曲线与泡沫铝本身的压缩曲线比较相似,因为它们都是由局部变形或局部密实化所导致的。芯部切断是弯曲载荷在达到峰值后迅速下降,并一直保持在峰值的 60%左右。当压头刺入面板的表面时,此处的泡沫铝芯开始发生局部压缩或局部密实化,随着压头的不断刺入,裂纹在凹陷区域产生并在切应力的驱动下朝着支撑点的方向扩展,最终导致复合板的破坏。凹陷性破坏是由泡沫铝内芯和与之相邻的表面金属板在压头下的局部坍塌,表面金属板塑性变形以及裂纹在泡沫铝内部剪切扩展等过程所组成。当三层板发生凹陷型破坏时,具有与三层板相同金属面板厚度的多层复合板也有凹陷型破坏的特征,最终的破坏方式是凹陷加内芯切断的混合型。当三层板只发生内芯切断型破坏时,相应的多层复合板也完全以内芯切断的方式破坏;对于给定的三层板,当凹陷破坏的载荷极限小于芯部切断的载荷极限时发生凹陷型破坏,反之发生内芯切断型破坏。2.3 剪切性能2.3.1 蜂窝纸板的剪切性能1. 试件试样尺寸见图 1。试验用的蜂窝纸板其夹层内六边形的边长为 C=8mm,取a=100mm,b=100mm,h=30mm。其中,a 为蜂窝纸板试样的长 , b 为其宽,h 为其厚度。试样的取位区,应离板材边缘(已切除毛边)23cm,若取位区有气泡、分层、积胶、皱褶等,应予避开。蜂窝纸板为各向异性材料(除短切纤维模压蜂窝纸板外),试样取材时应严格保证布纹方向、布层方向与试验要求相符。并在试验报告中详细注明。蜂窝纸板试样的加工应该采用锋利和耐磨的硬质合金刃具或砂轮片。加工13时要防止试样分层、刻痕和局部挤压等机械损伤,禁止用油。除对水敏感的材料外,可用水冷却。当材料厚度超过标准式样厚度时,应从单面削切。试样端部应精致加工,使两受载端面达到平行,不平行度应小于 0. 1mm,并与面板平面垂直。当蜂格边长C10mm 时,两端蜂孔应用填料加固。图 2-9 试件尺寸2. 压双剪试验夹具两蜂窝纸板夹于 3 钢板之间,见图 2。钢板尺寸随试样尺寸而异。钢板厚度h=15mm,宽度为试样的宽度,即 a=100mm,长度比试样长 2h,也就是b=130mm。测定变形时,两侧钢板尽可能保持水平,否则会影响实验效果,如在初始时,应力- 应变图会出现一小波峰。试验时试样放置见图 2 所示,钢板水平竖立放在电子式万能试验机上,中间钢板受压。当钢板被压时,中间钢板与两侧钢板发生相对运动:前者向下运动,后者向上运动,夹在其间的蜂窝纸板因此受到剪切。图 2-10 加载方式143. 加速速率变化对蜂窝纸板剪切强度的影响(1)试验试样: 试样宽度、长度都为 100mm,厚度为 30mm。(2)加载速率分别为: 1、10、200 和 500mm /min。(3)试验条件:温度为 25,湿度为 57%RH。(4) 试验步骤:粘胶后在常温常湿中存放 24h;然后在电子式万能试验机中进行试验。(5)结果分析与数据处理:蜂窝纸板粘接界面的剪切强度为, =P /(2a2)式中:剪应力,P 试验机所加载荷。实验结果见表 1,表中给出了不同加载速率下的极限载荷和剪切强度。从表 1中可以看出,当加载速率增大时,极限载荷有增大的趋势,并且在这个过程中,试件会较快的失去承载能力。表 2-1 在不同加载速率下的剪切强度试样加载速率 1 10 200 500极限载荷 0.44 0.65 0.75 0.86剪切强度 0.220 0.325 0.375 0.4304. 温度变化对蜂窝纸板剪切强度的影响(1)试验试样:a=b=100mm,h=30mm(a, b 为试样的宽度、长度,h 为试样的厚度)。(2)加载速率: 1mm /min. (3)试验温度分别为: 25、60 和 70;湿度为 57%RH。(4)试验步骤:将试样放入恒温恒湿箱进行预处理,处理时间为 24h,然后在电子式万能试验机中进行试验。实验结果见表 2,表中给出了不同温度条件下蜂窝纸板剪切强度的实验结果。由表 2 看出,随着温度的升高,蜂窝纸板的剪切强度是增加的。但在 70时剪切强度明显低于其他情况。