緩沖材料力學性能的測試方法研究

1、緩沖材料力學性能的測試方法研究摘 要緩沖材料一直伴隨著人類社會的進步而在不斷地發(fā)展著，從以前的碎紙屑、木屑、泡沫塑料發(fā)展到現(xiàn)在的很多綠色的緩沖包裝材料，比如有蜂窩紙板、玉米秸稈緩沖材料、瓦楞紙板、紙漿模塑制品、珍珠棉以及發(fā)泡聚乙烯緩沖材料等，這些新型環(huán)保緩沖材料的出現(xiàn)，大大促進了包裝工業(yè)的發(fā)展。為了能在日常生活中更好的利用緩沖包裝材料，所以對緩沖材料力學性能的測試是非常必要的。本文介紹了緩沖材料的主要力學性能包括：壓縮性能、拉伸性能、彎曲性能、剪切性能、緩沖性能等，并對各力學性能的測試方法進行了對比分析，尤其是對正交試驗、曲線擬合法、計算機仿真設計以及數(shù)字相關測量方法等等進行了詳細地介紹，為現(xiàn)

2、代緩沖包裝材料的開發(fā)和研究提出了新的方向。關鍵詞：緩沖材料，力學性能，測試方法研究buffer material mechanics performance testing methodabstractbuffer material has been accompanied by the progress of human society and developing, and from the previous paper, broken wood, foam development of many green until now, for instance a cushion packag

3、ing material of honeycomb paperboard, corn straw cushioning material, corrugated, paper pulp molding products, pearl cotton and foaming polyethylene buffer material, these new environmental buffer material greatly promoted the development of packaging industry.in daily life, in order to better use a

4、nd so on cushion packaging material buffer material mechanics performance test is very necessary. the paper introduces the main buffer material mechanics properties including compression performance, tensile properties, bending, cutting performance and buffering properties, and the performance of th

5、e mechanical properties test methods were analyzed, especially the orthogonal experiment, curve-fitting method of computer simulation, the design and digital correlation method etc. carried on the detailed introduction to modern cushion packaging material, for the development and research of new dir

6、ection.keywords: cushioning materials, mechanical properties, test methods38目錄前 言1第一章 緩沖材料的介紹分類21.1 蜂窩紙板21.2 泡沫鋁21.3 玉米秸稈21.4 紙漿模塑材料31.5 珍珠棉（epe）31.6 發(fā)泡聚乙烯緩沖材料31.7 金屬多孔材料4第二章 緩沖材料的力學性能及測試52.1 壓縮性能52.1.1 蜂窩紙板的壓縮性能52.1.2 發(fā)泡聚乙烯緩沖材料的壓縮性能72.1.3 金屬多孔材料的壓縮性能82.1.4 珍珠棉（epe）的壓縮性能92.2.彎曲性能112.2.1 蜂窩紙板的彎曲性能112

7、.2.2 泡沫鋁的彎曲性能112.3 剪切性能122.3.1 蜂窩紙板的剪切性能122.3.2 泡沫鋁的剪切性能152.4 緩沖性能152.4.1 發(fā)泡聚乙烯緩沖材料的緩沖性能152.4.2 玉米秸稈的緩沖性能172.5 拉伸性能202.5.1 泡沫鋁的拉伸性能202.5.2 紙漿模塑材料的拉伸性能20第三章 緩沖材料力學性能和測試方法研究223.1 包裝用緩沖材料性能分析223.2 測量緩沖包裝材料力學性能的方法243.2.1 正交試驗、曲線擬合法243.2.2 計算機仿真設計253.2.3 用數(shù)字相關測量方法253.2.4 應用有限元理論和有限元方法263.2.5 智能材料電流變流體在運輸

8、包裝中的應用研究26結 論27謝 辭28參考文獻29外文資料翻譯31前 言 隨著社會的進步，科學技術的飛速發(fā)展，越來越多的緩沖材料被應用到生產(chǎn)實踐中。傳統(tǒng)的緩沖材料有泡沫塊、木板、紙屑、草類等，近年來又出現(xiàn)了很多新型的緩沖材料，例如蜂窩紙板、瓦楞紙板、紙漿模塑制品、珍珠棉（epe）、可降解泡沫塑料、玉米秸稈緩沖包裝材料和氣墊薄膜等，新型緩沖材料有著優(yōu)異的力學性能和吸收能力,良好的成型性和低成本,無污染等特性,使其在包裝領域占有突出的位置,可廣泛用于精密機床、儀器儀表、工具、家電、電子及計算機產(chǎn)品、汽車零部件、玻璃等包裝及周轉貯運,還可用于食品的包裝和包裝時的空隙填充等。隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展,

9、物流進化和運輸改革的不斷深入,紙托盤、包裝箱將大量應用,電子信息產(chǎn)品所需包裝箱、緩沖襯墊、托盤等數(shù)量隨生產(chǎn)的擴大和出口量的增加而迅速增加。彩色電視機、計算機、空調、電冰箱、洗衣機等家用電器所需包裝箱、托盤、緩沖襯墊等數(shù)量也驚人。在應用中經(jīng)常會碰到所需的力學性能不同的情況，所以對緩沖材料力學性能的研究是十分必要的。下面本文就對幾種比較常見的緩沖材料的力學性能進行測試研究。第一章 緩沖材料的介紹分類1.1 蜂窩紙板蜂窩紙板是根據(jù)自然界蜂巢結構原理制作的，它是把瓦楞原紙用膠粘結方法連接成無數(shù)個空心立體正六邊形，形成一個整體的受力件紙芯，并在其兩面粘合面紙而成的一種新型夾層結構的環(huán)保節(jié)能材料。蜂窩紙板

10、以質輕、價廉、強度高、可回收等特性深受市場歡迎，特別是荷蘭、美國、日本等發(fā)達國家和地區(qū)，已成為具有節(jié)省資源、保護環(huán)境的一種新型綠色包裝。 蜂窩紙板包裝箱是中國出口商品的理想包裝。它的推廣應用，一方面可降低商品在流通過程中的破損率；另一方面，取代木箱，利于環(huán)保。1.2 泡沫鋁泡沫鋁是在純鋁或鋁合金中加入添加劑后，經(jīng)過發(fā)泡工藝而成，同時兼有金屬和氣泡特征。它密度小、高吸收沖擊能力強、耐高溫、防火性能強、抗腐蝕、隔音降噪、導熱率低、電磁屏蔽性高、耐候性強、有過濾能力、易加工、易安裝、成形精度高、可進行表面涂裝。 泡沫鋁具有優(yōu)異的物理性能、化學性能和力學性能以及可回收性。泡沫鋁的這些優(yōu)異性能使其在當今

