透明積木力學(xué)性能分析

ABS作為生產(chǎn)的主要原料通吃了樂高大部分的非透明零件。而對于透明件，ABS因為自身限制而無能為力，所以生產(chǎn)透明件的重任就交給了另一種原料聚碳酸酯（PC）。這種材料相比其他塑料更透明、更抗打耐用，于是淘汰了最開始的醋酸纖維素成為了透明件材料的天選之子，一直用到今天。以下以成熟的航空有機玻璃為例，介紹PC透明件的力學(xué)性能。不同應(yīng)力比對于ＰＣ疲勞性能的影響研究中選取了三個不同的應(yīng)力比對PC材料進行疲勞性能測試，分析不同應(yīng)力比對于PC疲勞性能的影響規(guī)律。不同應(yīng)力比下，經(jīng)擬合的疲勞性能SN曲線方程如表1所示。從表中可以看出，隨著應(yīng)力比的減小，條件疲勞極限降低。但是應(yīng)力比R為0.1與-0.4時，條件疲勞極限相差不大，分別為20.5MPa與19.2MPa，但明顯小于應(yīng)力比為0.4的疲勞極限值。圖7為三種不同的應(yīng)力比情況下PC的SN曲線，從圖中可以看出，當(dāng)施加正應(yīng)力比循環(huán)應(yīng)力時，隨著應(yīng)力比的降低,PC的疲勞性能明顯下降。這是由于應(yīng)力比降低,疲勞加載應(yīng)力幅值(用(1-R)max表示)增大，因此導(dǎo)致PC的疲勞裂紋擴展速率增加，疲勞壽命下降。但是R為-0.4與R為0.1時的SN曲線沒有明顯差距，也就是說疲勞性能相差不大，這與之前的應(yīng)力幅值理論不符。分析其原因，研究者認(rèn)為當(dāng)R為0.1時，最大加載應(yīng)力與最小加載應(yīng)力相差較大，且疲勞過程為拉-拉疲勞過程，PC試樣一直在拉伸作用力下，對于材料造成的拉伸損傷更加顯著。而當(dāng)R-0.4時,PC試樣處于拉壓循環(huán)疲勞狀態(tài)。根據(jù)文獻報道，對于PMMA材料，負(fù)載有加速裂紋擴展的作用，且壓縮載荷越大，這種負(fù)載加速效應(yīng)越明顯但是在其他金屬材料的疲勞性能研究中，負(fù)載也會產(chǎn)生裂紋閉合效應(yīng)，導(dǎo)致材料疲勞遲滯現(xiàn)象。由于PC分子鏈中同時含有柔性的碳酸醋基與剛性的苯環(huán)，材料韌性較好，因此，不同于脆性的PMMA，當(dāng)R為-0.4時，拉壓載荷對于PC疲勞性能的影響較為復(fù)雜可能同時存在這兩種效應(yīng)的疊加，因此，造成R-0.1與R=-0.4時PC疲勞性能類似的現(xiàn)象[1]。PC疲勞斷口形貌觀察與疲勞裂紋擴展機理分析本工作中以應(yīng)力比0.4，最大應(yīng)力為40MPa為例,對PC的疲勞斷口形貌進行觀察。圖8為斷口不同位置的形貌圖。從圖8(a)中可以看出，在該實驗條件下,PC疲勞過程中只產(chǎn)生一個裂紋源區(qū)，裂紋源區(qū)是由于從分子結(jié)構(gòu)中較為脆弱的部分引起的,首先形成銀紋，進而擴展引發(fā)裂紋;裂紋引發(fā)后,在外加疲勞載荷作用下，將進入裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)，對應(yīng)圖8(a)中的光滑表面伴隨著一些環(huán)狀波紋。