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第2部分热变形七星彩与动态力学分析

这里’s零件故障的真实示例,说明了为什么DMA曲线比生成的单点数据更有价值 by HDT.  
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几年前,我与一个客户合作,使用未填充的PBT聚酯模制而成的零件。零件在140°C的工作七星彩下表现出过度变形 C (284 F)。与我一起工作的工程师对失败感到困惑。他们的数据表表明该材料的热变形七星彩(HDT)为153 C (309 F)。因此,他们认为这是140岁时成功的保证 C.这反映出对HDT的含义缺乏理解。实际测量的是什么?

至少在40年前,迈克尔·竹森(Michael Takemori)撰写的论文解决了这个问题 并在塑料工程师协会上发表’ANTEC。他表明HDT是对七星彩的测量,在该七星彩下,材料的模量由于七星彩升高而下降到特定值。确切的模量值将取决于样品的几何形状。但是,使用这些变化的几何形状进行的许多不同计算显示,HDT在66 psi(0.455 MPa)时的模量在27至35 ksi(190-240 MPa)之间,这是LDPE在室温下的模量为密度在0.916-0.919 g / cm的范围内3。在264 psi压力下高出四倍的HDT与高出四倍的模量有关,或者在密度较低端的HDPE模数在108-140 ksi(750-960 MPa)附近。光谱(0.946-0.948 g / cm3)。

这是竹森引言中的一句话’s paper. “由于此测得的HDT对应于挠曲七星彩曲线上的单个点,因此当仅报告热变形七星彩时,会丢弃大量潜在有用的信息。 ”竹森提供了一些这些曲线的示例,以说明HDT值在曲线上的位置。正是这种废弃的信息,使许多设计人员和工程师在依靠非常有用的曲线(动态力学分析(DMA)提供的曲线)上表示单个点的值时遇到了麻烦。

数据表中有关未填充PBT的HDT已在66 psi下进行了测量。当我们找到更完整的数据表时,它显示了264 psi下的HDT为53 C(129 F),全100o C低于我的客户指望的值,它是负载下行为的可靠指标。测得的HDT值的这种大幅度降低使他们震惊。有什么可能解释这么大的变化?更糟糕的是,仔细检查数据表上的精细印刷结果表明,用于产生测试结果的试样厚度为6.4毫米(0.252英寸)。

发生故障的零件的标称壁厚为2.5毫米(0.100英寸)。应用程序环境和HDT测试之间还有一个重要的区别。通常将140°C的施加七星彩保持8至10小时 零件加载时的时间。因此,需要一些规定来解决蠕变问题。 HDT测试涉及以2的恒定速率加热测试样品o C / min,直到达到所需的挠度为止。一旦达到该点,测试就会停止。的确,因为HDT测试利用的是恒定负载,所以蠕变是测试的组成部分。但是在这种情况下,测试时间仅超过1小时。除非有关于材料随七星彩变化的行为的额外数据,否则以蠕变产生的影响会与以不清楚的方式与七星彩升高产生的影响混为一谈。

所附图表显示了DMA为我的客户端失败的PBT提供的曲线’的应用程序。这显示了材料的全部特性光谱随七星彩的变化。对于这种材料的潜在用户而言,第一个启示是模量的快速变化发生在45 C和100 在相对狭窄的七星彩范围内,材料的模量下降了80%以上。当七星彩达到目标应用环境的七星彩时,该材料仅保留其在室温下拥有的刚度的11%。

这很容易解释了我的客户遇到的失败。模量的这种快速变化与所有聚合物都表现出的非常重要的现象有关,称为玻璃化转变。这种过渡是松弛,涉及材料的非晶部分。一旦材料通过此过渡,只有晶体才有助于材料的承载能力。在大多数未填充的半结晶材料中,模量通常会下降80-90%。在大多数这些聚合物中,在66 psi下测得的HDT位于该较低的平台上。该区域的七星彩相对较高,给人的印象是该材料在这些升高的七星彩下具有结构上的能力。

玻璃化转变及其产生的模量的快速而显着的下降,也落后于HDT值在66 psi和264 psi之间的巨大差异。与在264 psi下测得的HDT相关的较高模数将我们带入玻璃化转变区域,在该区域中,七星彩的每一次增量变化都会产生比在玻璃化转变以上或以下操作时发生的模数大得多的模数变化。许多未填充的半结晶聚合物,包括PBT,各种尼龙聚合物,PPA,PPS和PEEK,将在两个HDT值之间表现出较大的温差,这仅仅是因为较低应力水平的相关模量值通常发生在较低的高原地区,只有晶体结构决定性能,而较高应力水平的模量经常出现在模量迅速下降的玻璃化转变区域中。

DMA曲线为HDT编号提供了许多明显的优势。首先,它提供了七星彩对材料的承重特性影响的完整而定量的描述。任何认真设计产品并选择合适材料的人都应该能够理解拥有完整的模量-七星彩曲线的好处,而不必依赖于该曲线上一两个点的总和。有限元分析(FEA)是一种用于预测工况下性能的工具,它至少依赖于模数的准确输入值。在大多数情况下,使用的值是数据表上的数值,其测量值为23 C.通过DMA曲线,可以使用施加七星彩下的精确模量。

其次,观察七星彩变化对模量的影响的能力使设计工程师能够确定七星彩区域,在该七星彩区域中,材料可能会受到更大程度的蠕变或应力松弛的影响。粘弹性行为的原理之一是增加七星彩和增加时间对承载性能具有相同的影响。在对粘弹性进行形式化处理时,该原理通常会因数学的复杂性而迷失。但是,通过观察图中的模量曲线的变化斜率,可以更简单地理解它。在玻璃化转变的上下,每个七星彩升高5C使模量降低约1700-3500 psi(12-24 MPa)。这相当于施加应力将导致相对少量的时间相关运动。在玻璃化转变区域的最陡部分(50-75 C),同样是5C变化会导致30,000-45,000 psi(210-310 MPa)的模量降低。用这种材料制成并在此七星彩范围内承受负载的零件将在相对较短的时间内发生变形。

第三,因为可以将DMA测试的加热速率控制为与HDT测试的加热速率相同(2C / min),生成这些完整曲线所需的时间与确定HDT所需的时间基本相同。

然后的问题是,当生成这些完整曲线的技术已经存在了30多年时,为什么我们会满意使用HDT值?为何聚合物领域的这么多从业者不知道这种选择,或者坚持捍卫使用过时的技术来表征高温性能?我们将在下一部分中讨论这个问题。

关于作者: Mike Sepe是一位独立的全球材料和加工顾问,其公司Michael P. Sepe,LLC位于亚利桑那州塞多纳,他在塑料行业拥有40多年的经验,并协助客户进行材料选择和可制造性设计,流程优化,故障排除和故障分析。联络电话:(928)203-0408• [email protected].

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