回温效应对典型泡沫塑料准静态力学特性的影响

江 伟，卢玉斌*，苏 实，余昆岭

（1．西南科技大学制造科学与工程学院，四川绵阳621010；2．北京睿拓时创科技有限公司，北京100025）

回温效应对典型泡沫塑料准静态力学特性的影响

江 伟1，卢玉斌1*，苏 实1，余昆岭2

（1．西南科技大学制造科学与工程学院，四川绵阳621010；2．北京睿拓时创科技有限公司，北京100025）

利用三维数字散斑动态变形测量分析技术，结合材料试验机对回温处理后的硅橡胶泡沫（SRF）以及硬质聚氨酯泡沫（RPUF）试件进行准静态拉伸、压缩实验研究了回温效应对材料力学特性的影响。结果表明，在准静态拉伸过程中，SRF和高密度RPUF的拉伸强度受回温效应的影响较低密度RPUF显著；SRF的压缩强度和弹性模量均得到了极大提升且弹性变形阶段相对延长，但屈服现象不显著；低密度RPUF的屈服应力显著提高，但屈服台阶缩短，塑性变形降低；高密度RPUF的弹性变形阶段和屈服阶段均有所增加，但其承载抗压强度的能力降低。

硅橡胶泡沫；硬质聚氨酯泡沫；回温效应；应力分布

0 前言

泡沫塑料是一种在生活中应用广泛的高分子材料，不仅具有绝热、绝缘、隔音等特性，而且可用于包装、缓冲减振的吸能材料以及结构防护装置的衬垫材料，在航空、机械、医疗和建筑等工程领域具有广阔的应用前景［1］。关于温度对泡沫塑料力学性能的影响，国内外已开展了广泛的研究。庞海燕等［2］研究了不同温度下RPUF塑料的性能，发现随温度的升高，其压缩模量和强度降低，压缩应变增加；拉伸模量和强度增加，应变减小。黄艳华等［3］对SRF的高低温拉伸力学性能研究发现：在中低温度范围内，随着温度的降低其拉伸强度逐渐升高，断裂伸长率先增大后减小；在中高温度范围内，随温度的升高其撕裂强度和断裂伸长率逐渐降低。卢子兴等［4］认为较高密度的泡沫塑料进行准静态拉伸时受温度效应影响较明显，其拉伸强度和弹性模量随温度升高而显著降低。Marcondes等［5］还认为温度对泡沫塑料的缓冲性能会有一定的影响。以上主要是基于一定温度下的比较研究，而关于泡沫塑料在温度交变循环条件下（即回温效应）的力学性能研究还鲜有报道。本文研究了回温效应对泡沫塑料力学特性的影响，对进一步了解泡沫塑料的力学行为和发挥其应用价值具有重要意义。

1 实验部分

1.1 主要原料

SRF，密度为1．058 g/cm3，孔隙度为11．028％，黏度为5．1 Pa·s，导热系数为0．020 W/（m·K），深圳领航振宇密封科技有限公司；

低密度RPUF，密度为0．15 g/cm3，导热系数为0．022 W/（m·K），闭孔率＞90％，北京京都顺发保温材料有限公司；

高密度RPUF，密度为0．54 g/cm3，导热系数为0．024 W/（m·K），闭孔率＞93％，北京京都顺发保温材料有限公司。

1.2 主要设备及仪器

双立柱微机控制电子万能试验机，WDW-100，上海百若试验仪器有限公司；

电热鼓风干燥箱，GZX-9070MBE，上海博讯实业有限公司；

钨灯丝扫描电镜（SEM），EVO18，德国蔡司公司；

毫秒级响应热电偶，XH-WRNK-191，西安西弘自动化设备有限公司；

非接触应变测量系统，VIC-3D，北京睿拓时创科技有限公司。

1.3 样品制备

泡沫塑料的拉伸试样按GB/T 9641—1988进行加工，原始标距为（50±0．1）mm，试样厚度为10 mm，中间宽度25 mm，在试样取向上，SRF选用90°取向，RPUF均选用0°取向；压缩试样按照GB/T 8813—1988进行加工，低密度RPUF压缩试件尺寸为100 mm×100 mm×50 mm，高密度RPUF试件压缩尺寸为50 mm×50 mm×50 mm，SRF压缩试件尺寸为50 mm×50 mm×50 mm；在试样取向上，SRF和RPUF均分别选用0°、45°和90°取向；将加工好的试样同时放入干燥箱进行加热，每组各设定一个检测试样进行热电偶测温，待其中心温度达到60℃后停止加热，并适当保温一段时间；然后取出试样使其中心温度完全冷却至室温后再进行试验。