主要是因为在 70温度条件下,胶粘剂的粘接性能明显劣化,导致界面剪切强度下降。表 2-2 在不同温度条件下的剪切强度试样温度 25 50 60 70极限载荷 0.44 0.55 0.61 0.14剪切强度 0.220 0.275 0.300 0.070155. 湿度变化对蜂窝纸板剪切强度的影响(1)试验试样: 试样宽度、长度都为 100mm,厚度为 30mm。(2)加载速率: 1mm /min。 (3)试验条件:用恒温恒湿箱对试件进行预处理,使试样温度为 15,湿度分别为: 45%、80%和 95%RH。(4)在电子式万能试验机上进行试验。实验结果见表 3,表中给出了不同湿度条件下蜂窝纸板剪切强度的实验结果。由表 3 看出,随着湿度的升高,蜂窝纸板的剪切强度是增加的。表 2-3 在不同湿度条件下的剪切强度RH 45 80 95极限载荷 0.56 0.50 0.43剪切强度 0.280 0.250 0.2152.3.2 泡沫铝的剪切性能泡沫铝在剪切载荷下表现出明显的脆性行为,在测试中裂纹发生在试样长度的三分之一处,沿着平行于加载轴的方向扩展,最后偏移到与加紧装置的结合处。试样厚度对剪切强度影响很小,剪切位移随着密度和试样厚度的增加而增加。泡沫铝受到的剪切载荷对泡沫铝的破坏贡献很大,可以用它作为三明治件设计的准则。泡沫铝的剪切强度测量值有一定的分散性,Blazy 等实验测得四组尺寸为 250 mm50 mm25 mm 泡沫铝的最大剪切应力分别为 1.7,1.75,1.9 和 2.0 MPa。2.4 缓冲性能2.4.1 发泡聚乙烯缓冲材料的缓冲性能通过公式(1)、 (2)、(3)可实现应力-应变曲线转化为缓冲系数-最大应力曲线。（1）eC（2）0d（3）AFC 为缓冲系数,无单位; e 为单位体积缓冲材料的形变能,kg/cm2; 为应力, 16kg/cm2; 为应变,%;F 为压缩力值, kN;A 为试样的承压面积, 100cm2。1. 经过预压缩的 A#组试样的缓冲特性曲线,见图 1。图 2-11A#组试样的缓冲系数- 最大应力曲线(常温)2. 未经预压缩的 B#组试样的缓冲特性曲线,见图 2。图 2-12B#组试样的缓冲系数- 最大应力曲线(常温)A#组和 B#组使用同种类同生产批次的缓冲材料,A#组和 B#组试样的初始平均厚度分别为 45. 76mm 和 46. 00mm,A#组试样经预压缩后的厚度变为 44. 55mm,比初始厚度减少了 2.6%。经静态压缩后 2 组试样表现出不同的力学性能,A#组试样的应力- 应变曲线出现了应力屈服点,随后应力有所下降,并再次攀升。2 组实验所获得的缓冲系数也不一致。未经预压缩的实验组,试样表现出一个最小缓冲系数,约为 4,最大静应力为 1. 6kg/cm2;而经过预压缩的试样则表现出 2 个数值不同的缓冲系数,分别约为 3. 5 和 4,对应的最大静应力分别为 3. 4kg/cm2 和 1. 4kg/cm2。172.4.2 玉米秸秆的缓冲性能1. 原理在跌落试验机上,使用不同质量的重物与材料绑定,从不同高度自由跌落,冲击试样,记录最大冲击加速度,通过对多个试样多次冲击最大加速度数据的处理,求得缓冲材料的缓冲性能。数据采集系统把加速度的变化过程记录下来,得到静应力和冲击加速度等数据。通过换算可以得到最大静应力、缓冲系数、最大加速度等数据。2. 设备测试系统的设计,主要是从跌落冲击信号的产生、信号的获取、转换、传输和接收等几方面来考虑。它是由缓冲材料跌落冲击试验机、加速度传感器、电荷放大器、峰值电压表、A /D 转换板及数据采集和数据处理系统组成。本试验采用 DLJ-100 包装件跌落试验台、压电式加速度传感器、INV303B 智能信号采集处理分析仪、CA-3 积分电荷放大器、 SFD-5 型数字式峰值电压表和计算机组成测试系统。3. 方法本次试验按GB 8167-87规定进行。试验选取两种厚度的玉米秸秆缓冲包装材料,在 2 个跌落高度、5 种重物的条件下分别进行次测试试验参数设置见表1。