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缓冲材料力学性能的测试方法研究
缓冲材料力学性能的测试方法研究
摘要
缓冲材料一直伴随着人类社会的进步而在不断地发展着,从以前的碎纸屑、木屑、泡沫塑料发展到现在的很多绿色的缓冲包装材料,比如有蜂窝纸板、玉米秸秆缓冲材料、瓦楞纸板、纸浆模塑制品、珍珠棉以及发泡聚乙烯缓冲材料等,这些新型环保缓冲材料的出现,大大促进了包装工业的发展。
为了能在日常生活中更好的利用缓冲包装材料,所以对缓冲材料力学性能的测试是非常必要的。
本文介绍了缓冲材料的主要力学性能包括:
压缩性能、拉伸性能、弯曲性能、剪切性能、缓冲性能等,并对各力学性能的测试方法进行了对比分析,尤其是对正交试验、曲线拟合法、计算机仿真设计以及数字相关测量方法等等进行了详细地介绍,为现代缓冲包装材料的开发和研究提出了新的方向。
关键词:
缓冲材料,力学性能,测试方法研究
BUFFERMATERIALMECHANICSPERFORMANCETESTINGMETHOD
ABSTRACT
Buffermaterialhasbeenaccompaniedbytheprogressofhumansocietyanddeveloping,andfromthepreviouspaper,brokenwood,foamdevelopmentofmanygreenuntilnow,forinstanceacushionpackagingmaterialofhoneycombpaperboard,cornstrawcushioningmaterial,corrugated,paperpulpmoldingproducts,pearlcottonandfoamingpolyethylenebuffermaterial,thesenewenvironmentalbuffermaterialgreatlypromotedthedevelopmentofpackagingindustry.
Indailylife,inordertobetteruseandsooncushionpackagingmaterialbuffermaterialmechanicsperformancetestisverynecessary.Thepaperintroducesthemainbuffermaterialmechanicspropertiesincludingcompressionperformance,tensileproperties,bending,cuttingperformanceandbufferingproperties,andtheperformanceofthemechanicalpropertiestestmethodswereanalyzed,especiallytheorthogonalexperiment,curve-fittingmethodofcomputersimulation,thedesignanddigitalcorrelationmethodetc.Carriedonthedetailedintroductiontomoderncushionpackagingmaterial,forthedevelopmentandresearchofnewdirection.
KEYWORDS:
cushioningmaterials,mechanicalproperties,testmethods
目 录
前言1
第一章缓冲材料的介绍分类2
1.1蜂窝纸板2
1.2泡沫铝2
1.3玉米秸秆2
1.4纸浆模塑材料3
1.5珍珠棉(EPE)3
1.6发泡聚乙烯缓冲材料3
1.7金属多孔材料4