11、的材料領域具有廣闊的應用前景，是很有開發(fā)前途的工程材料，特別是在交通運輸工業(yè)，航天事業(yè)和建筑結構工業(yè)等方面。1.3 玉米秸稈在緩沖包裝領域中，泡沫塑料存在著環(huán)境污染、韶易壁壘等問題，面臨著淘汰的危險，因此尋找一種可替代泡沫塑料的緩沖材料勢在必行。近幾年，植物纖維類緩沖包裝材料的研究成為一個新的熱點玉米秸稈材料來源豐富、價格便宜、密度低且具有良好的生物降解性能。用秸稈粉碎物和粘接劑作為原料,經(jīng)混合、交聯(lián)反應、發(fā)泡、澆鑄、烘烤定型、自然干燥等工藝后,即可制成減震緩沖包裝材料。這種材料在低應力條件下,具有良好的緩沖性能,且易降解,因此成為新型緩沖包裝材料的研究重點。1.4 紙漿模塑材料紙漿模塑材料是

12、用一定濃度的紙漿,加入適量的化學助劑在帶有濾網(wǎng)的模具成型中通過真空或加壓的方法使纖維均勻地分布于模具表面,從而具有擬定形狀的濕紙漿模塑材料胚,再經(jīng)過脫水、脫模、干燥和整飾而形成的緩沖包裝材料。其材料應用領域可涵蓋電子、機械零部件、工業(yè)儀表、電工工具、玻璃、陶瓷制品、農(nóng)產(chǎn)品、醫(yī)藥、食品等行業(yè)。雖然紙漿模塑材料的研究與應用在國內(nèi)外已取得了很大的進展,但目前絕大多數(shù)的研究工作主要集中在生產(chǎn)工藝(如紙漿制備、添加劑的選擇、工序的合理安排)的制定、改進、模具及成型機的設計開發(fā)上,而對紙漿模塑材料性能的研究還不深入,緩沖機理和結構設計理論研究甚少。1.5 珍珠棉（epe）發(fā)泡聚乙烯epe，又稱珍珠棉，是一

13、種新型環(huán)保的包裝材料，它由低密度聚乙烯脂，經(jīng)物理發(fā)泡產(chǎn)生無數(shù)的獨立氣泡構成，克服了普通發(fā)泡易碎、易變形、回復性差的缺點，同時epe還具有很好的抗化學性能，是傳統(tǒng)包裝材料的理想替代品。1.6 發(fā)泡聚乙烯緩沖材料發(fā)泡聚乙烯材料是以聚乙烯樹脂為主體，加發(fā)泡劑、交聯(lián)劑和其它添加劑制成，是十分重要的一種緩沖材料。它具有密度小，最小可達0.01cm3；緩沖性、耐熱性、吸水性?。换瘜W性能穩(wěn)定，不易受腐蝕；機械性能好，堅韌、有撓性、耐摩擦；加工性能好，易于成型；價格較便宜等優(yōu)點。在包裝上廣泛用于精密儀器儀表、家用電器、玻璃和陶瓷制品、工藝品、貴重物品等的緩沖包裝；可制成緩沖襯墊，作為包裝內(nèi)襯材料；也可制成緩沖

14、袋、緩沖板箱等包裝容器；還可制成冷凍食品和熱食品的絕熱容器等。1.7 金屬多孔材料金屬多孔材料既有金屬的性質，又因為材料內(nèi)部存在著大量的孔隙，而具有一系列的功能特性，它是一類優(yōu)良的結構功能一體化材料。金屬多孔材料正在從功能單一的材料用途向結構材料延伸，最終實現(xiàn)多功能化、結構功能一體化的突破。隨著金屬多孔材料的功能結構一體化的研究，越來越需要研究功能性金屬多孔材料在結構件中的力學行為，積累這些材料在承受一定載荷和沖擊情況下的基礎力學數(shù)據(jù)，同時為拓寬金屬多孔材料的多功能化提供依據(jù)。第二章 緩沖材料的力學性能及測試2.1 壓縮性能2.1.1 蜂窩紙板的壓縮性能1. 試件試樣尺寸見圖1。厚度h為產(chǎn)品實

15、際厚度,寬度b至少應包括4個完整的蜂格,無支撐高度h不大于厚度h的10倍。總高度h='h+2d,取支座深度d=1020mm。各尺寸滿足以下關系:hbh=146。此試驗取h=30mm,b=120mm,h=180mm,d=20mm。試樣的取位區(qū),應離板材邊緣(已切除毛邊)23mm,若取位區(qū)有氣泡、分層、積膠、皺褶等,應予避開。蜂窩紙板為各向異性材料(除短切纖維模壓蜂窩紙板外),試樣取材時應嚴格保證布紋方向、布層方向與試驗要求相符。并在試驗報告中詳細注明。蜂窩紙板試樣的加工應該采用鋒利和耐磨的硬質合金刃具或砂輪片。加工時要防止試樣分層、刻痕和局部擠壓等機械損傷,禁止用油。除對水敏感的材料外,

16、可用水冷卻。當材料厚度超過標準式樣厚度時,應從單面削切。試樣端部應精致加工,使兩受載端面達到平行,不平行度應小于0. 1mm,并與面板平面垂直。當蜂格邊長c10mm時,兩端蜂孔應用填料加固。圖 2-1 試件尺寸2. 加速速率變化時蜂窩紙板側壓強度的變化常溫常壓下,加載速率變化時,其它條件不變,加載速率分別為1、5、50、100mm /min。不同加載速率下的應力-應變關系曲線見圖2。從圖2中可以看出,當加載速率增大時,極限載荷有增大的趨勢,并且在這個過程中,試件會較快的失去承載能力。圖 2-2不同速率下蜂窩紙板試樣的應力-應變關系曲線3. 溫度變化時蜂窩紙板側壓強度的變化溫度變化,其它條件不變