表 2-4 动态缓冲性能测试试验参数密度 长*宽 厚度 T 跌落高度 重物质量0.48 100*100 25403004001.0 2.0 3.0 4.0 5.04. 加速度与时间关系通过试验数据可以发现,加速度的变化趋势基本一致。选择跌落高度 40cm、厚度 25mm、重物 2.0kg、第一次冲击进行分析,见图 1。18图 2-14 加速度时间曲线从上图可以发现:加速度-时间曲线可以分为 2 个阶段 ,第 1 阶段是材料在重物冲击下压缩,随着时间的延长,速度在衬垫的缓冲作用下减小,衬垫压缩量变大,加速度也随之增大。第 2 阶段是衬垫的回弹,随着时间的延长,衬垫变形量减小,加速度也随之减小。峰值且波形几乎是左右对称,说明试样在一次冲击作用下回弹性比较好,而且回弹速度较快。5. 最大加速度与衬垫厚度和跌落高度的关系根据实验数据,分别选择不同衬垫厚度和不用跌落高度进行正交实验,得到材料最大加速度与厚度和跌落高度、最大静应力与厚度和跌落高度、缓冲系数与厚度和跌落高度的关系图分别见图 2-4。图 2-15 最大加速度与厚度和跌落高度的响应面立体分析图从上述图表分析可知:玉米秸秆缓冲包装材料在同一跌落高度跌落冲击载荷的19条件下,随着衬垫厚度的增加,Gm 值越小。厚度越大,最低点越低,说明厚度越大的衬垫,在相同冲击作用下,对能量的吸收越多,缓冲性能越好,因而由冲击产生的加速度越小;同一衬垫厚度,不同跌落高度的条件下,跌落高度较大的 ,Gm 值较大,显然跌落高度大产生的加速度大。在同一跌落高度下,最小缓冲系数随着衬垫厚度的增加而增加,同时随着衬垫厚度的增加,最小缓冲系数对应的最大应力减小;在同一厚度下,最小缓冲系数随着跌落高度的增加而减小,但最小缓冲系数对应的最大应力增大。图 2-16 最大净应力与厚度和跌落高度的响应面立体分析图图 2-17 缓冲系数与厚度和跌落高度的响应面立体分析图202.5 拉伸性能2.5.1 泡沫铝的拉伸性能双向等速加载试验在双向等速加载时,泡沫金属弯曲应力受到抑制,孔棱承受载荷并发生倾斜变形;孔壁受拉伸或压缩,塑性强度随相对密度的变化而变化 ,屈服面沿着双向等速应力方向拉伸。试样开始破坏时两个正交方向上的载荷几乎同时达到最大值且大致相等,并随着裂纹的扩展而减小。当泡沫金属孔棱任何一处的最大名义应力达到所对应致密材料的拉伸应力时,就要发生断裂破坏,使整个泡沫体失效。由于结点的承载能力比孔棱的承载能力强,断裂总是发生在孔棱。一般情况下,弯曲应力随1- 2 变化 ,而轴向应力随 1+2 或主应力变化。可以得出材料在双向拉伸破坏时两个外加名义应力与孔率三者之间的数学关系,它们可以用来计算泡沫材料在双向加载时所能承受的最大载荷。研究多孔材料的拉伸性能,由其理论可得出各向同性泡沫体在双向拉伸时具有如下塑性和脆性两种破坏形式的关系式:（1）ysysK)1()1(22/32121 （2）ff)()(22/32121式中:ys 和 fs 分别为对应的致密材料的屈服应力和断裂模量 ,Kp 和 Kb 均为材料常数。如果考虑到多孔材料试样的具体形状,则由于载荷传递作用而使多孔试样的不同位置的应力状态各异,但在这些多孔试样中应力分布的整体格局是一致的,而且最大应力线将出现在相似的位置上。因为在所有测试样品中应力场分布的规则形态是相互类似的,尽管样品的具体形状可能会产生一定的影响,但从模型得出的关系等式本质上不变。2.5.2 纸浆模塑材料的拉伸性能1. 实验材料与试件实验材料为纸浆模塑材料,取自电子产品的缓冲衬垫。为了测取材料的力学性21能,所以对材料进行单向拉伸实验。因为纸浆模塑缓冲衬垫的结构形状比较复杂,所以只有缓冲衬垫上较平坦的部分才能制成试件,试件的尺寸 ISO 标准 1924-2 设计。本实验中制作出取自同一缓冲衬垫材料的试件共 10 个,试样尺寸见表 1。