光彈性材料和模型

1、光彈性材料和模型第1頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一理想的光彈性模型材料應(yīng)滿足下列要求：1,未受力前為光學(xué)各向同性、均質(zhì)、色淺、透明度好、受力后具有暫時(shí)雙折射效應(yīng)；2,光學(xué)靈敏度高，即材料條紋值低，彈性模量量大；3,應(yīng)力-應(yīng)變和應(yīng)力-條紋級數(shù)的比例極限高；4,力學(xué)蠕變和光學(xué)蠕變效應(yīng)小，指在一定載荷作用下，條紋幾乎不隨時(shí)間而增加，或增加得極小；5,初應(yīng)力和時(shí)間邊緣效應(yīng)??；6,易于機(jī)械加工（車、刨、銑、鉆、銼、攻絲等）成各種形狀的光彈性模型；7,凍結(jié)應(yīng)力的模型材料要具有良好的“凍結(jié)”性能；8,價(jià)格低廉。 迄今為止還沒有這樣理想的材料，目前僅能獲得基本滿足光學(xué)彈性實(shí)驗(yàn)要求的材料

2、。本章中介紹的是目前所用的材料澆制工藝及性能 第2頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一3-2 環(huán)氧樹平板材料 第3頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一其配合比為：環(huán)氧樹脂：順頂烯=酸酐=100：35 （3-1）為了增加材料的塑性，可以加少量的增塑劑（鄰）苯=甲酸=丁脂（簡稱二丁脂），其配比為：環(huán)氧樹脂：順頂烯=酸酐：丁脂=100：35：5 （3-2）加入少量二丁脂可以調(diào)節(jié)材料的塑性，改進(jìn)材料的脆性，但加入過量二丁脂會使材料彈性模量降低，加載后產(chǎn)生變形過大。另外加入二丁脂后，要適當(dāng)延長攪拌時(shí)間。以免由于材料不均產(chǎn)生云霧及增加材料的時(shí)間邊緣效應(yīng)。第4頁，共30頁

3、，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一制作環(huán)氧樹脂板材工藝流程：計(jì)算及稱出材料用量。首先根據(jù)擬澆制的板材的體積V，估算出板材的總重量G。環(huán)氧樹脂原材料的單位體積重r=12.5KN/m3. 根據(jù)重量配比算出每種原材料的用量：環(huán)氧樹脂重量G1為G1=100135G 順丁烯二酸酐重量G2為G2=35135G （3-3）把稱好的原材料各放入一個(gè)容器內(nèi)，并分別放進(jìn)烘箱，加溫到70C左右，直到熔化為白色透明的液體。環(huán)氧樹脂預(yù)熱溫度為60C左右。此時(shí)對環(huán)氧樹脂液體進(jìn)行攪拌，邊攪拌便將熔化的順丁烯二酸溶液倒入環(huán)氧樹脂溶液中，攪拌溫度70C2C，不要超過90C，以免發(fā)生硬化。攪拌時(shí)間按長短根據(jù)材料用量多少而

4、定，一般為1-2個(gè)小時(shí)。第5頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一二制作模具用兩塊厚6mm的玻璃板，尺寸根據(jù)需要而定，一般是400 x400mm，500 x500mm為宜。表面處理：用去污粉處理，干后用丙酮擦洗去油膩。橡皮管洗凈：橡皮管直徑應(yīng)選比板材厚度大一些，利用它的彈性調(diào)節(jié)平板所需的厚度。橡皮管外表面涂上一層薄薄的硅酯，作為脫模劑。夾具準(zhǔn)備：準(zhǔn)備兩副扁鐵或角鐵后，將夾具清理干凈。合模：將二塊玻璃板疊起來，二塊玻璃之間用橡皮管把三邊圍住，空出的一邊作為倒入攪拌好的環(huán)氧樹脂混合液的入口，然后，用兩副扁鐵把兩塊玻璃板夾緊固定。厚度用標(biāo)準(zhǔn)厚度鐵塊控制。 圖3-1 第6頁，共30頁，

5、2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一涂脫模劑：脫模劑采用聚苯乙烯甲苯溶液，其配合比為（810）：100(3-4)將脫模劑倒入模具內(nèi)，然后再倒出來，將模具倒放置，放入40C50C的烘箱內(nèi)預(yù)熱。澆注環(huán)氧樹脂板材：將已攪拌好的環(huán)氧樹脂混合液徐徐倒入已預(yù)熱的模具內(nèi)，然后，放入烘箱內(nèi)進(jìn)行固化。固化曲線按圖3-2所示 圖3-2 板材固化溫度曲線 第7頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一其固化溫度為90C，最高不超過120C。環(huán)氧樹脂固化后，即可取出拆模，將拆模后的板材平放于玻璃板上，在放進(jìn)90C的烘箱內(nèi)恒溫12小時(shí)之后，按5C/小時(shí)的速度降溫，至60C后，切斷電源，自然降溫。在平面模

