光彈材料與模型

光彈材料與模型第1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三

學(xué)習(xí)內(nèi)容光彈性材料的要求（敏感性、典型光彈性材料）；材料條紋值的測(cè)定；光彈性板材模型制作工藝——環(huán)氧樹脂板；光彈性制模的未來發(fā)展；光彈性材料的凍結(jié)性能；

應(yīng)力凍結(jié)、凍結(jié)臨界溫度凍結(jié)溫度的測(cè)定——熱光曲線凍結(jié)機(jī)制光彈性材料的負(fù)效應(yīng)；三維光彈性：主應(yīng)力和次主應(yīng)力；

第2頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三§5.1理想光彈性材料應(yīng)具備的條件

簡(jiǎn)單地講，材料必須滿足下列要求：1．材料必須透明、均質(zhì)，在未受力前是各向同性的，受力后具有暫時(shí)雙折射的效果；2．材料的光學(xué)靈敏度高，質(zhì)量系數(shù)較大，能形成清晰的條紋圖案；3．初應(yīng)力及殘余應(yīng)力小，且易于消除；4．力學(xué)蠕變和光學(xué)蠕變效應(yīng)小，這在一定荷載作用下，條紋幾乎不隨時(shí)間而增加，時(shí)間、邊緣效應(yīng)很小；5．應(yīng)力與應(yīng)變，應(yīng)力與條紋級(jí)數(shù)都有線性關(guān)系，且比例極限高；6．制造過程簡(jiǎn)易，易于機(jī)械加工成各種形狀，價(jià)格低廉；7．盡可能滿足各種實(shí)驗(yàn)的要求，例如變彈模，耐高溫性能，光彈性特點(diǎn)，等等。第3頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三§5.2材料配方

制造光彈性模型的材料主要是環(huán)氧樹脂。目前國(guó)內(nèi)普通生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂，常用型號(hào)有#618、#6101、#634，都是液態(tài)。其中以#618最佳，色淺黃，流動(dòng)性好。固化劑的作用是使用環(huán)氧樹脂固化成型。常用的高溫固化劑是順丁烯二酸酐（蘋果酸酐）。這是一種白色晶體，具有刺激性，能升華，易受潮。酸酐做固化劑，在控制溫度下固化，為了改善材料的機(jī)械加工性能，可適當(dāng)加入一些增塑劑鄰苯二甲酸二丁酯。這是一種透明油狀液體。具體配方如下：(按重量比)

環(huán)氧樹脂:順丁烯二酸酐:鄰苯二甲酸二丁酯=100:（30~35）:（0~5）如果需要加速固化，可加入千分之0.6二甲基苯胺。環(huán)氧樹脂與酸酐的比例關(guān)系由下式確定：環(huán)氧樹脂:酸酐=100:環(huán)氧值×酸酐分子量×K

環(huán)氧值、酸酐分子量在產(chǎn)品中都有標(biāo)明，K=0.7~0.85，由材料的體積可算出重量(環(huán)氧樹脂比重為1.25)。再按上述比例分別計(jì)算出各種原料的重量。為了改變環(huán)氧樹脂E值，可以通過改變鄰苯二甲酸二丁酯或順丁烯二酸酐的含量和溫度控制過程來實(shí)現(xiàn)。第4頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三

§5.3材料條紋值的測(cè)定

第5頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三§5.4光彈性板材模型制作工藝

制備混合液：根據(jù)要澆制板材的體積，估算出板材的重量（密度為1.28kg/m3），在根據(jù)配比計(jì)算出每一種成分的用量；將稱好的原料各放入一個(gè)容器中，放置在烘箱中加溫到70-78℃，直到固化劑熔化為白色透明液體；保持溫度在60-70℃，攪拌環(huán)氧樹脂液體的同時(shí)緩慢倒入熔化的固化劑，攪拌時(shí)間1-2小時(shí)；第6頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三制作模具兩塊玻璃表面用水洗凈，干后用丙酮去油膩，然后將兩塊玻璃疊起來，其間用橡皮管圍住三邊，另一空邊作為澆注入口和氣泡出口；再用細(xì)長(zhǎng)鐵條固定玻璃，調(diào)節(jié)玻璃間成合適的厚度間距；為了避免環(huán)氧樹脂與玻璃之間的粘連，倒入脫模劑（甲苯-聚苯乙烯10：1，有毒）后倒放模具1個(gè)小時(shí)，此時(shí)甲苯完全揮發(fā)，在玻璃表面留下一層聚苯乙烯薄膜；這樣反復(fù)兩次，薄膜具有一定厚度，起到脫模的作用；因?yàn)榧妆?聚苯乙烯溶液有毒，可采用硅脂來代替；第7頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三第8頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三澆注、固化、機(jī)械加工和退火將模具放入40-50℃烘箱預(yù)熱2小時(shí)后取出，將攪拌好的環(huán)氧樹脂溶液倒入模具中，放入烘箱內(nèi)進(jìn)行固化，最高固化溫度為90℃；恒溫24小時(shí)后固化為板材，取出拆模，將環(huán)氧樹脂板放置在玻璃上再次放進(jìn)90℃烘箱內(nèi)12小時(shí)，之后按5℃/小時(shí)降溫至60℃，切斷電源自然降溫，這樣處理后的板材基本無初應(yīng)力，即可制作各種形狀的平面模型了；固化：玻璃板模具預(yù)熱(45℃,2h)→注配料→固化(90℃,24h)→拆?！袒?90℃,12h)→降溫(5℃/h,6h,60℃)→自然降溫→成型加工→退火處理；