17、,溫度分別為-17. 7, 35, 50, 60。不同溫度下的應力-應變關系曲線見圖3。由圖3可以看出,當溫度在50以下時,隨著溫度的升高,蜂窩紙板的極限載荷增大,側壓強度也隨著增大。但溫度超過50時,隨著溫度的升高,蜂窩紙板的極限載荷減小,側壓強度也隨著減小。圖 2-3 不同溫度下蜂窩紙板試樣的應力-應變曲線2.1.2 發(fā)泡聚乙烯緩沖材料的壓縮性能1. 樣品試驗樣品是40. 5kg/m3的發(fā)泡聚乙烯(epe);試樣的尺寸為100mm×100mm×片材原厚;樣品數(shù)量為6個;試驗樣品在23,rh50%的環(huán)境中預處理24h以上。2. 設備法國adamel的拉壓試驗機dy25,準

18、確度等級為1%,電腦同步采集系統(tǒng),游標卡尺,砝碼。3. 實驗方法（1）將試樣分成2組a和b,每組3個,對每個試樣進行編號。（2）測量每個試樣的初始厚度。按順序測量試樣4個角的厚度,取其平均值。（3）使用11kg的砝碼分別對a#組的3個試樣進行預壓處理,環(huán)境條件為23, rh50%,預壓縮時間是24h。（4）經(jīng)24h預壓縮后,卸載,試樣恢復4h后再次測量試樣的厚度,并用拉壓試驗機以100mm /m in的速度對試樣進行壓縮,同時采集試樣的“壓力-形變”數(shù)據(jù)和曲線。（5） b#組試樣均不做預壓縮處理,在拉壓試驗機上直接以100mm /min的速度對試樣進行壓縮,同時采集試樣的“壓力-形變數(shù)據(jù)和曲線

19、。4. 實驗結果壓縮特性曲線經(jīng)過預壓縮的a#組試樣應力-應變曲線,見圖1。圖2-4a#組試樣的應力-應變曲線(常溫)未經(jīng)預壓縮的b#組試樣應力-應變曲線,見圖2。圖2-5b#組試樣的應力-應變曲線2.1.3 金屬多孔材料的壓縮性能圖1為燒結金屬多孔材料典型的壓縮應力-應變曲線，可以看出，其壓縮應力-應變曲線大致分為3個階段：在應變很低情況下的線性彈性區(qū)、屈服平臺區(qū)和應力急劇增大情況下的致密化區(qū)。金屬多孔材料在壓縮過程中能量吸收能力取決于壓縮應力-應變曲線下平臺屈服區(qū)的面積。金屬多孔材料還是優(yōu)良的減震材料，由于其具有這一特殊性質而廣泛應用于汽車制造業(yè)。從圖1還可以看出，金屬多孔材料抗沖擊性能取決

20、于線彈性區(qū)下的面積。圖2-6 金屬多孔材料的壓縮應力-應變曲線2.1.4 珍珠棉（epe）的壓縮性能1. 樣品樣品為兩種不同密度的發(fā)泡聚乙烯（epe）；試樣的尺寸為100mm×100mm×片材原厚，片材厚度分別為25mm、35mm、45mm；每種樣品數(shù)量為10。2. 設備采用英國lloyd公司的lrxplus 5kn萬能材料試驗機，對試樣進行準靜態(tài)壓縮試驗，設定壓縮速度12mmmin。3. 試驗方法（1）測量每種試樣的初始厚度、質量。求得密度，分為大密度、小密度試樣兩種；（2）按照gbt 4857.292包裝運輸包裝件溫濕度調節(jié)處理，將樣品置于恒溫恒濕試驗機內(nèi)，溫度：20，

21、相對濕度：65%，預處理時間：24小時以上；（3）對每種試樣在萬能材料試驗機上進行靜態(tài)壓縮試驗，獲得試樣的力-變形數(shù)據(jù)；（4）當壓縮載荷急劇增加時停止實驗。卸載3分鐘后，測量試樣厚度，作為試樣經(jīng)壓縮實驗后的厚度，求得殘余應變；（5）進行數(shù)據(jù)處理，獲得應力-應變曲線模型。圖2-7大密度epe不同厚度的應力-應變曲線圖2-8 小密度epe不同厚度應力-應變曲線2.2.彎曲性能2.2.1 蜂窩紙板的彎曲性能面板、夾心采用串聯(lián)模型,并考慮芯子在面內(nèi)無承剪能力,面內(nèi)剪應力為xy=fxy當蜂窩夾層結構受到面內(nèi)(xy)的剪力作用時,由于芯子在這個方向上的剪切強度很小,剪應力完全由面板承擔,剪切強度為彎曲強度

22、為2.2.2 泡沫鋁的彎曲性能泡沫鋁的彎曲性能研究都是基于復合結構,實際應用當中,由于泡沫鋁的剛度較低,承受彎曲載荷時都是用其復合結構。目前,有關復合板彎曲破壞行為的研究還不充分。多層復合板的問題尚未系統(tǒng)研究,另一個問題是只有用鋁合金作為表面板使用的報道,用其它板材做為復合板面板的研究報道比較少。泡沫鋁層合梁和泡沫鋁的承受載荷能力隨孔隙率的增大而逐漸減小,且同一孔隙率下的泡沫鋁層合梁的極限載荷點比泡沫鋁極限載荷點出現(xiàn)得遲,極限載荷值約為后者的45倍;在孔徑大小分布均勻的情況下,小孔隙率的三明治板的抗彎強度和彎曲彈性模量比大孔隙率的大,而大孔隙率三明治板的斷裂吸收能和斷裂撓度比小孔隙率的大。較厚