第二章缓冲材料的力学性能及测试5
2.1压缩性能5
2.1.1蜂窝纸板的压缩性能5
2.1.2发泡聚乙烯缓冲材料的压缩性能7
2.1.3金属多孔材料的压缩性能8
2.1.4珍珠棉(EPE)的压缩性能9
2.2.弯曲性能11
2.2.1蜂窝纸板的弯曲性能11
2.2.2泡沫铝的弯曲性能11
2.3剪切性能12
2.3.1蜂窝纸板的剪切性能12
2.3.2泡沫铝的剪切性能15
2.4缓冲性能15
2.4.1发泡聚乙烯缓冲材料的缓冲性能15
2.4.2玉米秸秆的缓冲性能17
2.5拉伸性能20
2.5.1泡沫铝的拉伸性能20
2.5.2纸浆模塑材料的拉伸性能20
第三章缓冲材料力学性能和测试方法研究22
3.1包装用缓冲材料性能分析22
3.2测量缓冲包装材料力学性能的方法24
3.2.1正交试验、曲线拟合法24
3.2.2计算机仿真设计25
3.2.3用数字相关测量方法25
3.2.4应用有限元理论和有限元方法26
3.2.5智能材料电流变流体在运输包装中的应用研究26
结论27
谢辞28
参考文献29
外文资料翻译31
前言
随着社会的进步,科学技术的飞速发展,越来越多的缓冲材料被应用到生产实践中。
传统的缓冲材料有泡沫块、木板、纸屑、草类等,近年来又出现了很多新型的缓冲材料,例如蜂窝纸板、瓦楞纸板、纸浆模塑制品、珍珠棉(EPE)、可降解泡沫塑料、玉米秸秆缓冲包装材料和气垫薄膜等,新型缓冲材料有着优异的力学性能和吸收能力,良好的成型性和低成本,无污染等特性,使其在包装领域占有突出的位置,可广泛用于精密机床、仪器仪表、工具、家电、电子及计算机产品、汽车零部件、玻璃等包装及周转贮运,还可用于食品的包装和包装时的空隙填充等。
随着我国经济的迅速发展,物流进化和运输改革的不断深入,纸托盘、包装箱将大量应用,电子信息产品所需包装箱、缓冲衬垫、托盘等数量随生产的扩大和出口量的增加而迅速增加。
彩色电视机、计算机、空调、电冰箱、洗衣机等家用电器所需包装箱、托盘、缓冲衬垫等数量也惊人。
在应用中经常会碰到所需的力学性能不同的情况,所以对缓冲材料力学性能的研究是十分必要的。
下面本文就对几种比较常见的缓冲材料的力学性能进行测试研究。
第一章缓冲材料的介绍分类
1.1蜂窝纸板
蜂窝纸板是根据自然界蜂巢结构原理制作的,它是把瓦楞原纸用胶粘结方法连接成无数个空心立体正六边形,形成一个整体的受力件——纸芯,并在其两面粘合面纸而成的一种新型夹层结构的环保节能材料。
蜂窝纸板以质轻、价廉、强度高、可回收等特性深受市场欢迎,特别是荷兰、美国、日本等发达国家和地区,已成为具有节省资源、保护环境的一种新型绿色包装。
蜂窝纸板包装箱是中国出口商品的理想包装。
它的推广应用,一方面可降低商品在流通过程中的破损率;另一方面,取代木箱,利于环保。
1.2泡沫铝
泡沫铝是在纯铝或铝合金中加入添加剂后,经过发泡工艺而成,同时兼有金属和气泡特征。
它密度小、高吸收冲击能力强、耐高温、防火性能强、抗腐蚀、隔音降噪、导热率低、电磁屏蔽性高、耐候性强、有过滤能力、易加工、易安装、成形精度高、可进行表面涂装。
泡沫铝具有优异的物理性能、化学性能和力学性能以及可回收性。
泡沫铝的这些优异性能使其在当今的材料领域具有广阔的应用前景,是很有开发前途的工程材料,特别是在交通运输工业,航天事业和建筑结构工业等方面。
1.3玉米秸秆
在缓冲包装领域中,泡沫塑料存在着环境污染、韶易壁垒等问题,面临着淘汰的危险,因此寻找一种可替代泡沫塑料的缓冲材料势在必行。
近几年,植物纤维类缓冲包装材料的研究成为一个新的热点玉米秸秆材料来源丰富、价格便宜、密度低且具有良好的生物降解性能。
用秸秆粉碎物和粘接剂作为原料,经混合、交联反应、发泡、浇铸、烘烤定型、自然干燥等工艺后,即可制成减震缓冲包装材料。
