高分子材料的应力老化试验装置和方法与流程

1.本发明属于高分子材料加速老化技术领域，具体涉及高分子材料的应力老化试验装置和方法。


背景技术：

2.随着节能、轻量化要求的提高和材料科技的发展，高分子材料在产品制造和工程建设上的应用越来越广泛。但是高分子材料由于其分子结构的固有特点，在服役过程中，会受外界环境因素（光、氧、热、水等）作用而发生老化失效，导致材料失效。高分子材料的老化失效已经影响到了多种产品的性能，并带来安全问题。
3.国内对高分子材料在温度、湿度及辐照等环境下的老化行为和老化机理已有较为广泛的研究，对高分子材料光老化与热老化行为与机理已有较深刻的理论认识；而在高分子材料的服役过程中，不仅会遭受温度、湿度及辐照等气候环境因素的作用，部分情况下还会遭受外部机械应力的作用，如桥梁缆索护套材料、建筑膜材料及橡胶密封材料等，其老化行为、失效模型等均与非应力条件下不同。目前，对于应力环境下高分子材料的老化行为和耐久性研究的相关报导较少。因此，高分子材料的耐久性评价还存在以下问题：一是对气候和机械应力综合环境下高分子材料的人工加速试验方法研究较少，相关性低；二是缺乏应力和气候综合环境作用下高分子材料加速老化试验装置。
4.因此，为了更真实的模拟应力及气候环境下材料的服役环境，本发明开发了可以对材料样品进行应力加载的加速老化试验装置，结合自然环境和人工模拟环境，可以用于加速材料的老化，从而更准确地评价材料的耐久性，并预测其服役寿命，服务国家重大基础设施的安全服役及运维。