6、型試驗(yàn)前需按圖3-3（P70）的溫度曲線進(jìn)行退火，以消除初應(yīng)力。 圖3-3 板材退火溫度曲線第8頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一光彈性材料澆制第9頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一3-3 聚碳酸酯平板材料 聚碳酸酯是60年代發(fā)展起來的一種熱塑性材料，這種材料的抗拉強(qiáng)度大，抗沖擊強(qiáng)度高。耐熱耐冷性和抗蠕性好，應(yīng)力-光學(xué)靈敏度高，無毒、色淺，透明度好，是一種理想的光塑性材料，同時(shí)選用適當(dāng)?shù)闹谱鞴に嚰凹庸し椒ê?，亦可以成為很好的光彈性材料。先將聚碳酸酯材料與環(huán)氧樹脂材料的力學(xué)性能比較。見表3-1如果需退火處理，對于用注射法成型的，其厚度在7mm以上的材料，退

7、火溫度曲線如圖3-4所示。 圖3-4聚碳酸酯退火溫度曲線第10頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一第11頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一3-4 三維光彈性模型 澆注三維光彈性環(huán)氧樹脂模型，其原料配方基本上與平板相同。但是，當(dāng)立體模型較大時(shí)，或當(dāng)精密制造復(fù)雜光彈性模型采用石蠟混合磨具時(shí)，必須低溫固化，此時(shí)，為了縮短固化時(shí)間，可以加入1-3%的催化劑二甲基苯胺。其配比為：610#環(huán)氧樹脂：順丁烯二酸酐：二甲基苯胺=100：35：1.10.3一、澆注坯模，機(jī)械加工成型如果模型的幾何形狀比較簡單，或者即使形狀復(fù)雜，但能用機(jī)械加工成型的，可先澆鑄成與試驗(yàn)?zāi)Ｐ托螤钕?/p>

8、近的坯模塊體，然后，進(jìn)行機(jī)械加工成型。其模具可用白鐵皮制作，并在各邊留有加工余量及收縮余量5mm左右。若模型有內(nèi)腔，則模型的內(nèi)芯需用彈性較好的材料制作。坯模的固化溫度曲線如圖3-5所示二、精密制模工程上當(dāng)遇到一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件形狀時(shí)，難以用機(jī)械加工完成。此時(shí)，可用精密澆制法?？梢圆捎孟?zāi)Ｈ勰７ɑ蚬柘鹉z作陰模的方法。第12頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一 圖3-5 塊體材料固化溫度曲線制模工藝如下：熔模材料-壓力鑄模-熔模裝配-澆注環(huán)氧模型固化工藝曲線，詳見 圖 3-6所示第13頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一 圖3-6 壓力殼模型圖說明：1.模具要求應(yīng)

9、變形小、光潔、剛度大、分型面要少，木芯有要錐度約12度。2.熔模配方為石蠟：地蠟：硬脂酸=50：10：40（重量比）3.將按比例配好的蠟料，加溫使其溶解成液狀。不斷攪拌蠟料，待蠟料降溫到5055C時(shí)，蠟料成糊狀，手抓蠟料時(shí)不粘手，即可入模具壓注，壓速越快越好。模具應(yīng)預(yù)熱40C，第14頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一4.澆注環(huán)氧樹脂模型將按事先計(jì)算好的用量秤好，并經(jīng)攪拌成為環(huán)氧樹脂混合液，澆注到蠟?zāi)?nèi)，其攪拌溫度為6570C，澆注溫度為5055C，固化溫度48C，詳見圖P75所示例：壓力殼模型壓力殼的原型是一個(gè)帶有八個(gè)接管的圓管，筒身及接管均為變截面，幾何形狀較為復(fù)雜，如圖

10、3-7所示 圖3-7 壓力殼模型固化溫度曲線第15頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一另一種精密澆鑄法是用硅橡膠制模首先，按一定比例配制硅橡膠混合液，其配比為：硅橡膠106#：硅橡膠107#：正硅酸乙酯：觸媒=50：50：3：2（重量比） 然后，將該混合液澆注成陰模再用環(huán)氧樹脂混合液充填在陰模中，經(jīng)溫度曲線控制，使環(huán)氧樹脂模型固化。（固化溫度比蠟?zāi)８撸┳詈螅コ柘鹉z陰模，形成環(huán)氧樹脂模型。例：人體股骨環(huán)氧樹脂模型用洗凈的人體股骨做陽模，將按配比配制的硅橡膠混合液倒入，澆鑄成陰模，再將環(huán)氧樹脂混合液充填其中，按溫度曲線（圖3- ）控制，即可澆鑄成環(huán)氧樹脂股骨模型。第16頁，共