这种材料在低应力条件下,具有良好的缓冲性能,且易降解,因此成为新型缓冲包装材料的研究重点。
1.4纸浆模塑材料
纸浆模塑材料是用一定浓度的纸浆,加入适量的化学助剂在带有滤网的模具成型中通过真空或加压的方法使纤维均匀地分布于模具表面,从而具有拟定形状的湿纸浆模塑材料胚,再经过脱水、脱模、干燥和整饰而形成的缓冲包装材料。
其材料应用领域可涵盖电子、机械零部件、工业仪表、电工工具、玻璃、陶瓷制品、农产品、医药、食品等行业。
虽然纸浆模塑材料的研究与应用在国内外已取得了很大的进展,但目前绝大多数的研究工作主要集中在生产工艺(如纸浆制备、添加剂的选择、工序的合理安排)的制定、改进、模具及成型机的设计开发上,而对纸浆模塑材料性能的研究还不深入,缓冲机理和结构设计理论研究甚少。
1.5珍珠棉(EPE)
发泡聚乙烯EPE,又称珍珠棉,是一种新型环保的包装材料,它由低密度聚乙烯脂,经物理发泡产生无数的独立气泡构成,克服了普通发泡易碎、易变形、回复性差的缺点,同时EPE还具有很好的抗化学性能,是传统包装材料的理想替代品。
1.6发泡聚乙烯缓冲材料
发泡聚乙烯材料是以聚乙烯树脂为主体,加发泡剂、交联剂和其它添加剂制成,是十分重要的一种缓冲材料。
它具有密度小,最小可达0.01/cm3;缓冲性、耐热性、吸水性小;化学性能稳定,不易受腐蚀;机械性能好,坚韧、有挠性、耐摩擦;加工性能好,易于成型;价格较便宜等优点。
在包装上广泛用于精密仪器仪表、家用电器、玻璃和陶瓷制品、工艺品、贵重物品等的缓冲包装;可制成缓冲衬垫,作为包装内衬材料;也可制成缓冲袋、缓冲板箱等包装容器;还可制成冷冻食品和热食品的绝热容器等。
1.7金属多孔材料
金属多孔材料既有金属的性质,又因为材料内部存在着大量的孔隙,而具有一系列的功能特性,它是一类优良的结构功能一体化材料。
金属多孔材料正在从功能单一的材料用途向结构材料延伸,最终实现多功能化、结构功能一体化的突破。
随着金属多孔材料的功能结构一体化的研究,越来越需要研究功能性金属多孔材料在结构件中的力学行为,积累这些材料在承受一定载荷和冲击情况下的基础力学数据,同时为拓宽金属多孔材料的多功能化提供依据。
第二章缓冲材料的力学性能及测试
2.1压缩性能
2.1.1蜂窝纸板的压缩性能
1.试件
试样尺寸见图1。
厚度h为产品实际厚度,宽度b至少应包括4个完整的蜂格,无支撑高度H不大于厚度h的10倍。
总高度H='H+2d,取支座深度d=10~20mm。
各尺寸满足以下关系:
h∶b∶H=1∶4∶6。
此试验取h=30mm,b=120mm,H=180mm,d=20mm。
试样的取位区,应离板材边缘(已切除毛边)2~3mm,若取位区有气泡、分层、积胶、皱褶等,应予避开。
蜂窝纸板为各向异性材料(除短切纤维模压蜂窝纸板外),试样取材时应严格保证布纹方向、布层方向与试验要求相符。
并在试验报告中详细注明。
蜂窝纸板试样的加工应该采用锋利和耐磨的硬质合金刃具或砂轮片。
加工时要防止试样分层、刻痕和局部挤压等机械损伤,禁止用油。
除对水敏感的材料外,可用水冷却。
当材料厚度超过标准式样厚度时,应从单面削切。
试样端部应精致加工,使两受载端面达到平行,不平行度应小于0.1mm,并与面板平面垂直。
当蜂格边长C≥10mm时,两端蜂孔应用填料加固。
图2-1试件尺寸
2.加速速率变化时蜂窝纸板侧压强度的变化
常温常压下,加载速率变化时,其它条件不变,加载速率分别为1、5、50、100mm/min。
不同加载速率下的应力-应变关系曲线见图2。
从图2中可以看出,当加载速率增大时,极限载荷有增大的趋势,并且在这个过程中,试件会较快的失去承载能力。
图2-2不同速率下蜂窝纸板试样的应力-应变关系曲线
3.温度变化时蜂窝纸板侧压强度的变化
温度变化,其它条件不变,温度分别为-17.7,35,50,60℃。