表 2-5 试件尺寸试件编号 厚度 宽度 横截面积 长度1 2.268 13.0 29.484 63.02 2.396 13.0 31.148 71.03 2.583 13.0 33.579 83.04 2.473 13.0 32.188 79.05 2.455 13.0 31.915 74.06 2.306 13.0 29.978 72.07 2.474 13.0 32.162 78.08 2.426 13.0 31.538 76.09 2.458 13.0 31.954 54.010 2.454 13.0 31.902 79.0试件的制作采用专用的可调距切纸刀进行切割。试件的厚度采用电动厚度测定仪测量,精度可达微米级,一个试件上测量出多个点的厚度值,然后取其平均值作为试件厚度的计算值。材料紧度为 0.413g/cm3。2. 拉伸实验拉伸实验在岛津 AG-5TA 型自动控制电子万能材料实验机上进行,加载方式为单向拉伸,实验过程参考 ISO 标准 1924-2 进行,加载速率设置为 12mm/min,试件的尺寸如表 1,本实验选取同一批次材料的 10 个试件进行实验。拉伸试件的变形的测量采用非接触式变形测量方法,即数字相关测量方法,试件上不用人工制斑,而利用纸浆模塑材料本身的纹理作为散斑即可。实验时,连接好数字相关测量系统,调整光源及 CCD 摄像头的位置 ,达到成像区域尺寸和位置合适; 同时好设置岛津 AG-5TA 型自动控制电子万能材料实验机加载参数,然后便可以加载实验。按 ISO 标22准 1924-2 的规定,试件破坏后,在距试件中间(l/2 处)位置 O(15mm 范围内产生裂纹的试件为有效试件,以排除应力集中的影响。)拉伸试验曲线表明,纸浆模塑材料在小变形时其应力与应变之间为线性关系。第三章 缓冲材料力学性能和测试方法研究3.1 包装用缓冲材料性能分析1. 抗振动特性分析对于内装产品来说，缓冲材料的包装实质上是缓冲和减振装置。在流通过程中，产品振动的振源来自运输工具的振动。缓冲材料的弹性是衡量缓冲材料抗振能力的基本要素之一;在共振条件下，阻尼影响产品振动的唯一因素，增大阻尼，传递率会减少，起到了减振作用。2. 缓冲性能缓冲材料对冲击能量应具有良好的吸收性能，从而有效地减少传递到内装产品上的冲击。不同的缓冲材料，其弹性特性不同，对冲击能量的吸收能力也不同。如果不计冲击过程中的能量损失，且假设最大冲击的全部机械能都转变为缓冲材料的变形能，那么，单位体积吸收能量越大的缓冲材料，其缓冲效果就越好。工业上常用缓冲系数 C 来表示材料的缓冲性能，它是缓冲效率的倒数。缓冲系数 C越小，表示缓冲材料单位体积吸收的能量越多，因而缓冲效率越高，用材也就越经济，缓冲系数的最小值一般表示的佳用。3. 弹性系数在包装力学模型中，一般都把缓冲材料视为理想的弹性体，认为它在长时间反复振动和多次冲击下，弹性仍然均匀、无变化。材料的弹性特性，通常用材料的弹性系数 K 来表征，它是表征材料缓冲能力的一个重要参数。缓冲材料就是要选定一个 K 值合适的材料，使产品因受外界冲击而产生的最大加速度小于产品可能承受的许用加速度(即脆值)。实际缓冲材料的弹性，从它们的力形变曲线来看相当复杂。根据应力应变 曲线，缓冲材料分为线性弹性材料和非线性弹性材料两大类。非线性弹性材料又分为正切型弹性材料、双曲正切型弹性材料、23三次函数型弹性材料与规则型弹性材料。4. 抗蠕变性蠕变是指缓冲材料在受到静外力作用下，随着时间的延长变形相应增大的一种现象。产品长期储存，缓冲材料就会发生蠕变，结果导致产品与衬垫间发生空隙，造成不利影响。因此，缓冲材料应有良好的抗蠕变性。缓冲材料的抗蠕变能力通常由蠕变率用 Cr 表示。Cr=(To 一 Tu)/To*100%式中: To材料压缩前厚度;Tu材料变形后厚度5. 回弹性缓冲材料具备的恢复原来尺寸和形状的能力称为回弹性。缓冲材料在每一次变形之后不可能完全恢复到原来的形状与尺寸。缓冲材料经过几次冲击作用后，结构尺寸变化较大，一方面导致材料的应力一一应变曲线发生变化，影响缓冲性能;另一方面材料尺寸变小，在外包装容器内部产生空隙，容易发生二次冲击，这两种情况都可能增大产品破损的可能性。