高密度聚乙烯力学性能试验研究

　　摘要：高密度聚乙烯(HDPE)作为一种可塑性强，造价低廉和耐腐蚀性能较好的热塑性树脂，被广泛运用于化工，建筑，军工等各个领域，同时国内外各个学者也对该材料的力学性能展开大量研究。本文主要工作是研究两种低温条件下高密度聚乙烯单轴准静态拉伸性能，和常温高密度聚乙烯不同应变率条件下动态拉伸和压缩力学性能分析。

　　关键词：高密度聚乙烯;力学性能;试验研究

　　1、低温拉伸性能试验

　　高密度聚乙烯常用于金属输油管道的外包裹层，用于保护金属输油管道不受外界环境腐蚀甚或损坏，延长金属输油管道的使用寿命。本文研究的高密度聚乙烯为PE100，常温下弹性模量为1GPa，拉伸屈服强度为25MPa，在GB/T1040.1—2006中，拉伸屈服强度被定义为:出现应力不增加而应变增加时的最初应力。本文所研究的输油管道敷设在我国寒冷地区，敷设管道所处位置冬季常处于0℃以下，有时可达到-10℃，为了研究高密度聚乙烯在低温下的拉伸性能，并与常温下的相关力学参数进行比较分析，本文选取了两种典型温度，分别是0℃和-10℃，拉伸速率为500mm/min，检测依据参照文献。低温拉伸性能试验主要得到了材料的以下力学性能参数:拉伸屈服强度、拉伸屈服应变、拉伸断裂应变和弹性模量。

　　试验温度0℃时，PE100的拉伸屈服强度平均值为27.34MPa，试验温度-10℃时，PE100的拉伸屈服强度平均值为29.72MPa，而常温条件下是25MPa。试验数据说明，随着温度的降低，PE100的拉伸屈服强度增大，材料的拉伸屈服应变减小，拉伸断裂应变减小，材料的弹性模量反而增大，比常温条件下的弹性模量分别增大了20%和40%多。两种典型温度下，PE100的拉伸屈服强度与最大拉伸强度相等，随着温度的降低，拉伸屈服强度增大，拉伸屈服应变和拉伸断裂应变都变小，从某种意义上温度的降低使得材料的延性变差。

图1不同温度条件下应力应变关系曲线

　　2、动态压缩试验

　　本次动态(冲击)压缩试验所选设备为φ14.5的分离式Hopkinson压杆，简称SHPB。杆材为钢，入射杆长1000mm，透射杆长1000mm;子弹长度有300mm和200mm两种。除应变率为4900/s的试验数据是在200mm长子弹的冲击下获得的，其他均采用300mm的子弹。通过粘贴在入射杆和透射杆上的应变片测得入射、反射和透射信号。为避免试验过程中因应变片失效而漏记信号，所以在入射杆和透射杆上各粘贴了两组应变片;为消除入射波的高频振荡，也为了试样能尽早进入均匀状态，满足SHPB均匀性假定，采用小的橡胶垫片整形。入射杆上两组应变片离撞击端的距离分别为225mm和285mm;透射杆上两组应变片分别离试样和透射杆接触端的距离为320mm和420mm，两组信号的对比验证说明输出信号稳定可信，计算应力应变曲线可从入射杆和透射杆上各取一组信号即可。

　　对所提供的试样，在不同的弹速下，进行了一系列试验，本次冲击压缩试验共有8组应变率，分别为:400/s，1050/s，1500/s，2000/s，2700/s，3300/s，4300/s，4900/s，所得的工程应力应变曲线可得，应变率越高，材料的流动应力越大，说明该聚乙烯材料的力学性能具有一定的应变率敏感性。从应力应变曲线的形状来看，该聚乙烯在某一应力达到前，应力应变关系可近似为一条直线，在达到某一应力后，应力应变关系仍可近似为一条直线，不过直线的斜率明显下降，这种曲线形状较为符合弹塑性材料的应力应变关系，某应力前后分别是弹性阶段和塑性阶段，但无明显的“屈服点”，为了便于讨论分析，本文将两阶段(弹性阶段和塑性阶段)直线外推的交点对应的应力作为名义屈服应力，对应的应变作为名义屈服应变，具体方法见文献。

　　3、动态拉伸试验

　　本文动态(冲击)拉伸试验所选设备为分离Hopkinson拉杆，采用的是撞管型拉杆，应变片粘贴在距离加载点700mm处。根据试验要求，将应变片、动态应变仪、波形存储器和计算机连接组成测试和存储系统，调节并确定所使用通道的放大倍数。每次试验前，均要检查应变片的粘贴状态、动态应变仪和波形存储装置的线路连接，以及波导杆间的同轴情况，确保系统状态满足试验要求。由于测试过程中透射信号非常小，测量过程中采用了半导体应变片，同时前端增加了放大设备，放大倍数为10。因此透射信号都被放大了10倍。入射波和反射波以及透射波的信号都非常好，干扰很小，以此得出的试验结果是可信的。当应变率增加后，由于入射载荷的增加会造成试验件出现颈缩现象，使得材料进入塑性阶段。不同应变率下的工程应力—应变曲线，应变率分别为688/s，992/s，1736/s，2334/s，3086/s。不同应变率拉伸条件下高密度聚乙烯力学参数，包括动态拉伸屈服应变，动态拉伸屈服强度和弹性模量，弹性模量取初始切线模量。

　　结论和展望

　　1)两种典型低温下，PE100的拉伸屈服强度与最大拉伸强度相等，随着温度的降低，PE100的拉伸屈服强度增大，弹性模量增大，拉伸屈服应变减小，拉伸断裂应变减小，温度的降低使得材料的延性变差。

　　2)对于动态压缩试验，随着应变率的增大，压缩名义屈服应力线性增大，压缩名义屈服应变总体上减小，弹性模量逐渐增大，与应变率呈三次多项式的关系。

　　3)对于动态拉伸试验，随着应变率的增大，拉伸屈服强度线性增大，拉伸屈服应变在总体上有减小的趋势，弹性模量逐渐增大，与应变率呈三次多项式的关系。

　　4)动态压缩和拉伸条件下，不同应变率所获得的压缩名义屈服强度和动态拉伸屈服强度在大小上差别不大，弹性模量也较为接近。

　　参考文献:

　　[1]李俊伟，黄宏伟.土工格室HDPE片材拉伸应变率相关特性[J].建筑材料学报，2008，12(1):47-51.

　　[2]中国国家标准化管理委员会.GB/T1040.3-2006塑料拉伸性能的测定第3部分:薄膜和薄片的试验条件[S].北京:中国标准出版社，2006.