23、的面板和良好的孔結構可以提高泡沫鋁層合梁的載荷曲線,載荷分別增加70%和80%左右。泡沫鋁層合梁在四點彎曲載荷下有板材表面的凹陷,內(nèi)芯的切斷和金屬面板的屈服三種失效方式,這些失效方式既與金屬面板和泡沫鋁芯厚度以及復合板整體厚度等幾何因素有關,也與金屬面板和泡沫鋁芯強度有關。凹陷型破壞是復合板與壓頭接觸部位的局部變形,彎曲載荷在達到峰值后略微下降,當發(fā)生較大的彎曲變形時彎曲載荷仍保持峰值的80%90%,這條曲線與泡沫鋁本身的壓縮曲線比較相似,因為它們都是由局部變形或局部密實化所導致的。芯部切斷是彎曲載荷在達到峰值后迅速下降,并一直保持在峰值的60%左右。當壓頭刺入面板的表面時,此處的泡沫鋁芯開始

24、發(fā)生局部壓縮或局部密實化,隨著壓頭的不斷刺入,裂紋在凹陷區(qū)域產(chǎn)生并在切應力的驅動下朝著支撐點的方向擴展,最終導致復合板的破壞。凹陷性破壞是由泡沫鋁內(nèi)芯和與之相鄰的表面金屬板在壓頭下的局部坍塌,表面金屬板塑性變形以及裂紋在泡沫鋁內(nèi)部剪切擴展等過程所組成。當三層板發(fā)生凹陷型破壞時,具有與三層板相同金屬面板厚度的多層復合板也有凹陷型破壞的特征,最終的破壞方式是凹陷加內(nèi)芯切斷的混合型。當三層板只發(fā)生內(nèi)芯切斷型破壞時,相應的多層復合板也完全以內(nèi)芯切斷的方式破壞;對于給定的三層板,當凹陷破壞的載荷極限小于芯部切斷的載荷極限時發(fā)生凹陷型破壞,反之發(fā)生內(nèi)芯切斷型破壞。2.3 剪切性能2.3.1 蜂窩紙板的剪切

25、性能1. 試件試樣尺寸見圖1。試驗用的蜂窩紙板其夾層內(nèi)六邊形的邊長為c=8mm,取a=100mm,b=100mm,h=30mm。其中,a為蜂窩紙板試樣的長, b為其寬,h為其厚度。試樣的取位區(qū),應離板材邊緣(已切除毛邊)23cm,若取位區(qū)有氣泡、分層、積膠、皺褶等,應予避開。蜂窩紙板為各向異性材料(除短切纖維模壓蜂窩紙板外),試樣取材時應嚴格保證布紋方向、布層方向與試驗要求相符。并在試驗報告中詳細注明。蜂窩紙板試樣的加工應該采用鋒利和耐磨的硬質合金刃具或砂輪片。加工時要防止試樣分層、刻痕和局部擠壓等機械損傷,禁止用油。除對水敏感的材料外,可用水冷卻。當材料厚度超過標準式樣厚度時,應從單面削切。

26、試樣端部應精致加工,使兩受載端面達到平行,不平行度應小于0. 1mm,并與面板平面垂直。當蜂格邊長c10mm時,兩端蜂孔應用填料加固。圖 2-9 試件尺寸2. 壓雙剪試驗夾具兩蜂窩紙板夾于3鋼板之間,見圖2。鋼板尺寸隨試樣尺寸而異。鋼板厚度h=15mm,寬度為試樣的寬度,即a=100mm,長度比試樣長2h,也就是b=130mm。測定變形時,兩側鋼板盡可能保持水平,否則會影響實驗效果,如在初始時,應力-應變圖會出現(xiàn)一小波峰。試驗時試樣放置見圖2所示,鋼板水平豎立放在電子式萬能試驗機上,中間鋼板受壓。當鋼板被壓時,中間鋼板與兩側鋼板發(fā)生相對運動:前者向下運動,后者向上運動,夾在其間的蜂窩紙板因此受

27、到剪切。圖2-10 加載方式3. 加速速率變化對蜂窩紙板剪切強度的影響(1)試驗試樣:試樣寬度、長度都為100mm,厚度為30mm。(2)加載速率分別為: 1、10、200和500mm /min。(3)試驗條件:溫度為25,濕度為57%rh。(4)試驗步驟:粘膠后在常溫常濕中存放24h;然后在電子式萬能試驗機中進行試驗。(5)結果分析與數(shù)據(jù)處理:蜂窩紙板粘接界面的剪切強度為,=p /(2a2)式中:剪應力,p試驗機所加載荷。實驗結果見表1,表中給出了不同加載速率下的極限載荷和剪切強度。從表1中可以看出,當加載速率增大時,極限載荷有增大的趨勢,并且在這個過程中,試件會較快的失去承載能力。表2-1

28、 在不同加載速率下的剪切強度試樣加載速率110200500極限載荷0.440.650.750.86剪切強度0.2200.3250.3750.4304. 溫度變化對蜂窩紙板剪切強度的影響(1)試驗試樣:a=b=100mm,h=30mm(a, b為試樣的寬度、長度,h為試樣的厚度)。(2)加載速率: 1mm /min. (3)試驗溫度分別為: 25、60和70;濕度為57%rh。(4)試驗步驟:將試樣放入恒溫恒濕箱進行預處理,處理時間為24h,然后在電子式萬能試驗機中進行試驗。實驗結果見表2,表中給出了不同溫度條件下蜂窩紙板剪切強度的實驗結果。由表2看出,隨著溫度的升高,蜂窩紙板的剪切強度是增加的

29、。但在70時剪切強度明顯低于其他情況。主要是因為在70溫度條件下,膠粘劑的粘接性能明顯劣化,導致界面剪切強度下降。表2-2 在不同溫度條件下的剪切強度試樣溫度25506070極限載荷0.440.550.610.14剪切強度0.2200.2750.3000.0705. 濕度變化對蜂窩紙板剪切強度的影響(1)試驗試樣:試樣寬度、長度都為100mm,厚度為30mm。(2)加載速率: 1mm /min。(3)試驗條件:用恒溫恒濕箱對試件進行預處理,使試樣溫度為15,濕度分別為: 45%、80%和95%rh。(4)在電子式萬能試驗機上進行試驗。實驗結果見表3,表中給出了不同濕度條件下蜂窩紙板剪切強度的實