第9頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三固化溫度曲線和退火處理固化溫度曲線見圖所示。材料成型和機(jī)械加工等原因，若模型內(nèi)出現(xiàn)初應(yīng)力，可進(jìn)行退火處理，見圖所示?！?2h〉20h第10頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三§5.5光彈性制模的未來發(fā)展

第11頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三

§5.6光彈性材料的凍結(jié)性能

應(yīng)力凍結(jié)：將受載環(huán)氧樹脂模型放在烘箱內(nèi)緩慢升溫，在載荷不變的情況下，條紋級(jí)數(shù)隨溫度升高而增加，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度后，條紋級(jí)數(shù)達(dá)到最高值；降溫后卸載，由該載荷產(chǎn)生的應(yīng)力條紋在卸載后仍保留在模型中，可以進(jìn)行機(jī)械加工而不受影響；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“臨界凍結(jié)溫度”。凍結(jié)法是先將模型中的應(yīng)力狀態(tài)保存下來，然后將凍結(jié)模型沿所研究的截面切片，相當(dāng)于把一個(gè)三維模型切成若干二維模型進(jìn)行研究；第12頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三

§5.6.1凍結(jié)溫度的確定—熱光曲線

第13頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三第14頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三§5.6.2材料凍結(jié)機(jī)制

目前使用的所有光彈性材料均屬于高分子聚合物，它存在不可熔和可熔的兩種分子鏈的網(wǎng)絡(luò)；不可熔的分子鏈在材料中相互連成的三維空間網(wǎng)絡(luò)被可熔的分子鏈網(wǎng)絡(luò)所填充；在室溫時(shí)，這兩種網(wǎng)絡(luò)都是固態(tài)的，所作用的載荷由兩種網(wǎng)絡(luò)共同承擔(dān)，所以在比例極限內(nèi)，材料是彈性的；第15頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)?shù)竭_(dá)“凍結(jié)溫度”時(shí)，所有的可熔網(wǎng)絡(luò)徹底崩潰，此時(shí)全部載荷都由不可熔網(wǎng)絡(luò)來承擔(dān)；若這時(shí)開始降溫，則可熔網(wǎng)絡(luò)有自行固化，并約束著已經(jīng)變形的不可熔網(wǎng)絡(luò)。直至室溫，即使卸掉載荷，這一變形仍留在材料中，即不可熔網(wǎng)絡(luò)的變形被“凍結(jié)”下來,這就是“凍結(jié)”應(yīng)力圖案的形成；該圖案不受切削影響可進(jìn)行切片分析；第16頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三軸向拉伸力學(xué)模型來模擬應(yīng)力“凍結(jié)”過程

第17頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三§5.6.3應(yīng)力凍結(jié)步驟

第18頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三

§5.7光彈性模型材料的負(fù)效應(yīng)

時(shí)間邊緣效應(yīng)不受力情況下隨時(shí)間在邊緣出現(xiàn)初應(yīng)力；可能是邊緣水分蒸發(fā)、吸收和氧化所致；沒有有效的預(yù)防措施，模型加工后盡快實(shí)驗(yàn)；加工效應(yīng)

機(jī)加工在邊緣造成初應(yīng)力；采用銳利、專用刀具來降低；溫度效應(yīng)在凍結(jié)過程中溫度的變化引起；采用溫度效應(yīng)小的材料；特點(diǎn)三種效應(yīng)首先出自邊界，然后向內(nèi)部發(fā)展；引起邊界和內(nèi)部應(yīng)力重新分布，應(yīng)力光圖發(fā)生畸變，降低精度第19頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三

§5.8三維光彈性

到目前為止，三維光彈性是唯一能確定模型內(nèi)一點(diǎn)應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。三維光彈性應(yīng)力凍結(jié)是用有凍結(jié)性能的材料制作的模型，放入烘箱內(nèi)加載，并緩慢升溫至模型材料的凍結(jié)溫度，恒溫到一定時(shí)