這是由于PC具有較好的韌性，裂紋引發(fā)后還有較長的剩余壽命,裂紋擴展會逐步進行，而不會產(chǎn)生脆斷，因此，裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)表現(xiàn)為較為平滑的表面;環(huán)狀波紋是由于應(yīng)力每循環(huán)一定次數(shù)，裂紋擴展將會增加一定的量;裂紋穩(wěn)定擴展后，將進入裂紋失穩(wěn)擴展區(qū)，如圖8(b)所示，表面開貌表現(xiàn)為羽毛狀的粗糙表面，且靠近裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)的位置其表面組織相對細(xì)密，遠離穩(wěn)定擴展的位置其表面組織結(jié)構(gòu)變得粗糙。這是由于在裂紋失穩(wěn)擴展時，裂紋迅速失穩(wěn)擴展，分子鏈被迅速拉斷，表面被快速撕裂，因此粗糙度變大。其他實驗條件下的斷口形貌與上述條件下的斷口形貌類似，也只存在一個裂紋源區(qū)，區(qū)別僅在于裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)與失穩(wěn)區(qū)面積大小有所差異。本研究中聚碳酸醋材料在疲勞應(yīng)力加載過程中,在垂直于載荷方向上會出現(xiàn)銀紋并隨著加載次數(shù)增多銀紋開始密集化并導(dǎo)致應(yīng)力致白現(xiàn)象，如圖9所示。裂紋只在較為脆弱的銀紋位置進行擴展，并在裂紋尖端繼續(xù)產(chǎn)生先出現(xiàn)銀紋然后引發(fā)裂紋擴展的現(xiàn)象，這一點與傳統(tǒng)的有機玻璃板材類似[2]。因此PC疲勞裂紋擴展過程中只存在一個裂紋源。根據(jù)考斯(Kausch)理論[3],把銀紋初始形成機理，看成為三個階段:第一階段，具有低纏結(jié)程度的分子線團的脫開即形成不穩(wěn)定的微空穴;第二階段是相鄰線團的非彈性形變;第三階段應(yīng)變轉(zhuǎn)移到鄰近線團，形成于最初的微空穴。由于第二階段的非彈性變形(不可恢復(fù)的)微空穴被穩(wěn)定了。持續(xù)加載，微空穴合并，材料形成微纖維。當(dāng)應(yīng)力超過銀紋中微纖維強度或在多次循環(huán)應(yīng)力作用下疲勞而造成微纖維破壞時，銀紋便發(fā)展為裂紋。裂尖銀紋的形成是裂紋形成、擴展的基礎(chǔ)。PC加工性能PC塑料加工時有一個很大的缺點就是流動性差，在密煉改性或者注塑成型時會有一定的困難，尤其是在注塑成型的時候，使用微量注塑機時，由于壓力較工業(yè)級的比較小，PC注塑成型率較低，增大了加工難度。所以PC的使用也阻礙了新款透明零件的開發(fā)進度。因為PC和ABS的不同特性，即便有現(xiàn)成的ABS在用模具也不能直接注入PC塑料，而需要另外針對PC再做一套模具。這當(dāng)中投入的時間和成本之高可想而知。下面介紹一種加入滑石粉對PC改性，改善PC的摩擦性能的方法在使用轉(zhuǎn)矩流變儀對PC進行加工時加入Talc，能有效降低PC加工時的內(nèi)摩擦力。這樣，有利于PC塑料的加工和改性。如圖3.6所示，使用轉(zhuǎn)矩流變儀加工PC塑料的同時，還能表征材料的內(nèi)摩擦力。隨著Talc添加量的增加，PC的內(nèi)摩擦力明顯降低，最大降低約37.5%，然后隨著Talc添加量的增加，內(nèi)摩擦力趨于穩(wěn)定。在高溫摩擦磨損試驗機上測試純的PC塑料及其復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，摩擦方式為球盤摩擦，上試件為GCr15的鋼球，上鋼球直徑6mm。