30、驗結果。由表3看出,隨著濕度的升高,蜂窩紙板的剪切強度是增加的。表2-3 在不同濕度條件下的剪切強度rh458095極限載荷0.560.500.43剪切強度0.2800.2500.2152.3.2 泡沫鋁的剪切性能泡沫鋁在剪切載荷下表現(xiàn)出明顯的脆性行為,在測試中裂紋發(fā)生在試樣長度的三分之一處,沿著平行于加載軸的方向擴展,最后偏移到與加緊裝置的結合處。試樣厚度對剪切強度影響很小,剪切位移隨著密度和試樣厚度的增加而增加。泡沫鋁受到的剪切載荷對泡沫鋁的破壞貢獻很大,可以用它作為三明治件設計的準則。泡沫鋁的剪切強度測量值有一定的分散性,blazy等實驗測得四組尺寸為250 mm×50 mm&

31、#215;25 mm泡沫鋁的最大剪切應力分別為1.7,1.75,1.9和2.0 mpa。2.4 緩沖性能2.4.1 發(fā)泡聚乙烯緩沖材料的緩沖性能通過公式(1)、(2)、(3)可實現(xiàn)應力-應變曲線轉化為緩沖系數(shù)-最大應力曲線。 （1） （2） （3）c為緩沖系數(shù),無單位; e為單位體積緩沖材料的形變能,kg/cm2;為應力, kg/cm2;為應變,%;f為壓縮力值, kn;a為試樣的承壓面積, 100cm2。1. 經(jīng)過預壓縮的a#組試樣的緩沖特性曲線,見圖1。圖2-11a#組試樣的緩沖系數(shù)-最大應力曲線(常溫)2. 未經(jīng)預壓縮的b#組試樣的緩沖特性曲線,見圖2。圖2-12b#組試樣的緩沖系數(shù)-最

32、大應力曲線(常溫)a#組和b#組使用同種類同生產(chǎn)批次的緩沖材料,a#組和b#組試樣的初始平均厚度分別為45. 76mm和46. 00mm,a#組試樣經(jīng)預壓縮后的厚度變?yōu)?4. 55mm,比初始厚度減少了2.6%。經(jīng)靜態(tài)壓縮后2組試樣表現(xiàn)出不同的力學性能,a#組試樣的應力-應變曲線出現(xiàn)了應力屈服點,隨后應力有所下降,并再次攀升。2組實驗所獲得的緩沖系數(shù)也不一致。未經(jīng)預壓縮的實驗組,試樣表現(xiàn)出一個最小緩沖系數(shù),約為4,最大靜應力為1. 6kg/cm2;而經(jīng)過預壓縮的試樣則表現(xiàn)出2個數(shù)值不同的緩沖系數(shù),分別約為3. 5和4,對應的最大靜應力分別為3. 4kg/cm2和1. 4kg/cm2。2.4.2

33、 玉米秸稈的緩沖性能1. 原理在跌落試驗機上,使用不同質量的重物與材料綁定,從不同高度自由跌落,沖擊試樣,記錄最大沖擊加速度,通過對多個試樣多次沖擊最大加速度數(shù)據(jù)的處理,求得緩沖材料的緩沖性能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)把加速度的變化過程記錄下來,得到靜應力和沖擊加速度等數(shù)據(jù)。通過換算可以得到最大靜應力、緩沖系數(shù)、最大加速度等數(shù)據(jù)。2. 設備測試系統(tǒng)的設計,主要是從跌落沖擊信號的產(chǎn)生、信號的獲取、轉換、傳輸和接收等幾方面來考慮。它是由緩沖材料跌落沖擊試驗機、加速度傳感器、電荷放大器、峰值電壓表、a /d轉換板及數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。本試驗采用dlj-100包裝件跌落試驗臺、壓電式加速度傳感器、inv3

34、03b智能信號采集處理分析儀、ca-3積分電荷放大器、sfd-5型數(shù)字式峰值電壓表和計算機組成測試系統(tǒng)。3. 方法本次試驗按gb 8167-87規(guī)定進行。試驗選取兩種厚度的玉米秸稈緩沖包裝材料,在2個跌落高度、5種重物的條件下分別進行次測試試驗參數(shù)設置見表1。表2-4 動態(tài)緩沖性能測試試驗參數(shù)密度長*寬厚度t跌落高度重物質量0.48100*10025403004001.0 2.0 3.0 4.0 5.04. 加速度與時間關系通過試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),加速度的變化趨勢基本一致。選擇跌落高度40cm、厚度25mm、重物2.0kg、第一次沖擊進行分析,見圖1。圖2-14 加速度時間曲線從上圖可以發(fā)現(xiàn):加

35、速度-時間曲線可以分為2個階段,第1階段是材料在重物沖擊下壓縮,隨著時間的延長,速度在襯墊的緩沖作用下減小,襯墊壓縮量變大,加速度也隨之增大。第2階段是襯墊的回彈,隨著時間的延長,襯墊變形量減小,加速度也隨之減小。峰值且波形幾乎是左右對稱,說明試樣在一次沖擊作用下回彈性比較好,而且回彈速度較快。5. 最大加速度與襯墊厚度和跌落高度的關系根據(jù)實驗數(shù)據(jù),分別選擇不同襯墊厚度和不用跌落高度進行正交實驗,得到材料最大加速度與厚度和跌落高度、最大靜應力與厚度和跌落高度、緩沖系數(shù)與厚度和跌落高度的關系圖分別見圖2-4。 圖 2-15 最大加速度與厚度和跌落高度的響應面立體分析圖從上述圖表分析可知:玉米秸稈

36、緩沖包裝材料在同一跌落高度跌落沖擊載荷的條件下,隨著襯墊厚度的增加,gm值越小。厚度越大,最低點越低,說明厚度越大的襯墊,在相同沖擊作用下,對能量的吸收越多,緩沖性能越好,因而由沖擊產(chǎn)生的加速度越小;同一襯墊厚度,不同跌落高度的條件下,跌落高度較大的,gm值較大,顯然跌落高度大產(chǎn)生的加速度大。在同一跌落高度下,最小緩沖系數(shù)隨著襯墊厚度的增加而增加,同時隨著襯墊厚度的增加,最小緩沖系數(shù)對應的最大應力減小;在同一厚度下,最小緩沖系數(shù)隨著跌落高度的增加而減小,但最小緩沖系數(shù)對應的最大應力增大。圖 2-16 最大凈應力與厚度和跌落高度的響應面立體分析圖圖 2-17 緩沖系數(shù)與厚度和跌落高度的響應面立體