1.4 性能测试与结构表征

拉伸强度按GB 1040．1—2006-T进行测试，SRF的加载速率为50 mm/min，RPUF的加载速率均为5 mm/min；

压缩性能按GB/T 1041—2008进行测试，SRF的加载速率为50 mm/min，RPUF的加载速率均为5 mm/min；

通过VIC-3D数字散斑动态变形测量技术对拉伸和压缩变形过程进行实时记录和分析，以便了解试样在加载过程中的应力-应变的变化过程及分布状态，关于试验技术的详细介绍，可参考文献［6］，试验前，首先要对三维动态变形测量系统进行标定，然后在试样表面喷涂黑白哑光漆，形成黑白相间的随机斑点图案，用来实时跟踪被测试件表面变形的散斑特征；

SEM分析：在试样截面断裂处或裂纹处进行取样观察，样品尺寸约10 mm。

2 结果与讨论

2.1 SRF回温后的拉伸性能

2.1.1 实验现象

SRF在准静态拉伸过程中会发生弹塑性变形，并且在一定范围内随着载荷的增加，力与位移之间呈线性增长关系，即弹性变形阶段。当载荷达到一定程度，随着载荷的不断增加，开始产生塑性变形且截面尺寸不断缩小，表现为颈缩现象。实质上是SRF在拉伸过程中，其分子链出现相对滑动，克服范德华力等阻力，最终导致试件破坏。实验研究发现，SRF力学性能在很大程度上取决于其泡孔结构。在拉伸应力作用下，泡孔结构沿轴向拉伸方向呈扁平状。当外界载荷达到一定程度时，有些相邻泡孔之间的泡孔壁开始出现断裂，多个泡孔融为一体而形成一个大的泡孔，试件在拉伸后的SEM照片如图1所示。可以看出，沿轴向加载方向在试件拉伸截面有明显的撕扯痕迹，并且残留着泡孔壁拉伸断裂的碎片。

2.1.2 SRF的拉伸回温效应

基于温度效应对SRF拉伸特性的影响，来进一步探讨回温效应对材料的内部结构及力学性能的影响。对SRF拉伸试件选择90°取向，实验前将试样放在电热鼓风干燥箱内进行充分加热，使其中心温度达到60℃后停止加热并冷却至室温（室温为20℃）。在进行准静态拉伸试验过程中，加载速率均为50 mm/min，其对应的应变率为1．60×10－2s－1。SRF回温前后的拉伸真实应力-应变曲线，如图2所示。从图中可以看出，经回温后SRF的拉伸强度明显高于回温前的拉伸强度，且随着温度的升高其拉伸强度会降低。这是由于SRF升温后，其分子运动加剧，即表现为分子的热效应，分子体积膨胀而导致泡孔壁厚度变薄。同时，由于克服范德华力作用分子键断裂，而使拉伸强度降低。在冷却到室温的过程中，分子的体积不断缩小以及分子间分子键重组，而且弹塑性变形增加，分子间的相互作用力增强，从而提高了材料的拉伸强度。

图1 SRF拉伸试件的SEM照片Fig．1 SEM image of SRF tensile specimen

图2 SRF 回温前后的拉伸真实应力-应变曲线Fig．2 The real tensile stress-strain curves of SRF before and after the temperature cyclec