11、30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一 圖3-9 股骨模型固化溫度曲線再舉一個(gè)復(fù)雜模型的例子：海洋五腳平臺模型海洋五腳平臺如圖3- 所示（加一張立體照片）因結(jié)構(gòu)對稱，取四分之一作為研究對象。模型高1mm，厚度僅6mm，與原型比例為 1：66：67。模型制作同時(shí)采用蠟?zāi)?、硅橡膠模和金屬模整體。澆鑄一次成型。 第17頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一三. 三維模型的粘接成型 有一些三維結(jié)構(gòu)，不需要整體澆鑄模型，而是把三維整件結(jié)構(gòu)拆開分為若干個(gè)獨(dú)立的零件，先制造零件，然后粘接成為整體三維模型。第18頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一先制成平板，開好門

12、、洞及各層結(jié)板，在粘接成型。粘接用的粘接劑（冷膠）的配比重量比為：環(huán)氧樹脂：乙二胺=100：（6-8）或環(huán)氧樹脂：三乙烯四胺=100：10粘接時(shí)應(yīng)考慮下列一些主要問題：1.粘接面應(yīng)選擇模型的次要出，應(yīng)離分析面較遠(yuǎn)或應(yīng)力較低之處。2.粘接面必須精細(xì)加工，并用丙酮或酒精擦洗干凈。3.粘接時(shí)特別要注意不要產(chǎn)生氣泡或空隙。因?yàn)樗鼈儠拐辰訌?qiáng)度大大降低。甚至往往會由于粘接不好而引起破裂，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)失敗。4.粘接劑的溫度應(yīng)控制在50C60C。如調(diào)配好的粘接劑產(chǎn)生絲狀，說明已失去粘接力，不能使用。5.粘接前應(yīng)將模型置于40C的烘箱中，是模型熱透，再進(jìn)行粘接，粘接后的模型再放進(jìn)30C50C的烘箱中，并向粘接面

13、加上一定的壓力，約。讓烘箱保持恒溫，使粘接劑固化。還必須注意，粘接劑的強(qiáng)度隨溫度升高而降低，表3-2 中所載粘 接劑強(qiáng)度與溫度間的數(shù)據(jù)是測得的拉伸強(qiáng)度值，可供參考。 第19頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一3-5 材料的凍結(jié)性能及熱光曲線 一、 材料的凍結(jié)性能 將受載環(huán)氧樹脂模型放在烘箱內(nèi)，逐漸緩慢升溫，在載荷不變的情況下，條紋級數(shù)會變化 嗎？實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 條紋級數(shù)隨溫度升高而逐漸增加。 當(dāng)溫度到達(dá)某一值后,條紋級數(shù)立即達(dá)到最高值,并趨于穩(wěn)定。 在此穩(wěn)定的狀態(tài)下,恒溫一定時(shí)間，又逐漸緩慢地降溫，直至室溫，然后卸去載荷，取出模型。 置于偏振光場中觀察,結(jié)果看到,由該載荷產(chǎn)生的應(yīng)

14、力條紋在卸載后仍保留在模型中。 并 且不受機(jī)加工影響。 模型內(nèi)這種被保留的條紋稱為“凍結(jié)應(yīng)力”。材料在一定溫度下能保留的應(yīng)力的特性稱為凍結(jié)性能。使應(yīng)力凍結(jié)的最低溫度,稱為材料的臨界溫度 第20頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一光彈性材料的凍結(jié)性能與熱光曲線第21頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一二.熱光曲線（實(shí)驗(yàn)）為了確定材料的凍結(jié)溫度,一般用對徑受壓圓盤模型測定。過程如下：1.將對徑受壓圓盤模型放在至于偏振光場中的凍結(jié)烘箱內(nèi)。 對 徑 受 壓 圓 盤： 直 徑 D=4cm 厚 度d= 2.逐漸升溫，到70C 后，每升5C，恒溫15 分鐘左右，并記下圓盤

15、中心處的條紋 級 數(shù)。 光 源： 白 光第22頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一第23頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一3.根據(jù)不同溫度下測得的條紋數(shù)據(jù)，繪出溫度t- 級數(shù)n 間的關(guān)系曲線，稱為材料的熱光曲 線。 圖3-13 材料的熱光曲線4.分析熱光曲線可分為三個(gè)階段：第一階段（圖中A 點(diǎn)以前的一段）：玻璃態(tài)。特點(diǎn)是彈性模量大，變形小，蠕變也 小，應(yīng)力和應(yīng)變、應(yīng)力和條紋之間呈線性關(guān)系。第24頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一第二階段（圖中A B間的一段）：過渡態(tài)。特點(diǎn)是在較小的溫度范圍內(nèi)，彈性模量和材料條紋變化大，蠕變也大。第三階段