37、分析圖2.5 拉伸性能2.5.1 泡沫鋁的拉伸性能雙向等速加載試驗在雙向等速加載時,泡沫金屬彎曲應力受到抑制,孔棱承受載荷并發(fā)生傾斜變形;孔壁受拉伸或壓縮,塑性強度隨相對密度的變化而變化,屈服面沿著雙向等速應力方向拉伸。試樣開始破壞時兩個正交方向上的載荷幾乎同時達到最大值且大致相等,并隨著裂紋的擴展而減小。當泡沫金屬孔棱任何一處的最大名義應力達到所對應致密材料的拉伸應力時,就要發(fā)生斷裂破壞,使整個泡沫體失效。由于結點的承載能力比孔棱的承載能力強,斷裂總是發(fā)生在孔棱。一般情況下,彎曲應力隨1-2變化,而軸向應力隨1+2或主應力變化?？梢缘贸霾牧显陔p向拉伸破壞時兩個外加名義應力與孔率三者之間的數(shù)學

38、關系,它們可以用來計算泡沫材料在雙向加載時所能承受的最大載荷。研究多孔材料的拉伸性能,由其理論可得出各向同性泡沫體在雙向拉伸時具有如下塑性和脆性兩種破壞形式的關系式: （1） （2）式中:ys和fs分別為對應的致密材料的屈服應力和斷裂模量,kp和kb均為材料常數(shù)。如果考慮到多孔材料試樣的具體形狀,則由于載荷傳遞作用而使多孔試樣的不同位置的應力狀態(tài)各異,但在這些多孔試樣中應力分布的整體格局是一致的,而且最大應力線將出現(xiàn)在相似的位置上。因為在所有測試樣品中應力場分布的規(guī)則形態(tài)是相互類似的,盡管樣品的具體形狀可能會產(chǎn)生一定的影響,但從模型得出的關系等式本質上不變。2.5.2 紙漿模塑材料的拉伸性能1

39、. 實驗材料與試件實驗材料為紙漿模塑材料,取自電子產(chǎn)品的緩沖襯墊。為了測取材料的力學性能,所以對材料進行單向拉伸實驗。因為紙漿模塑緩沖襯墊的結構形狀比較復雜,所以只有緩沖襯墊上較平坦的部分才能制成試件,試件的尺寸iso標準1924-2設計。本實驗中制作出取自同一緩沖襯墊材料的試件共10個,試樣尺寸見表1。表2-5 試件尺寸 試件編號厚度寬度橫截面積長度12.26813.029.48463.022.39613.031.14871.032.58313.033.57983.042.47313.032.18879.052.45513.031.91574.062.30613.029.97872.072.

40、47413.032.16278.082.42613.031.53876.092.45813.031.95454.0102.45413.031.90279.0試件的制作采用專用的可調距切紙刀進行切割。試件的厚度采用電動厚度測定儀測量,精度可達微米級,一個試件上測量出多個點的厚度值,然后取其平均值作為試件厚度的計算值。材料緊度為0.413g/cm3。2. 拉伸實驗拉伸實驗在島津ag-5ta型自動控制電子萬能材料實驗機上進行,加載方式為單向拉伸,實驗過程參考iso標準1924-2進行,加載速率設置為12mm/min,試件的尺寸如表1,本實驗選取同一批次材料的10個試件進行實驗。拉伸試件的變形的測量采

41、用非接觸式變形測量方法,即數(shù)字相關測量方法,試件上不用人工制斑,而利用紙漿模塑材料本身的紋理作為散斑即可。實驗時,連接好數(shù)字相關測量系統(tǒng),調整光源及ccd攝像頭的位置,達到成像區(qū)域尺寸和位置合適;同時好設置島津ag-5ta型自動控制電子萬能材料實驗機加載參數(shù),然后便可以加載實驗。按iso標準1924-2的規(guī)定,試件破壞后,在距試件中間(l/2處)位置o(15mm范圍內(nèi)產(chǎn)生裂紋的試件為有效試件,以排除應力集中的影響。)拉伸試驗曲線表明,紙漿模塑材料在小變形時其應力與應變之間為線性關系。第三章 緩沖材料力學性能和測試方法研究3.1 包裝用緩沖材料性能分析1. 抗振動特性分析對于內(nèi)裝產(chǎn)品來說，緩沖材

42、料的包裝實質上是緩沖和減振裝置。在流通過程中，產(chǎn)品振動的振源來自運輸工具的振動。緩沖材料的彈性是衡量緩沖材料抗振能力的基本要素之一;在共振條件下，阻尼影響產(chǎn)品振動的唯一因素，增大阻尼，傳遞率會減少，起到了減振作用。2. 緩沖性能緩沖材料對沖擊能量應具有良好的吸收性能，從而有效地減少傳遞到內(nèi)裝產(chǎn)品上的沖擊。不同的緩沖材料，其彈性特性不同，對沖擊能量的吸收能力也不同。如果不計沖擊過程中的能量損失，且假設最大沖擊的全部機械能都轉變?yōu)榫彌_材料的變形能，那么，單位體積吸收能量越大的緩沖材料，其緩沖效果就越好。工業(yè)上常用緩沖系數(shù)c來表示材料的緩沖性能，它是緩沖效率的倒數(shù)。緩沖系數(shù)c越小，表示緩沖材料單位體

43、積吸收的能量越多，因而緩沖效率越高，用材也就越經(jīng)濟，緩沖系數(shù)的最小值一般表示的佳用。3. 彈性系數(shù)在包裝力學模型中，一般都把緩沖材料視為理想的彈性體，認為它在長時間反復振動和多次沖擊下，彈性仍然均勻、無變化。材料的彈性特性，通常用材料的彈性系數(shù)k來表征，它是表征材料緩沖能力的一個重要參數(shù)。緩沖材料就是要選定一個k值合適的材料，使產(chǎn)品因受外界沖擊而產(chǎn)生的最大加速度小于產(chǎn)品可能承受的許用加速度(即脆值)。實際緩沖材料的彈性，從它們的力形變曲線來看相當復雜。根據(jù)應力應變曲線，緩沖材料分為線性彈性材料和非線性彈性材料兩大類。非線性彈性材料又分為正切型彈性材料、雙曲正切型彈性材料、三次函數(shù)型彈性材料與規(guī)