技术实现要素：

5.本发明的发明目的是，提供一种可以对材料样品进行应力加载的老化试验装置。
6.本发明通过如下技术方案实现其发明目的：一种高分子材料的应力老化试验装置，包括截面为凹槽形的长条底座，还包括支架、夹具、弹簧、连杆、螺杆和应力传感器，所述支架为一方形板件，其沿所述底座的长度方向垂直固定在倒扣的所述底座的顶面，两侧与所述底座的两侧平齐，所述支架上按其尺寸设有多个（两个以上）长条形的镂空槽，所述镂空槽沿所述底座的长度方向排列，每个所述镂空槽构成一个样品安装工位，所述夹具包括上夹具和下夹具，每个夹具均由夹片和压片构成，所述压片通过第二螺栓固定在所述夹片上，在所述样品安装工位中，所述夹片和压片一个设置在左侧，另一个设置在右侧，所述上夹具的夹片通过螺杆配合锁紧螺母吊装在所述支架的顶面，所述连杆下端由所述样品安装工位穿出到所述底座的凹槽中，并在套装所述弹簧后再通过螺母锁定，所述连杆上端与所述下夹具的夹片相连，所述应力传感器连接在所述螺杆与所述上夹具之间，或所述应力传感器连接在所述连杆与所述下夹具之间，或所述应力传感器套装在所述螺杆上，或所述应力传感器套装在连杆上。
7.所述应力传感器的信号接头优选位于所述装置的正或背面。
8.本发明装置推荐用于哑铃型高分子材料标准样品的试验，哑铃型高分子材料标准样品可参考gb/t 1040.2
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2006进行制备。
9.本发明还提供一种利用上述装置进行高分子材料应力老化试验的方法，该发明目的的实现方案如下：一种高分子材料的应力老化试验方法，包括如下步骤：（1）将哑铃型高分子材料标准样品固定到所述试验装置的上、下夹具之间；（2）连接应力监测系统与所述应力传感器，并设置应力偏差报警边界条件；（3）调整螺杆上的锁紧螺母，使应力值达到预期设定值，试验过程中，若监测到应力值偏差报警时，则重新调整应力值到所述预期设定值，保证施加在哑铃型高分子材料标准样品上的应力能保持较为恒定的状态；（4）将加载了哑铃型高分子材料标准样品的试验装置放在试验环境中进行老化试验，然后定期取样，进行材料性能分析，计算其老化速率v1。
10.步骤（2）中通常要求应力偏差≤5%。
11.步骤（4）中的试验环境包括户外自然环境和/或环境试验箱。
12.所述预期设定值为所述哑铃型高分子材料标准样品的断裂应力的5%
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15%。
13.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：（1）本发明试验装置结构紧凑，体积小，在拥有五个试验工位时，仍可方便地放置于常用规格的环境试验箱中进行加速老化试验；（2）本发明试验装置可提供较大且恒定的荷载，而且不易受人为碰触等因素影响。
附图说明
14.图1是本发明优选实施例的试验装置的立体图；图2是本发明优选实施例的试验装置的主视图；图3是本发明优选实施例的试验装置的左视图；图4是本发明优选实施例的试验装置的仰视图。
具体实施方式
15.下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
16.本实施例的高分子材料的应力老化试验装置的试验对象为哑铃型高分子材料标准样品（下文简称样品），该装置的结构如图1
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4所示，包括截面为凹槽形的长条底座1，还包括支架2、夹具4、弹簧9、连杆6、螺杆7和应力传感器11，支架2为一方形板件，其沿底座的长度方向垂直固定在倒扣的底座1的顶面，两侧与底座1的两侧平齐，支架2上按其尺寸设有多个长条形的镂空槽，这些镂空槽沿底座的长度方向排列，每个镂空槽构成一个样品安装工位，夹具4包括上夹具和下夹具，每个夹具均由夹片41和压片42构成，压片42通过第二螺栓81固定在夹片41上，在样品安装工位中，它们左右设置，上夹具的夹片41通过螺杆7配合锁紧螺母12吊装在支架2的顶面，连杆6下端由样品安装工位穿出到底座1的凹槽中，并在套装弹簧9后再通过螺母10锁定，连杆6上端与下夹具的夹片41相连，应力传感器11连接在螺杆7与上夹具之间，其信号接头设在样品安装工位的正或背面。
17.本实施例通过多种手段，如整体结构采用极简型设计，工位之间紧密并排，支架和底座等都根据工位尺寸进行规划，并充分利用底座的高度来安装弹簧，夹持样品时，样品采用侧立位，应力传感器接头设在样品安装工位的正或背面等，使本实施例试验装置的结构紧凑。
18.上述装置的组装过程如下：步骤s1：将装置的底座1和支架2通过第一螺栓3安装在一起；步骤s2：将下夹具的夹片41与具有内螺纹的连杆6上端连接，并用第三螺栓82锁紧，然后操作连杆6的下端穿过支架2底部和底座1伸入底座1底面的凹槽中，在先套装一根高弹力弹簧9后，通过螺母10锁定；步骤s3：上夹具的夹片41的上端通过第四螺栓83与一s型应力传感器11连接，再连接螺杆7，螺杆7上端穿过支架2顶部后套装锁紧螺母12，从而使上夹具吊装在支架2的顶部。
19.测试时，将样品5侧着夹在上夹具和下夹具之间，并旋紧夹片41与压块42上的第二螺栓81进行约束固定，旋转锁紧螺母12，可提升或放低上夹具从而带动下夹具，在此过程中，弹簧9将被压缩或放松，从而给样品5提供一个大小可调的拉伸荷载。
20.应力传感器11可以实时监测样品5试验时的受力情况，连接应力监测系统后，检测值将记录在应力监测系统中，在设置应力偏差后，可实现自动监控，当材料发生松弛或其他变化，应力低于限值时会自动报警，此时则应根据提示，及时进行应力补偿。
21.在上面实施例中，应力传感器11也可以设置在连杆6与下夹具之间，还可以套装在螺杆7或连杆6上，如套装在螺杆7上并位于支架2与锁紧螺母12之间。
22.利用上面实施例中的装置进行高分子材料应力老化试验的方法如下：（1）选取样品5个，样品参考gb/t 1040.2
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2006进行制备，将样品依次固定到试验装置5个样品安装工位的上、下夹具之间；（2）连接应力监测系统与应力传感器，传感器量程为0
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3000n，并设置应力偏差报警边界条件，通常为5%以内，如3%；（3）调整螺杆上的锁紧螺母，使应力值达到预期设定值，该设定值通常为样品的断裂应力的5%
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15%，如设置为样品的断裂应力的10%，通常还应该大于材料的实际服役应力，如大10
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50%，试验过程中，若监测到应力值偏差报警时，则重新调整应力值到所述预期设定值，保证施加在样品上的应力能保持较为恒定的状态；（4）将加载了样品的试验装置放在户外，通过户外的温度、辐照及湿度等环境因素的耦合作用加速材料的老化，定期取样，进行材料性能分析，计算其老化速率v1，评估其耐久性；（5）将加载了样品的试验装置与环境试验箱相结合，开展应力
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高低温耦合、应力
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湿热耦合、应力
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光照/温湿度耦合的加速老化试验。试验过程中应尽可能模拟材料的服役环境，提高试验的准确性。
23.本实施例试验装置结构紧凑，体积小，高度只有50cm左右，宽度只有40cm左右，厚度只有20cm左右，常用的环境试验箱内部尺寸大约为50cm*50cm*50cm，本实施例试验装置可很好的适配这种环境试验箱（螺杆在试验箱中具有足够调节空间）。
24.另外，将样品在不加载应力的情况下，通过户外的温度、辐照及湿度等环境因素的作用进行高分子材料的自然老化，定期取样，进行材料性能，计算其老化速率v2。通过比较
在应力和非应力条件下高分子材料的老化速率，可以发现在应力加载情况下高分子材料的老化速率明显更大，其老化行为与非应力下的存在明显的区别，这表明应力及气候环境的耦合可以更好地模拟受力状态下材料及部件的老化。