16、（圖中B 點(diǎn)以后的一段）：橡膠態(tài)或高彈態(tài)。特點(diǎn)是呈完全彈性狀態(tài)，條 紋不再隨時(shí)間改變，加載后條紋達(dá)到最后值。卸載后即刻又消失光彈性效應(yīng)。此階段的彈性模量和條紋級值均較、階段小的多。熱光曲線中，A 點(diǎn)稱為玻璃化溫度，環(huán)氧樹脂材料A 為80C 左右，B 點(diǎn)稱為臨界溫度，就是材料在加載時(shí)條紋立即達(dá)到最后值，卸載后條紋又立即消失的最高溫度，也就是高彈態(tài)開始時(shí) 的溫度。環(huán)氧樹脂材料的B 點(diǎn)約在95C100C。 三.材料凍結(jié)溫度的確定根據(jù)測得的臨界溫度值，取比臨界溫度高5C10C 的值作為材料的凍結(jié)溫度。模型在到達(dá)凍結(jié)溫度后，再緩慢降溫到室溫，此時(shí)卸載，條紋就保留在模型中了，這 就是材料的凍結(jié)性能。臨界溫

17、度和凍結(jié)溫度隨材料的固化條件和退火處理的不同而有所變化，故每次實(shí)驗(yàn) 時(shí)需具體測定。第25頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一在凍結(jié)過程中應(yīng)注意下列各點(diǎn)：1.必須始終注意模型中各點(diǎn)部分溫度的均勻性。避免由于溫度不均勻而使溫差應(yīng)力凍結(jié)在 模型中。在凍結(jié)過程中，一般當(dāng)溫度達(dá)到70C 以后，可以5C 小時(shí)的速度升溫，降溫更要慢一些， 常以3C/小時(shí)的速度進(jìn)行。恒溫時(shí)間的長短則根據(jù)模型尺寸大小來定。因此，上面所舉的實(shí)例中，壓力殼、股骨、海洋平臺模型的凍結(jié)溫度曲線都不相同。2.凍結(jié)溫度要恰當(dāng)。凍結(jié)溫度由材料的熱光曲線確定。但是還應(yīng)考慮到，模型在凍結(jié)過程中，表面會引起氧化， 顏色也會變暗，

18、表面會產(chǎn)生附加應(yīng)力，這就是熱時(shí)間邊緣效應(yīng)。這種效應(yīng)與凍結(jié)溫度的高低 以及凍結(jié)溫度下所處的時(shí)間長短成正比。所以，凍結(jié)溫度應(yīng)盡可能選低些，高溫恒溫時(shí)間盡可能取短些，但同時(shí)又必須使模型熱透， 且各處溫度均勻。第26頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一3.凍結(jié)載荷的估算。一方面希望能出現(xiàn)足夠的條紋，而另一方面要求模型材料保持在力學(xué)和 光學(xué)的比例范圍內(nèi)。環(huán)氧樹脂模型，在110C 時(shí)，其彈性模量為25MPa 左右，材料條紋值為300N/m 左右。（每次需用對徑受壓圓盤在與模型同樣凍結(jié)條件下進(jìn)行凍結(jié)試驗(yàn)測出）。估 算應(yīng)力可按已知理論公式進(jìn)行，再通過光-應(yīng)力公式估計(jì)載荷值。4.注意凍結(jié)模型在烘箱內(nèi)的放置法。在高溫下材料會軟化，變形很大，盡量消除自重的影 響， 其他如外界對模型的約束和加載滑輪的摩擦阻力等都應(yīng)仔細(xì)考慮排除。 第27頁，共30頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)4分，星期一3-6 不同彈模光彈性材料的澆制 在一些工程問題中，需要用不同彈模的材料，如模擬水壩和基礎(chǔ)、牙齒與牙槽骨、機(jī)械部件 與螺栓等。目前改變材料彈性模量的方法有：1.改變固化劑（順丁烯二酸酐）用量。高分子材料的彈性模量與交聯(lián)度有關(guān)，增加或減少固化劑的用量，可以提高或降 低材料的交聯(lián)度。如果固化劑減少，可以降低彈性模量，但固化劑減少到一定限度時(shí)，就不能交聯(lián)成固化材料的。實(shí)驗(yàn)