44、則型彈性材料。4. 抗蠕變性蠕變是指緩沖材料在受到靜外力作用下，隨著時間的延長變形相應增大的一種現(xiàn)象。產(chǎn)品長期儲存，緩沖材料就會發(fā)生蠕變，結果導致產(chǎn)品與襯墊間發(fā)生空隙，造成不利影響。因此，緩沖材料應有良好的抗蠕變性。緩沖材料的抗蠕變能力通常由蠕變率用cr表示。cr=(to一tu)/to*100%式中: to材料壓縮前厚度;tu材料變形后厚度5. 回彈性緩沖材料具備的恢復原來尺寸和形狀的能力稱為回彈性。緩沖材料在每一次變形之后不可能完全恢復到原來的形狀與尺寸。緩沖材料經(jīng)過幾次沖擊作用后，結構尺寸變化較大，一方面導致材料的應力一一應變曲線發(fā)生變化，影響緩沖性能;另一方面材料尺寸變小，在外包裝容器內(nèi)

45、部產(chǎn)生空隙，容易發(fā)生二次沖擊，這兩種情況都可能增大產(chǎn)品破損的可能性。產(chǎn)品的回彈性能用回彈率k描述。為了加大緩沖材料的回彈性，在使用前應對材料進行預壓力處理，使之發(fā)生塑性變形。這在一定程度上補償了緩沖材料在初始沖擊外力作用下的永久變形，從而給緩沖材料尺寸設計和充分保護產(chǎn)品帶來了更大的可靠性。k=(to一tc)/tox100%式中: to材料的原始厚度;tc后的厚度3.2 測量緩沖包裝材料力學性能的方法3.2.1 正交試驗、曲線擬合法通常使用的緩沖包裝材料，大多以聚苯乙烯泡沫塑料為主，此材料廢棄后在環(huán)境中不能自然降解，造成嚴重的白色污染。目前，世界各國為尋求無污染的新型環(huán)保包裝材料，都在進行發(fā)泡植

46、物纖維緩沖包裝材料的開發(fā)及機理方面的研究，已取得了不同程度的階段性成果。目前eps的替代產(chǎn)品是紙漿模塑防震內(nèi)襯制品，是以廢舊報紙、紙箱紙等植物纖維為主要原料，經(jīng)水力機械碎槳、模具真空吸附成型，再經(jīng)干燥而成。此類產(chǎn)品的抗震耐沖擊性能主要是通過制品的幾何結構來保證，由于受到模具結構及加工的影響，制品受到很大的制約，只能制作小型家電產(chǎn)品的包裝襯墊，而制作大型家電產(chǎn)品的包裝襯墊及填充仍然采用eps發(fā)泡制品，同時由于紙漿模塑成本比eps抱沫制品的成本要高，因而也極大地限制了紙漿模塑制品的發(fā)展。這幾年，現(xiàn)在大部分的學者都通過靜態(tài)壓縮試驗對材料力學強度的影響因素進行分析，通過正交試驗，探討各組分及工藝條件對

47、材料性能及降解性能的影響，并對植物秸稈纖維材料本構關系框架進行擴充，建立非線性本構關系模型，利用實驗數(shù)據(jù)成功識別模型參數(shù)。此種描述植物纖維類材料非線性力學行為的方法，為進一步研究和開發(fā)植物纖維聚苯乙烯材料提供了理論基礎。劉壯對植物纖維發(fā)泡聚苯乙烯緩沖包裝材料及其性能進行了研究，王勇對植物纖維聚氨醋型緩沖包裝材料的緩沖性能進行了研究。高德等研究了以玉米秸稈和淀粉為主要成分的新型緩沖包裝材料的制備工藝，并利用靜態(tài)壓縮實驗方法對影響該材料力學強度的因素進行分析和討論。于潔等以農(nóng)作物秸稈和淀粉為主要原料，通過正交試驗，研究各種組分及工藝條件制得發(fā)泡材料，并對材料力學性能及降解性能進行檢測。鄒君等對蔗渣

48、纖維緩沖包裝材料的性能和發(fā)展前景進行了概述，并對其發(fā)泡技術進行了理論分析，指出這種綠色包裝材料是塑料發(fā)泡包裝材料的理蔗渣綠色緩沖包裝材料的使用不僅可以降低成本，保護環(huán)境緩解自然資源，而且對增加出口競爭力有重大貢獻。對于蜂窩紙板這類本構關系具有明顯非線性特征的材料，大多學者在試驗研究蜂窩紙板的平壓性能的基礎上，運用多次曲線擬合的方法得到蜂窩紙板的平壓力學特征，并應用數(shù)值解法得到由蜂窩紙板構成的包裝系統(tǒng)的振動解，對該類緩沖系統(tǒng)的設計具有參考價值。3.2.2 計算機仿真設計沖擊和振動包裝件在流通過程的時間不能完全用數(shù)學公式計算。沖擊波的形狀是復雜的，也沒有明確的沖擊作用時間。為了便于研究包裝件在動態(tài)

49、負荷作用下的力學特性，經(jīng)常采用模型或模擬的方法，對實際的沖擊負荷進行必要的簡化，從而建立相應的力學模型和數(shù)學模型。計算機仿真是基于模型的活動，模型是對實際系統(tǒng)的一種抽象，是系統(tǒng)本質的表述，包括物理仿真、數(shù)字仿真和動態(tài)仿真。仿真的基本框架“建模試驗一一分析”。它是將一個能夠近似描述實際系統(tǒng)的數(shù)字模型經(jīng)過二次模型轉化為仿真模型，再利用計算機進行模型運行、分析處理的過程。在緩沖包裝系統(tǒng)的仿真技術應用研究中主要采用數(shù)字模型，用數(shù)字語言描述系統(tǒng)行為的特征。mattab語言的出現(xiàn)將數(shù)值計算技術與應用帶入了一個新的階段，與之配套的simulink仿真環(huán)境又為系統(tǒng)仿真技術提供了新的解決方案，它用模塊組合的方法