2.2 RPUF回温后的拉伸性能

2.2.1 实验现象

对回温后的2种不同密度RPUF进行准静态拉伸，其破坏截面的SEM照片如图3示。通过对RPUF的泡孔结构观察可发现，RPUF是由大量泡孔构成的三维网络结构，而泡孔又是泡沫塑料的基本组成单元。各泡孔之间无规则紧密排列，且均由基本材料组成的薄层结构，低密度RPUF孔径范围为80～160μm，胞体呈多面体结构，高密度RPUF孔径范围为120～200μm，胞体呈球体结构。低密度泡沫塑料在回温后的拉伸载荷作用下，泡孔壁的撕扯现象表现得更为强烈，泡孔壁的厚度明显变薄。泡沫塑料在整个回温过程中，由于受到热胀冷缩的作用，泡孔的弹塑性变形会有所增加。由图3（b）可以观察到，高密度RPUF的泡孔结构表面有很多断裂后残留的碎屑，从而说明了高密度RPUF的拉伸断裂属于脆性断裂。

图3 回温后RPUF拉伸断面的SEM照片Fig．3 SEM images of the strectched sections of RPUF after the temperature cycle

图4 RPUF 回温前后的拉伸真实应力-应变曲线Fig．4 The real tensile stress-strain curves of RPUF before and after the temperature cycle

2.2.2 RPUF的拉伸回温效应

为了研究RPUF在回温后的拉伸力学性能，实验选取了2种不同密度的RPUF材料进行准静态拉伸。其中，加载速度均为5 mm/min，相应的应变率为1．67×10－2s－1。图4为RPUF 的拉伸真实应力-应变曲线，可以看出，随温度升高RPUF的拉伸强度和弹性模量均降低，即使回温后，拉伸强度和弹性模量相对初始状态也有所降低。但对于低密度RPUF，其弹性变形阶段会有所增加，导致屈服阶段向后延迟；而高密度RPUF受回温效应的影响较为明显，在拉伸加载下表现出明显的非线性应力应变特性。这是因为随温度升高，RPUF泡孔内的气体分子运动比较活跃，表现为其分子的热效应；同时，在加热过程中，泡孔会发生体积膨胀，增大了分子间的自由空间，表现为其分子的体积膨胀效应。这2种效应在一定程度上减小了分子间作用力，从而影响了RPUF的拉伸力学性能。当温度回到室温后，气体活跃性再次降低，泡孔体积缩小，但由于升温过程中部分分子键遭到破坏，分子间作用力削弱，导致回温后的拉伸强度相对初始强度有所降低。此外，低密度和高密度RPUF在拉伸破坏处临界时刻Y方向应变云图，如图5所示。

图5 RPUF拉伸的临界时刻Y方向应变云图Fig．5 Tensile strain contour in the Y direction at the critical moment of RPUF

从应变云图中可以看出，低密度RPUF在拉伸临界时刻的Y方向应变为0．037，要稍大于高密度RPUF临界时刻的Y方向应变0．025。从而再次验证了低密度RPUF材料具有黏弹性，其断裂属于韧性破坏；而高密度RPUF为脆性断裂。此外，试件经加热处理后，内部泡孔发生膨胀变形，而由于试件本身的设计——端部向中部过渡时横截面突变，回温过程中由于内外温差的影响以及材料自身导热系数较低等缘故导致在试件中下部的过渡区变形较大，通常在距试件中部2/3处容易断裂。

2.3 SRF回温时的压缩性能

2.3.1 实验现象

通过图6可以看到，SRF的泡孔相当密集而且排列无序，有些相邻泡孔之间的泡孔壁有明显的断裂痕迹。这是由于加载过程中，泡孔体积缩小，内部压强增大而最终使泡孔壁挤破，从而这些相邻的泡孔会因泡孔壁的破坏而融合成一个大的泡孔。还有一些两泡孔之间的泡孔壁虽未发生断裂破坏，但却发生了相互折叠。可见泡沫硅橡胶在压缩过程中主要发生2种破坏：一是泡孔的变形使相邻泡孔之间的泡孔壁受到横向拉应力的作用而发生破坏；另一种是相邻泡孔之间的泡孔壁发生相互叠加而造成的破坏。

