专利名称：一种聚合物层合结构老化失效机理的实验分析方法
技术领域：
本发明涉及一种层合结构的老化失效机理的实验分析方法，尤其涉及一种利用临界积分值来分析层合结构中分子迁移或聚合物本体材料老化导致的性能退化失效机理的实验方法。
背景技术：
由两种或多种聚合物材料组成的层合结构广泛应用于航天、机械等领域，在实际的贮存与使用环境中，由于温度、湿度、氧扩散速率以及组份迁移等多种因素的影响，层合结构出现非均匀老化。在实际应用中，层合结构的老化失效往往表现为粘接界面脱粘，而结构失效的机理又与聚合物中添加的小分子迁移和聚合物本体材料老化导致的性能退化相关，如何判定占优的失效机理对改进材料设计以改善结构耐老化性能具有重要意义。目前，对于判断老化的主要原因，以及非均匀老化的趋势一般都是采用化学，材料学的方法，工序繁琐，成本高昂，而且层合结构中小分子迁移和聚合物本体材料老化导致的性能退化往往耦合作用，不宜区分，因此寻找一种简单的实验测试方法是研究层合结构老化失效机理所需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种简单的聚合物层合结构老化失效机理的实验分析方法。本发明的目的是通过如下技术方案实现的
本发明的层合结构a由两种或多种聚合物材料组成，将采用上述单一材料组成的试件在界面处切割后重新粘结成层合结构b，通过测定不同老化时间的临界·&积分值，绘制出老化曲线，通过对层合结构a与层合结构b两条老化曲线的比较，判定出界面老化的主要机理，其判断方法为若层合结构a的斜率变化率比层合结构b大，则说明组份迁移是层合结构老化的主要原因；若层合结构a的斜率变化率比层合结构b小，则说明氧气的扩散是层合结构老化的主要原因；同时，将层合结构a不同部分进行切割组成层合结构C，测定其完全老化的临界·^积分值，并与完全老化的层合结构b的临界4积分值进行对比，判断层合结构中组份材料非均匀老化的趋势，其判断方法为若层合结构b与靠近界面切割组成的层合结构c的临界4积分绝对值大于层合结构b与外边面切割组成的层合结构c的临界4积分的差值绝对值，则说明此层合结构中外边面的氧扩散速度比界面的氧扩散速度要快，若层合结构b与靠近界面切割组成的层合结构c的临界积分绝对值小于层合结构b与外边面切割组成的层合结构c的临界分的差值绝对值，则说明此层合结构中外边面的氧扩散速度比界面的氧扩散速度要慢。对于弹性变形下的层合结构-Λτ，B为试件厚度，—为两试件的裂纹长度差，^αασ为阴影部分面积，Α、B两点为裂纹的起裂点，O为原点。对于弹塑性变形下的层合结构利用公式I7=I:与& =_计算出Λβ的值。本发明能够判定层合结构中非均勻老化趋势，同时也能确定层合结构界面老化的主要因素。与现有技术相比具有以下优势
1、本发明没有采用传统的化学、材料学测试手段，而用力学方法分析比较了氧扩散与组份迁移对于层合结构老化的影响，能够判定不同组份材料情况下哪一个是导致老化的主要原因；
2、能够比较层合结构外表面与界面氧扩散速率；
3、可适用于各种层合结构的老化评估问题，在航天，航空领域具有广阔的应用前景。
图I为试件I的结构示意 图2为试件II的结构示意 图3为试件III的结构示意 图4为试件IV的结构示意 图5为试件V结构示意 图6为试件VI的的结构示意 图7为P-A曲线 图8为试件YD、·的切割与粘贴结构示意 图9为试件IX的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图详细阐述本发明的技术方案，但并不限定本发明的保护范围。
具体实施方式
一本实施方式的层合结构由材料A与材料B组成，界面处留有初始裂纹，如图1-5所示，其中试件I两端密封，防止空气进入，试件II、III、IV、V采用的是由单一材料组成的层合结构，防止界面间出现组份迁移，其中I、II、III的尺寸为60mm*40mm*20mm,试件IV、V的尺寸为60mm*40mm*10mm,按裂纹长度不同将试件分为3组，试件个数见表1，试件I、II、111放置于50°C的环境中老化，试件IV、V放置于70°C环境中老化，进行如下实验
老化时间为Aj = O天时，从①②③组中各取出试件I、IIJII 一个，各组将试件IIJII沿界面处切割后重新粘结成试件VI(如图6)，分组将试件I、VI在拉伸速率固定的条件下将试件拉至断裂临界点，记录各组试件I、VI的F-A曲线，其中P为拉力大小，Δ为受力点位移。对于试件I，取①组、②组的/^-Δ曲线(如图7)，其中A、B两点为裂纹的起裂点，计算出阴影部分面积务_'同样取组②、组③的P_A曲线计算出阴影部分面积《_*/,取5__、Saao'的平均值Smw ,利用公式Jk. =SmmIBim得到1_ ,其中，沒为试件厚度，为两试件的裂纹长度差；对于试件VI，与试件I采用同样的方法得到。当老化时间为珥天，珲天，瑪天，负天，Ds天,為天，珥天时，重复上述步骤，得到不冋老化时间下试件I、V!的断裂临界J积分值、*^ID-IW、*^JC-ip、