50、使用戶能夠快速、準確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型，可用來模擬線性或非線性的系統(tǒng)，以及連續(xù)或離散的或者兩者混合的動態(tài)系統(tǒng)的強有力的工具。通過仿真不斷優(yōu)化和改善設計，特別對于復雜的非線性系統(tǒng)，具有更好的效果。3.2.3 用數(shù)字相關測量方法數(shù)字相關測量方法(dicm)首先由peters和sutton等提出，是根據(jù)物體表面隨機分布的粒子的反射光強分布在變形前后的概率統(tǒng)計相關性來確定物體表面位移和應變。根據(jù)統(tǒng)計學原理，計算處理變形前后的數(shù)字散斑圖的參考圖像與目標圖像之間的相關性，其中需應用newton一raphson迭代方法。主要由光學成像系統(tǒng)、ccd攝像機、數(shù)字圖象處理系統(tǒng)組成。由于紙漿模塑材料單向拉伸

51、時橫向變形非常小，對溫度、濕度等環(huán)境因素影響敏感，變形測量比較困難，不宜采用接觸式變形側量方法，所以計宏偉日等利用這種技術測量紙漿模塑材料橫向變形的測量，較好地解決了紙漿模塑材料的橫向變形系數(shù)測量和全場變形測量問題。實驗時，連接好數(shù)字相關測量系統(tǒng)，調整光源及ccd攝像頭的位置，達到成像區(qū)域尺寸和合適位置;同時設置島津ag一sta型自動控制電子萬能材料實驗機加載參數(shù)，在加載實驗過程中，通過數(shù)字相關測量系統(tǒng)記錄加載前后的散斑圖，將其存儲于計算機硬盤上，利用數(shù)字相關分析軟件對散斑圖中的變形數(shù)據(jù)進行提取。這一測量方法可直接計算出測試區(qū)的全場應變，由此可以非常方便地得到材料的彈性模量和泊松比。從而為紙漿

52、模塑緩沖包裝結構的有限元分析和設計打下基礎。3.2.4 應用有限元理論和有限元方法產(chǎn)品在運輸過程中，損壞的主要原因是沖擊與振動。為了避免損壞的發(fā)生，事先需對包裝件進行測試，但這種測試對產(chǎn)品來說往往是破壞性的，且試驗費用昂貴，因此必需對包裝件作跌落仿真分析，進而完善產(chǎn)品內(nèi)部結構及緩沖包裝的優(yōu)化設計。李鵬盅、杜振杰、寧潔等先后利用有限元理論對手機的自由跌落、醫(yī)療箱空投試驗的cae防真驗證，進行跌落問題的有效性和可靠性分析。吳彥穎應用有限元理論和ansys/ls一dyna對儀器這類運輸包裝件進行跌落沖擊響應仿真分析。采用中心差分法對時間進行循環(huán)計算采用對稱罰函數(shù)法算法，討論了跌落高度、跌落方向和結構

53、形狀對包裝系統(tǒng)動態(tài)響應的影響，并結合以往試驗結果，得出了緩沖包裝的可靠性和包裝件內(nèi)部無法檢測部件的環(huán)境適應性結論。通過改進數(shù)值模型的耐撞性可見，依據(jù)仿真結果進行結構強度評定和包裝設計優(yōu)化的方法是可行的。3.2.5 智能材料電流變流體在運輸包裝中的應用研究智能材料電流變流體(eleetrorheologicalfluid簡稱erf)，具有在電場的作用下能產(chǎn)生明顯的電流變效應，即在液態(tài)和類固態(tài)間進行快速可逆的轉化，并保持粘度連續(xù)，這種轉變極為迅速，僅需幾毫秒，且轉變可控，能耗極小，因此利用其阻尼可控的特性，利用erf智能材料設計出的緩沖支座，不僅能有效地控制產(chǎn)品在運輸過程中的振動沖擊，而且能重復利

54、用，對于導彈、火箭等這類大型的昂貴的儀器設備在運輸過程中的振動沖擊防護研究很有意義。張華良在深入分析緩沖運輸包裝基本理論基礎上，將研制的erf阻尼器用于緩沖隔振支座的設計中，實現(xiàn)產(chǎn)品有效的振動控制，為智能材料在緩沖運輸包裝領域的應用打下基礎。結 論如今隨著科技的發(fā)展，緩沖材料正在由傳統(tǒng)向現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，越來越多的新型環(huán)保包裝用緩沖材料被人們開發(fā)出來，新型的緩沖包裝材料、技術、裝備的涌現(xiàn)，豐富了緩沖材料的研究內(nèi)容，現(xiàn)代力學的發(fā)展也為解決緩沖材料應用中的相關力學問題提供了條件，同時這方面也取得了階段性成績。本文對包裝用緩沖材料的力學性能、測試方法以及對這些方法的研究。雖然現(xiàn)在的緩沖材料力學性能的測試

55、方法已經(jīng)有很多種，但是由于新型緩沖材料的發(fā)展研究時間不長，所以還不是特別完善，研究領域有待進一步擴展，研究內(nèi)容也有待深化，比如：隨即環(huán)境作用下非線性緩沖包裝的分析設計工作至今還未完全展開；產(chǎn)品承受振動和隨機激勵能力表征還需進一步探索；破損邊界理論和機理、脆值實踐和理論還需完善等。因此，希望更多的力學工作者介入有關領域的研究，為我國緩沖材料的研究發(fā)展作出應有的貢獻。謝 辭從四月初我們就進入畢業(yè)設計階段,首先的一段時間,我們熟悉了課題,并收集了一些必要的參考資料。四月二十日左右我們便正式開始了我們的畢業(yè)課題設計。經(jīng)過一個多月的艱苦工作，畢業(yè)設計即將順利完成?；仡櫿麄€過程，我覺得受益匪淺，在設計過程中，我深刻領悟到“溫故而知新”的道理，重新學到了很多的知識，更加系統(tǒng)的掌握了制作論文的技能和技巧。學會了有關的資料手冊，而且也深刻地體會到了設計人員在設計過程中必須考慮周全細致，謹慎小心，循序漸進的原則，耐心計算，及時查閱資料，隨時向老師請教。只有這樣才能設計得到一個圓滿的結果，同時在設計過程中滲進一些創(chuàng)新思想，隨時