每次實驗之前將鋼球在超聲清洗器中清洗干凈，再自然涼干。測試條件:測試環(huán)境溫度為22C2C，載荷分別為30N，測試的時間為30min，往復(fù)距離5mm(10和20的也做了相應(yīng)的測試，在30N下對比較為明顯)。圖4.3是不同添加量的Talc對PC摩擦學(xué)性能的影響下摩擦實驗后的磨痕圖添加Talc能促進PC加工的流動性，提高其拉伸、硬度等性能[5]。從圖4.3中可以發(fā)現(xiàn)純的PC磨損較大，表面有明顯的熔融導(dǎo)致的塑性變形和粘附磨損。添加Talc改性的PC磨痕表面的褶皺雖然增多，但是褶皺大小明顯減小。其次，純的PC的磨痕寬度最大，約1402m，添加Talc后增大了PC塑料的表面硬度，磨痕的寬度也減小。因此，增大PC復(fù)合材料的表面硬度有利于提高材料的抗磨性能。此外，隨著Talc添加量的增加，由于Talc硬度較大，磨痕處的磨粒磨損也隨著Talc含量的增加而增加。最后，隨著滑石粉添加量的增加，PC復(fù)合材料的磨損是先降低后增加，而材料的硬度是逐漸增加的，說明材料有一個最適硬度[4]。高分子材料在摩擦的過程中首先表現(xiàn)的是變形、熔融和粘附。在劇烈運動的摩擦區(qū)域，高溫導(dǎo)致的熱變形以及高溫下高分子的黏度增大，導(dǎo)致在摩擦過程中下試樣的高分子材料會有粘附在上試樣鋼球上面的趨勢。因此，在橫向除了有剪切力外還有一個粘附力。粘附的高分子在鋼球與下試樣之間形成一層隔離層，阻止對偶件的直接接觸，能在一定程度上降低材料的磨損。此外，粘附的高分子也會脫落，形成一個粘附-脫落-粘附的動態(tài)過程。脫落的高分子會作為磨粒，會加劇材料的磨粒磨損。在實驗的過程中，首先在壓力作用下，PC復(fù)合材料的表面會首先出現(xiàn)一個壓痕。然后在往復(fù)作用下逐漸磨損，磨痕隨著磨損的加大而不斷增加。在這個過程中，添加劑起到了一定的潤滑作用。硬度的增加，是起到抗磨的重要原因。相對純的PC,硬度提高能減小材料在壓力作用下的形變，因為對偶件鋼球硬度大，對磨過程中，較軟的材料會發(fā)生明顯的磨損行為。犁溝出現(xiàn)的主要原因是因為摩擦過程中剝落的材料在摩擦副之間刮擦引起的二體磨損。而剝落的材料形成的小坑，是由粘附原因引起的撕裂行為;同時，由于長時間強烈的相互作用，材料會發(fā)生疲勞形成疲勞裂紋。分析這些機理，能幫我們進一步認(rèn)識PC復(fù)合材料磨損中的主要行為，為降低PC復(fù)合材料的摩擦磨損提供參考的方法和思路。自樂高前些年宣布實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略以來，PC便不能再使用了，因為PC在生產(chǎn)過程涉及使用雙酚A，這在歐洲幾乎是被禁止的。不使用雙酚A來配置PC也不是不可以，但會因此改變材料的性能，未必能達到更高的要求。不僅如此PC雖然抗打，但萬一零件損壞可能會變非常鋒利，在安全性方面的缺點也很明顯。這也可以看出，PC硬度夠但韌性不足。當(dāng)發(fā)現(xiàn)樂高在去年爆發(fā)式出現(xiàn)各種匪夷所思的新款透明件的時候，基本上可以確定PC很可能被另一種新材料MABS（甲基丙烯酸酯丙烯腈丁二烯苯乙烯）逐漸取代。新材料和ABS可以共用一套模具，這樣不僅大大降低了模具成本，而且同時提高了新透明件開發(fā)的靈活度。因為PC材料的特性，兩個透明件之間的組合會大大增加彼此的摩擦力，導(dǎo)致彼此之間難分難解，尤其當(dāng)兩者進行