与、*^&部3，将其分另丨J 绘
制成试件I、VI的老化曲线与·^II (横坐标为老化天数，纵坐标为Jje值)。比较2条曲线的斜率变化，若·的斜率变化率比Λ—II大，则说明组份迁移是层合结构老化的主
要原因；若^^的斜率变化率比小，则说明氧气的扩散是层合结构老化的主要原因。当老化时间为D7天时，从①②③组中各取出试件II、III、IV、V按如图8所示进行切割与粘结，每组得到各自的试件νπ、νπι、ιχ。同样进行拉伸速率固定的拉伸实验，记
录JP-A曲线，并利用冋上方法计算出此i时'i式件VII、VIII、IX的临界J积分值*^j5^yyi、*^i5_Hpi
、比较 |-^je-jpx.~^I 与的大小，若| 大于
1·^,-4 ρ·| ,则说明此层合结构中外边面的氧扩散速度比界面的氧扩散速度要快，若
~^I小于_*^ ·π |·| ,则说明此层合结构中外边面的氧扩散速度比界面的氧扩散速度要慢。本实施方式适用于弹性变形下的层合结构。表I
权利要求
1.一种聚合物层合结构老化失效机理的实验分析方法，其特征在于所述方法为 层合结构a由两种或多种聚合物材料组成，将采用上述单一材料组成的试件在界面处切割后重新粘结成层合结构b，通过测定不同老化时间的临界积分值，绘制出老化曲线，通过对层合结构a与层合结构b两条老化曲线的比较，判定出界面老化的主要机理。
2.根据权利要求I所述的聚合物层合结构老化失效机理的实验分析方法，其特征在于所述界面老化主要原理的判断方法为若层合结构a的斜率变化率比层合结构b大，则说明组份迁移是层合结构老化的主要原因；若层合结构a的斜率变化率比层合结构b小，则说明氧气的扩散是层合结构老化的主要原因。
3.根据权利要求I所述的聚合物层合结构老化失效机理的实验分析方法，其特征在于对于弹性变形下的层合结构，所述A为试件厚度，Aa为两试件的裂纹长度差，为阴影部分面积，A、B两点为裂纹的起裂点，O为原点。
4.根据权利要求I所述的聚合物层合结构老化失效机理的实验分析方法，其特征在于THJ对于弹塑性变形下的层合结构，所述Λ；其中P为拉力大小，D为受力点位移，U为应变能为试件裂纹长度,W为试件宽度。
5.一种聚合物层合结构老化失效机理的实验分析方法，其特征在于所述方法为 层合结构a由两种或多种聚合物材料组成，将采用上述单一材料组成的试件在界面处切割后重新粘结成层合结构b，将层合结构a不同部分进行切割组成层合结构C，测定其完全老化的临界4积分值，并与完全老化的层合结构b的临界4积分值进行对比，判断层合结构中组份材料非均匀老化的趋势。
6.根据权利要求5所述的聚合物层合结构老化失效机理的实验分析方法，其特征在于所述层合结构中组份材料非均匀老化趋势的判断方法为若层合结构b与靠近界面切割组成的层合结构c的临界4积分绝对值大于层合结构b与外边面切割组成的层合结构c的临界4积分的差值绝对值，则说明此层合结构中外边面的氧扩散速度比界面的氧扩散速度要快，若层合结构b与靠近界面切割组成的层合结构c的临54积分绝对值小于层合结构b与外边面切割组成的层合结构c的临界4积分的差值绝对值，则说明此层合结构中外边面的氧扩散速度比界面的氧扩散速度要慢。
7.根据权利要求5所述的聚合物层合结构老化失效机理的实验分析方法，其特征在于对于弹性变形下的层合结构，所述,B为试件厚度，Aa为两试件的裂纹长度差，sQOO为阴影部分面积，A、B两点为裂纹的起裂点，O为原点。
8.根据权利要求5所述的聚合物层合结构老化失效机理的实验分析方法，其特征在于对于弹塑性变形下的层合结构，所述，其中P为拉力大小，D为受力点位移，U为应变能,a为试件裂纹长度,Wr为试件宽度。
全文摘要
一种聚合物层合结构老化失效机理的实验分析方法，涉及一种层合结构的老化失效机理的实验分析方法。本方法主要通过实验方法，使层合结构的老化只受单一因素的影响，通过测定不同老化时间的临界积分值，绘制出老化曲线，通过对2条曲线的比较，判定出界面老化的主要机理；同时，将层合结构不同部分进行切割组成新的层合结构，测定其临界积分值，并与完全老化的层合结构的临界积分值进行对比，判断层合结构中组份材料非均匀老化的趋势。本发明可适用于各种层合结构的老化评估问题，在航天，航空领域具有广阔的应用前景。
文档编号G01N3/08GK102944473SQ201210479828
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者谢志民, 陈思驰, 王友善, 阎相桥, 刘宇艳, 万志敏 申请人:哈尔滨工业大学