不同温度下的应力-应变关系曲线见图3。
由图3可以看出,当温度在50℃以下时,随着温度的升高,蜂窝纸板的极限载荷增大,侧压强度也随着增大。
但温度超过50℃时,随着温度的升高,蜂窝纸板的极限载荷减小,侧压强度也随着减小。
图2-3不同温度下蜂窝纸板试样的应力-应变曲线
2.1.2发泡聚乙烯缓冲材料的压缩性能
1.样品
试验样品是40.5kg/m3的发泡聚乙烯(EPE);试样的尺寸为100mm×100mm×片材原厚;样品数量为6个;试验样品在23℃,RH50%的环境中预处理24h以上。
2.设备
法国ADAMEL的拉压试验机DY25,准确度等级为1%,电脑同步采集系统,游标卡尺,砝码。
3.实验方法
(1)将试样分成2组A和B,每组3个,对每个试样进行编号。
(2)测量每个试样的初始厚度。
按顺序测量试样4个角的厚度,取其平均值。
(3)使用11kg的砝码分别对A#组的3个试样进行预压处理,环境条件为23℃,RH50%,预压缩时间是24h。
(4)经24h预压缩后,卸载,试样恢复4h后再次测量试样的厚度,并用拉压试验机以100mm/min的速度对试样进行压缩,同时采集试样的“压力-形变”数据和曲线。
(5)B#组试样均不做预压缩处理,在拉压试验机上直接以100mm/min的速度对试样进行压缩,同时采集试样的“压力-形变数据和曲线。
4.实验结果
压缩特性曲线
经过预压缩的A#组试样应力-应变曲线,见图1。
图2-4 A#组试样的应力-应变曲线(常温)
未经预压缩的B#组试样应力-应变曲线,见图2。
图2-5 B#组试样的应力-应变曲线
2.1.3金属多孔材料的压缩性能
图1为烧结金属多孔材料典型的压缩应力-应变曲线,可以看出,其压缩应力-应变曲线大致分为3个阶段:
在应变很低情况下的线性弹性区、屈服平台区和应力急剧增大情况下的致密化区。
金属多孔材料在压缩过程中能量吸收能力取决于压缩应力-应变曲线下平台屈服区的面积。
金属多孔材料还是优良的减震材料,由于其具有这一特殊性质而广泛应用于汽车制造业。
从图1还可以看出,金属多孔材料抗冲击性能取决于线弹性区下的面积。
图2-6金属多孔材料的压缩应力-应变曲线
2.1.4珍珠棉(EPE)的压缩性能
1.样品
样品为两种不同密度的发泡聚乙烯(EPE);试样的尺寸为100mm×100mm×片材原厚,片材厚度分别为25mm、35mm、45mm;每种样品数量为10。
2.设备
采用英国LLOYD公司的LRXPLUS5kN万能材料试验机,对试样进行准静态压缩试验,设定压缩速度12mm/min。
3.试验方法
(1)测量每种试样的初始厚度、质量。
求得密度,分为大密度、小密度试样两种;
(2)按照GB/T4857.2-92包装运输包装件温湿度调节处理,将样品置于恒温恒湿试验机内,温度:
20℃,相对湿度:
65%,预处理时间:
24小时以上;
(3)对每种试样在万能材料试验机上进行静态压缩试验,获得试样的力-变形数据;
(4)当压缩载荷急剧增加时停止实验。
卸载3分钟后,测量试样厚度,作为试样经压缩实验后的厚度,求得残余应变;
(5)进行数据处理,获得应力-应变曲线模型。
图2-7大密度EPE不同厚度的应力-应变曲线
图2-8小密度EPE不同厚度应力-应变曲线
2.2.弯曲性能
2.2.1蜂窝纸板的弯曲性能
面板、夹心采用串联模型,并考虑芯子在面内无承剪能力,面内剪应力为
xy=
fxy
当蜂窝夹层结构受到面内(xy)的剪力作用时,由于芯子在这个方向上的剪切强度很小,剪应力完全由面板承担,剪切强度为
弯曲强度为
2.2.2泡沫铝的弯曲性能
泡沫铝的弯曲性能研究都是基于复合结构,实际应用当中,由于泡沫铝的刚度较低,承受弯曲载荷时都是用其复合结构。
目前,有关复合板弯曲破坏行为的研究还不充分。
