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  • [原创] 聚合物材料可靠性分析原理(26)

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  • 发表于:2018-08-27 8:51:57

聚合物材料可靠性分析原理(26)

石拓•著

2.4.2.3实例[5][6][7][8]

我们在上世纪的80年代后期到90年代初,开发研制了多种聚合物基复合材料、聚合物合金材料。然后采用可靠性分析原理,对制得的材料进行性能测量(试),得到了可靠性意义下的性能值。

实例1. PSF/CaCO3复合材料静弯曲强度的可靠性[5]。

聚砜是一类热塑性高分子聚合物。这类聚合物的特点是,高分子主链上含有“烃基-SO2-烃基”结构。双酚A型聚砜是聚砜家族中的一员,简称聚砜,英文缩写PSF。

因为,纯粹的聚砜(PSF)在很宽的温度范围内,可以保持其各种性能的稳定。所以,PSF是一种性能优越的热塑性工程材料。但是,当环境温度大于摄氏100度时,PSF的静弯曲强度随着温度的升高,而明显地下降。

为了提高PSF在高温下弯曲强度的稳定性,我们将无机矿物碳酸钙(CaCO3)与PSF进行复合,制得PSF/CaCO3复合材料[5]。然后,采用随机抽样的方法,把抽取到的PSF/CaCO3复合材料制成试样。

接下来,把试样放置在环境温度摄氏145度中,对试样进行静弯曲强度x静弯的测量。测量得到静弯曲强度的算术平均值是x平均静弯= 120.00(MPa)。

1.将x平均静弯= 120.00(MPa)代入(2-21),算得PSF/CaCO3复合材料在摄氏145度时,静弯曲强度的参数λ估算的MLE为:

λ估算=1/x平均静弯=1/120

其中λ估算的量纲是:[(MPa)^-1]。

2.将λ估算=1/120代入(2-23),算得PSF/CaCO3复合材料在摄氏145度时,静弯曲强度的特征性能值x特征:

x特征=1/λ估算=x平均静弯=120(MPa)

3.将λ估算=1/120代入(2-24),算得PSF/CaCO3复合材料在摄氏145度时,静弯曲强度的中位性能值x0.5:

x0.5 =-ln0.5/λ估算= - 120ln0.5= 83.18(Mpa)

4.如果将PSF/CaCO3复合材料在摄氏145度时性能x的可靠度,设定为r=0.9,并且把x0.9=xm作为材料设计(要求)的水平,那么,由(2-22)求出的是xm:

(2-22)      xm =-lnr/λ估算=-120 ln0.9=12.64(Mpa)

这样的结果说明:如果PSF/CaCO3复合材料在使用环境摄氏145度时的可靠度要求r=0.9,那么,作为r=0.9时静弯曲强度的设计(要求)标准xm,只能是12.64(Mpa)。或者,用xm=12.64(Mpa)作为评判PSF/CaCO3复合材料在使用环境摄氏145度时的标准,那么,材料在使用中的失效概率,根据(2-13)是:

F(xm)= F(12.64)=1-r=0.1

其中:r= R(12.64)=0.9。

实例2.PC/ABS合金材料简支梁冲击强度的可靠性[6]。

高分子聚合物聚碳酸酯(PC),是一种性能优越的热塑性工程材料,但是应力开裂和缺口脆性是PC的最大弱点。高分子聚合物ABS是一种,丙烯晴(Acrylonitrile)、丁二烯(Butadiene)、苯乙烯(Styrene)三元共聚物,这种共聚物是一种性能良好的热塑性工程材料,但是ABS的强度与难热性是它的弱项。如果能够把PC与ABS各自性能的弱项,通过合金的方法加以克服,那就是一种性能优异的新材料。