产品的回弹性能用回弹率 k 描述。为了加大缓冲材料的回弹性，在使用前应对材料进行预压力处理，使之发生塑性变形。这在一定程度上补偿了缓冲材料在初始冲击外力作用下的永久变形，从而给缓冲材料尺寸设计和充分保护产品带来了更大的可靠性。k=(To 一 TC)/Tox100%式中: To材料的原始厚度;TC后的厚度3.2 测量缓冲包装材料力学性能的方法3.2.1 正交试验、曲线拟合法通常使用的缓冲包装材料，大多以聚苯乙烯泡沫塑料为主，此材料废弃后在环境中不能自然降解，造成严重的白色污染。目前，世界各国为寻求无污染的新型环保包装材料，都在进行发泡植物纤维缓冲包装材料的开发及机理方面的研究，24已取得了不同程度的阶段性成果。目前 EPS 的替代产品是纸浆模塑防震内衬制品，是以废旧报纸、纸箱纸等植物纤维为主要原料，经水力机械碎桨、模具真空吸附成型，再经干燥而成。此类产品的抗震耐冲击性能主要是通过制品的几何结构来保证，由于受到模具结构及加工的影响，制品受到很大的制约，只能制作小型家电产品的包装衬垫，而制作大型家电产品的包装衬垫及填充仍然采用 EPS 发泡制品，同时由于纸浆模塑成本比 EPS 抱沫制品的成本要高，因而也极大地限制了纸浆模塑制品的发展。这几年，现在大部分的学者都通过静态压缩试验对材料力学强度的影响因素进行分析，通过正交试验，探讨各组分及工艺条件对材料性能及降解性能的影响，并对植物秸秆纤维材料本构关系框架进行扩充，建立非线性本构关系模型，利用实验数据成功识别模型参数。此种描述植物纤维类材料非线性力学行为的方法，为进一步研究和开发植物纤维聚苯乙烯材料提供了理论基础。刘壮对植物纤维发泡聚苯乙烯缓冲包装材料及其性能进行了研究，王勇对植物纤维聚氨醋型缓冲包装材料的缓冲性能进行了研究。高德等研究了以玉米秸秆和淀粉为主要成分的新型缓冲包装材料的制备工艺，并利用静态压缩实验方法对影响该材料力学强度的因素进行分析和讨论。于洁等以农作物秸秆和淀粉为主要原料，通过正交试验，研究各种组分及工艺条件制得发泡材料，并对材料力学性能及降解性能进行检测。邹君等对蔗渣纤维缓冲包装材料的性能和发展前景进行了概述，并对其发泡技术进行了理论分析，指出这种绿色包装材料是塑料发泡包装材料的理蔗渣绿色缓冲包装材料的使用不仅可以降低成本，保护环境缓解自然资源，而且对增加出口竞争力有重大贡献。对于蜂窝纸板这类本构关系具有明显非线性特征的材料，大多学者在试验研究蜂窝纸板的平压性能的基础上，运用多次曲线拟合的方法得到蜂窝纸板的平压力学特征，并应用数值解法得到由蜂窝纸板构成的包装系统的振动解，对该类缓冲系统的设计具有参考价值。3.2.2 计算机仿真设计冲击和振动包装件在流通过程的时间不能完全用数学公式计算。冲击波的形状是复杂的，也没有明确的冲击作用时间。为了便于研究包装件在动态负荷作用下的力学特性，经常采用模型或模拟的方法，对实际的冲击负荷进行必要的简化，从而建立相应的力学模型和数学模型。计算机仿真是基于模型的活动，模型是对实际系统的一种抽象，是系统本质25的表述，包括物理仿真、数字仿真和动态仿真。仿真的基本框架“建模试验一一分析” 。它是将一个能够近似描述实际系统的数字模型经过二次模型转化为仿真模型，再利用计算机进行模型运行、分析处理的过程。在缓冲包装系统的仿真技术应用研究中主要采用数字模型，用数字语言描述系统行为的特征。Mattab 语言的出现将数值计算技术与应用带入了一个新的阶段，与之配套的Simulink 仿真环境又为系统仿真技术提供了新的解决方案，它用模块组合的方法使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型，可用来模拟线性或非线性的系统，以及连续或离散的或者两者混合的动态系统的强有力的工具。通过仿真不断优化和改善设计，特别对于复杂的非线性系统，具有更好的效果。3.2.3 用数字相关测量方法数字相关测量方法(DICM)首先由 Peters 和 Sutton 等提出，是根据物体表面随机分