多层复合板的问题尚未系统研究,另一个问题是只有用铝合金作为表面板使用的报道,用其它板材做为复合板面板的研究报道比较少。
泡沫铝层合梁和泡沫铝的承受载荷能力随孔隙率的增大而逐渐减小,且同一孔隙率下的泡沫铝层合梁的极限载荷点比泡沫铝极限载荷点出现得迟,极限载荷值约为后者的4~5倍;在孔径大小分布均匀的情况下,小孔隙率的三明治板的抗弯强度和弯曲弹性模量比大孔隙率的大,而大孔隙率三明治板的断裂吸收能和断裂挠度比小孔隙率的大。
较厚的面板和良好的孔结构可以提高泡沫铝层合梁的载荷曲线,载荷分别增加70%和80%左右。
泡沫铝层合梁在四点弯曲载荷下有板材表面的凹陷,内芯的切断和金属面板的屈服三种失效方式,这些失效方式既与金属面板和泡沫铝芯厚度以及复合板整体厚度等几何因素有关,也与金属面板和泡沫铝芯强度有关。
凹陷型破坏是复合板与压头接触部位的局部变形,弯曲载荷在达到峰值后略微下降,当发生较大的弯曲变形时弯曲载荷仍保持峰值的80%~90%,这条曲线与泡沫铝本身的压缩曲线比较相似,因为它们都是由局部变形或局部密实化所导致的。
芯部切断是弯曲载荷在达到峰值后迅速下降,并一直保持在峰值的60%左右。
当压头刺入面板的表面时,此处的泡沫铝芯开始发生局部压缩或局部密实化,随着压头的不断刺入,裂纹在凹陷区域产生并在切应力的驱动下朝着支撑点的方向扩展,最终导致复合板的破坏。
凹陷性破坏是由泡沫铝内芯和与之相邻的表面金属板在压头下的局部坍塌,表面金属板塑性变形以及裂纹在泡沫铝内部剪切扩展等过程所组成。
当三层板发生凹陷型破坏时,具有与三层板相同金属面板厚度的多层复合板也有凹陷型破坏的特征,最终的破坏方式是凹陷加内芯切断的混合型。
当三层板只发生内芯切断型破坏时,相应的多层复合板也完全以内芯切断的方式破坏;对于给定的三层板,当凹陷破坏的载荷极限小于芯部切断的载荷极限时发生凹陷型破坏,反之发生内芯切断型破坏。
2.3剪切性能
2.3.1蜂窝纸板的剪切性能
1.试件
试样尺寸见图1。
试验用的蜂窝纸板其夹层内六边形的边长为C=8mm,取a=100mm,b=100mm,h=30mm。
其中,a为蜂窝纸板试样的长,b为其宽,h为其厚度。
试样的取位区,应离板材边缘(已切除毛边)2~3cm,若取位区有气泡、分层、积胶、皱褶等,应予避开。
蜂窝纸板为各向异性材料(除短切纤维模压蜂窝纸板外),试样取材时应严格保证布纹方向、布层方向与试验要求相符。
并在试验报告中详细注明。
蜂窝纸板试样的加工应该采用锋利和耐磨的硬质合金刃具或砂轮片。
加工时要防止试样分层、刻痕和局部挤压等机械损伤,禁止用油。
除对水敏感的材料外,可用水冷却。
当材料厚度超过标准式样厚度时,应从单面削切。
试样端部应精致加工,使两受载端面达到平行,不平行度应小于0.1mm,并与面板平面垂直。
当蜂格边长C≥10mm时,两端蜂孔应用填料加固。
图2-9试件尺寸
2.压双剪试验夹具
两蜂窝纸板夹于3钢板之间,见图2。
钢板尺寸随试样尺寸而异。
钢板厚度h′=15mm,宽度为试样的宽度,即a′=100mm,长度比试样长2h′,也就是b′=130mm。
测定变形时,两侧钢板尽可能保持水平,否则会影响实验效果,如在初始时,应力-应变图会出现一小波峰。
试验时试样放置见图2所示,钢板水平竖立放在电子式万能试验机上,中间钢板受压。
当钢板被压时,中间钢板与两侧钢板发生相对运动:
前者向下运动,后者向上运动,夹在其间的蜂窝纸板因此受到剪切。
图2-10加载方式
3.加速速率变化对蜂窝纸板剪切强度的影响
(1)试验试样:
试样宽度、长度都为100mm,厚度为30mm。
(2)加载速率分别为:
1、10、200和500mm/min。
(3)试验条件:
温度为25℃,湿度为57%RH。
(4)试验步骤:
