流变量测原理与方法作业.doc

《流变量测原理与方法作业.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、课程作业橡胶动态黏弹性能温度频率扫描的实验研究1、前言现如今高聚物高分子材料广泛的应用与生产生活中，在建材，仪表，车辆，宇航，电子设备等等工程界领域，都广泛的使用高聚物材料。现实中使用高聚物材料的仪器设备，大多数情况下，高聚物材料会发生大变形，进而会引起材料的破坏失效导致整个设备仪器不能正常工作甚至破坏。在工程界，大多数变形都是非线性的，都是大变形，故而自然成为现如今研究者的研究重点。聚合物材料具有粘弹性，它的力学性能受时间、频率、温度影响很大。无论从实际应用或基础研究来说，动态热机械分析的力学性能

2、试验已经成为研究聚合物材料性能的最重要方法之一。流变性能是聚合物加工过程的一个重要因素。动态流变通常是在小应变条件下进行测试，其过程一般不会对材料本身的结构状态造成影响，并且高分子材料呈现的粘弹效应对材料结构形态的变化十分敏感，可同时得到表征材料粘性和弹性的数据，以及由此反应的其他有意义的信息，如储能与损耗、形变能力等，因此，采用动态流变的方法测试材料力学特性的研究日益受到重视。高聚物流变特性一直是研究的热点问题。如何利用短时间内得到的试验数据建立数学模型与计算方法对材料的长期力学响应进行有效预测是

3、亟待解决的关键问题。本实验以广泛应用于实际生活的橡胶材料为对象，采用GABOEPLEXOR500N动态热力学谱仪对橡胶材料的动态黏弹性能进行了实验研究，分析了橡胶材料动态黏弹性能特征参数随载荷频率的变化规律，并利用分数阶Zener模型对实验数据进行了分析，该分析方法对于确定材料的本构方程、预测寿命、分析结构的生热损伤和破坏都具有重要的意义。1、实验对尺寸b×h为7.06mm×1.65mm的橡胶试样进行拉伸试验，利用德国GABOEPLEXOR500N动态热力学频谱仪对橡胶试样进行频率谱扫描测试，测试采

4、用应变控制的拉伸形变模式上下夹头间距为20mm，静态应变控制为3%，动态应变控制为1%。动态黏弹性能频率谱测定分别在恒定温度15.9℃下进行，在动态黏弹性能频率谱测定过程中动态载荷振幅固定载荷频率以对数递增的方式从0.1Hz增加至100Hz，获得同一温度水平下试样的储能模量E‘和损耗模量E‘’随载荷频率的变化情况。2、结果分析3.1扫描频率对橡胶动态模量的影响分析橡胶试样的储能模量E’与载荷频率f的关系曲线如图1所示。储能模量E’表征材料在形变过程中由于弹性形变而贮存的能量。由图1可以看出储能模量E

5、’值随着测试频率的增加而增大。橡胶试样的储能模量E’值随温度和频率的变化范围为10.77~4520MPa。材料的储能模量E’随温度和频率的变化规律与Furuta、Placet、Jiang等的研究结果一致。一般来说，对于黏弹性固体材料，其储能模量E’均随测试频率的增加而增大。何曼君等指出材料的力学松弛行为通常受到测试频率和测试温度的共同影响。随着测试频率的增加，橡胶试样的分子链段运动滞后于外力变化的程度增大，内耗减小，材料刚性增强，表现出玻璃态的力学性质，在宏观上表现为储能模量E’值升高。橡胶试样的损

6、耗模量E’’与载荷频率f的关系曲线如图2所示。损耗模量E’’表征材料在形变过程中因黏性形变而以热的形式所损耗的能量。由图2可以看出，当频率较低时，试样的损耗模量E’’值随着测试频率的增加呈现出缓慢增加的变化趋势，随着频率的升高；损耗模量E’’增长的速率慢慢增大。这是因为较低的频率时，试样周围的微纤结构不易受到破坏或者受到破坏后又能马上重新构建，从而表现为损耗模量在低频区随频率增长的速率缓慢。随着频率的增加，橡胶试样分散相在外力作用下被拉长，产生原位微纤化，使得损耗模量在高频区对频率的依赖性加强。因此

7、橡胶材料的损耗模量Ｅ″随着测试频率的升高呈现出增长速率越来越大的变化趋势。图1橡胶储能模量曲线图2橡胶损耗模量曲线3.2橡胶动态模量拟合分析引入分数阶Zener模型对橡胶试样的动态模量曲线进行拟合分析，分数阶Zener模型由分数阶Maxwell模型和Hooke弹簧元件并联组合而成如图3所示。图3分数阶Zener模型分数阶Zener模型的本构关系式可表示为:式中：D为Riemann-Liouville分数导数算子。对式（1）作傅里叶变换，得到分数阶Zener模型的动态力学响应：分数阶Zener模型的动

8、态黏弹性能表征参量即储能模量E’和损耗模量E’’表达式如下：为简化计算，根据经验通常取E=E2。由式（3）可知，当ω趋近于零时，有E’（ω=0）=E1，而当ω趋近于无穷大时，有E’（ω→∞）=E1+E。结合图2中试验数据得E=4532.77MPa、E1=10.77MPa。将E和E1的取值代入储能模量E’计算式3和储能模量E’’计算式4再分别对图1所示储能模量E’曲线和图4所示损耗模量E’’曲线进行拟合，由图3可以看出分数阶Zener模型在载荷频率跨越了20个数量级（1