1980年代后期,我们开始了PC和ABS合金的研究。研究发现PC与ABS,在一定的配比范围内,并且在相容剂的存在下,合金的冲击性能,由缺口脆性转向韧性[6]。

室温摄氏25度时,测得PC/ABS合金材料试样的,缺口冲击强度和无缺口冲击强度的平均值,分别是:x平均缺口冲击= 80.00(KJ/m^2);x平均无缺口冲击= 260.00(KJ/m^2)。PC/ABS合金材料冲击强度的可靠性分析,与实例1.相同。

1.将x平均缺口冲击=80.00(KJ/m^2)和x平均无缺口冲击=260.00(KJ/m^2),分别代入(2-21),得到PC/ABS合金材料失效分布中,冲击强度参数λ的MLEλ估算(缺口)和λ估算(无缺口)分别是:

λ估算(缺口)=1/x平均缺口冲击=1/80

λ估算(无缺口)=1 x平均无缺口冲击=1/260

其中:冲击强度λ估算的量纲是:[(KJ/m^2)^-1]。

2.特征冲击强度

根据式(2-23),算得PC/ABS合金材料的特征冲击强度,分别是:

x(缺口冲击)特征=x平均缺口冲击=80.00

x(无缺口冲击)特征=x平均无缺口冲击=260.00

其中的单位是:(KJ/m^2)

3.中位冲击强度

将λ估算(缺口)=1/80;λ估算(无缺口)=1/260,分别代入(2-24),算得PC/ABS合金材料的中位冲击强度分别是:

x0.5(缺口)= -80ln0.5= 55.45(KJ/m^2)

x0.5(无缺口)= -260ln0.5= 180.23(KJ/m^2)

4.可靠度R(x0.9)=r=0.9时,由式(2-22)分别算得,PC/ABS合金材料的缺口抗冲和无缺口抗冲是:

x0.9(缺口) =-lnr/λ估算(缺口) =-ln0.9/0.0125 = 8.43(KJ/m^2)

x0.9(无缺口)=-lnr/λ估算(无缺口)=-ln0.9/0.003846=27.39(KJ/m^2)

PC/ABS合金材料的失效概率,由(2-13)算得:

F(x0.9)=1- R(x0.9)=0.1

表2-1是我们研制生产的部分聚合物基复合材料一些特征性能。

表2-1:部分聚合物基复合材料一些特征性能[5][6][7][8]

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材料    比重  收缩率  无缺口冲击  静弯曲强 热变形温度 拉伸强度 绝缘强度 体积电阻

代号    g/cm    %       KJ/m^2      MPa     摄氏度       MPa     MV/m    Ωmm

----------------------------------------------------------------------------------

S-510   1.48  0.35     50.00       122.00    165        49      15.00    110^16

AN100   1.13  1.50      7.(不断)   100.00     60        75      15.00    110^15

ANG33   1.34  0.40     16.00       190.00    210       150.0    15.00    110^15

ANG47   1.50  0.30     15.00       200.00    215       150.0    15.00    110^15

BNG30   1.40  0.50     12.00       185.00    240       170.0    15.00    110^15

BNG47   1.50  0.40     14.00       200.00    240       175.0    15.00    110^15

NZR100  1.15  1.80      8.(不断)    90.00     70        70.0    15.00    110^15

NZR147 1.50  0.40      16.00       190.00    220       130.0    15.0     110^15

PC1800  1.20  0.5 0    80.(不断)   110.00    115         —     16.0     110^16

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参考文献

【1】 茆诗松、王玲玲,“可靠性统计”,华东师范大学出版社,1984.

【2】石拓,现代化工,1987,[2]:53.

【3】 复旦大学编,“概率论”,人民教育出版社,1982.

【4】石拓,“高分子材料力学性能的测试方案及等级鉴定”,中国兵工学会非金属学会,学术报告,1989.

【5】石拓  等,“改性聚砜开发研究报告”,上海市新产品鉴定验收,1992.

【6】石拓,“PC/ABS合金材料的组份与性能研究”,1990.(未发表)。

【7】石拓,“增强增韧尼龙合金及复合材料的研究”,1989.(未发表)

【8】石拓,“PBT合金材料的组份与性能研究”,1991.(未发表)。

(待续)