粘胶后在常温常湿中存放24h;然后在电子式万能试验机中进行试验。
(5)结果分析与数据处理:
蜂窝纸板粘接界面的剪切强度为,τ=P/(2a2)式中:
τ—剪应力,P—试验机所加载荷。
实验结果见表1,表中给出了不同加载速率下的极限载荷和剪切强度。
从表1中可以看出,当加载速率增大时,极限载荷有增大的趋势,并且在这个过程中,试件会较快的失去承载能力。
表2-1在不同加载速率下的剪切强度
试样加载速率
1
10
200
500
极限载荷
0.44
0.65
0.75
0.86
剪切强度
0.220
0.325
0.375
0.430
4.温度变化对蜂窝纸板剪切强度的影响
(1)试验试样:
a=b=100mm,h=30mm(a,b为试样的宽度、长度,h为试样的厚度)。
(2)加载速率:
1mm/min.(3)试验温度分别为:
25、60和70℃;湿度为57%RH。
(4)试验步骤:
将试样放入恒温恒湿箱进行预处理,处理时间为24h,然后在电子式万能试验机中进行试验。
实验结果见表2,表中给出了不同温度条件下蜂窝纸板剪切强度的实验结果。
由表2看出,随着温度的升高,蜂窝纸板的剪切强度是增加的。
但在70℃时剪切强度明显低于其他情况。
主要是因为在70℃温度条件下,胶粘剂的粘接性能明显劣化,导致界面剪切强度下降。
表2-2在不同温度条件下的剪切强度
试样温度
25
50
60
70
极限载荷
0.44
0.55
0.61
0.14
剪切强度
0.220
0.275
0.300
0.070
5.湿度变化对蜂窝纸板剪切强度的影响
(1)试验试样:
试样宽度、长度都为100mm,厚度为30mm。
(2)加载速率:
1mm/min。
(3)试验条件:
用恒温恒湿箱对试件进行预处理,使试样温度为15℃,湿度分别为:
45%、80%和95%RH。
(4)在电子式万能试验机上进行试验。
实验结果见表3,表中给出了不同湿度条件下蜂窝纸板剪切强度的实验结果。
由表3看出,随着湿度的升高,蜂窝纸板的剪切强度是增加的。
表2-3在不同湿度条件下的剪切强度
RH
45
80
95
极限载荷
0.56
0.50
0.43
剪切强度
0.280
0.250
0.215
2.3.2泡沫铝的剪切性能
泡沫铝在剪切载荷下表现出明显的脆性行为,在测试中裂纹发生在试样长度的三分之一处,沿着平行于加载轴的方向扩展,最后偏移到与加紧装置的结合处。
试样厚度对剪切强度影响很小,剪切位移随着密度和试样厚度的增加而增加。
泡沫铝受到的剪切载荷对泡沫铝的破坏贡献很大,可以用它作为三明治件设计的准则。
泡沫铝的剪切强度测量值有一定的分散性,Blazy等实验测得四组尺寸为250mm×50mm×25mm泡沫铝的最大剪切应力分别为1.7,1.75,1.9和2.0MPa。
2.4缓冲性能
2.4.1发泡聚乙烯缓冲材料的缓冲性能
通过公式
(1)、
(2)、(3)可实现应力-应变曲线转化为缓冲系数-最大应力曲线。
(1)
(2)
(3)
C为缓冲系数,无单位;e为单位体积缓冲材料的形变能,kg/cm2;σ为应力,kg/cm2;ε为应变,%;F为压缩力值,kN;A为试样的承压面积,100cm2。
1.经过预压缩的A#组试样的缓冲特性曲线,见图1。
图2-11 A#组试样的缓冲系数-最大应力曲线(常温)
2.未经预压缩的B#组试样的缓冲特性曲线,见图2。
图2-12 B#组试样的缓冲系数-最大应力曲线(常温)
A#组和B#组使用同种类同生产批次的缓冲材料,A#组和B#组试样的初始平均厚度分别为45.76mm和46.00mm,A#组试样经预压缩后的厚度变为44.55mm,比初始厚度减少了2.6%。
经静态压缩后2组试样表现出不同的力学性
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