图6 SRF在回温后的压缩SEM照片Fig．6 SEM image of compressed SR after temperature cycle

2.3.2 压缩回温效应

为了研究SRF在回温后的压缩力学特性，分别与其在室温（20℃）、60℃条件下的准静态压缩试验进行对比。试样取向为90°，尺寸为50 mm×50 mm× 50 mm，加载速率为50 mm/min，对应的应变率为1．67×10－2s－1。SRF在以上3种不同温度条件下的压缩真实应力-应变曲线，如图7所示。在室温（20℃）和60℃时，其弹性阶段和屈服阶段的力学性能基本相似，并且随温度的升高其压缩强度呈下降趋势；回温后，应力随应变增加而急剧上升，而且材料的弹性模量有一定的提高，但屈服现象不是很明显。在回温的过程中，由于温度的降低而使泡孔体积缩小，泡孔壁厚度逐渐恢复，但由于加热过程中已经使材料内部产生了残留预应力，从而使材料的压缩强度相对增强。此外，SRF压缩过程的膨胀应变云图如图8所示，可以看出在试件中间紫色区域（A）横向膨胀应变（压缩应变为负值）最大量，云图中的绿色区（B）域与红色区域（C）表示上下两端纵向压缩应变最大量。由于材料本身的对称性和泊松效应的影响，通常在其中性面的左右两端膨胀应变最大。当膨胀应变达到材料的极限膨胀应变时，最终侧面由于应力集中被压溃。

图7 SRF 回温前后的压缩真实应力-应变曲线Fig．7 The real compressive stress-strain curves of SRF before and after the temperature cycle

图8 SRF试件压缩过程膨胀的应变云图分布Fig．8 The distribution of swelling strain contour of a SRF specimen during compression

2.4 RPUF回温时的压缩性能

2.4.1 实验现象

回温后的2种不同密度的RPUF在压缩载荷作用下发生破坏后，破坏截面的SEM照片，如图9所示。从图中可以看出，低密度RPUF的泡孔结构已发生深度变形，本来一个个排列紧密，形似碗口状的泡孔结构在压力载荷作用下，其边缘和孔壁表现为明显的弯曲变形和重合折叠。而对于那些变形不是特别明显的泡孔，从细观层次而言，卸载后试件所发生的一定程度的回弹性变形可能与那些未发生明显塑性变形的泡孔结构有一定的内在联系，或正是由于这些泡孔黏弹性而改变了材料的宏观结构。高密度RPUF破坏形貌表现得更为直观，本来呈均匀球体结构的泡孔结构几乎被完全压溃，与低密度RPUF表现明显不同的是其孔壁压溃之后表现为边缘折断和孔壁碎裂，并有较多的碎屑弥散其间。同时，也再次验证了高密度RPUF的脆性断裂特性。

图9 回温后RPUF压缩的SEM图像Fig．9 SEM images of the compressed RPUF after the temperature cycle

2.4.2 压缩回温效应

与拉伸性能相同，为研究RPUF在压缩力学性能下的回温效应，在同一应变率条件下分别对其在温度循环中室温（20℃）、60℃和回温后（20℃）3个临界温度进行准静态压缩实验。其中，图10（a）是试件取向为45°，加载速率为5 mm/min，尺寸为100 mm×100 mm× 50 mm的低密度RPUF 的压缩真实应力-应变曲线；图10（b）是试件取向为0°，加载速率为5 mm/min，尺寸为50 mm×50 mm×50 mm的高密度RPUF的压缩真实应力-应变曲线。由图可知，回温效应可以降低RPUF的压缩强度，并且延长了了材料的屈服台阶，但对压缩弹性模量影响不大。此外，对于低密度RPUF，回温效应不仅增加了材料弹性变形阶段，而且还提高了其屈服强度；对于高密度RPUF，其屈服台阶相对初始状态有明显延长，而且应变增加，表现出明显的塑性变形。

RPUF试件压缩过程膨胀的应变云图分布如图11所示。可以看到，低密度和高密度RPUF的膨胀应变均有明显的分层。其中，红色区域（C）表示横向膨胀应变最大，紫色区域（A）表示纵向压缩应变最大。由于在轴向加载的过程中会产生泊松效应，自试件中部向左右两侧逐渐产生横向膨胀变形，同时在纵向也会产生压缩应变。因此，通常在试件中间层两端部分的横向膨胀应变最大，上下两端压缩应变最大。但由于低密度材料泡孔较多、密度小、弹塑性较好的缘故而不易从侧面开裂；相反，高密度RPUF属于脆性材料，而膨胀变形又容易使侧面应力较为集中，所以往往会从左右两侧面开始产生裂纹，最终由多条裂纹相互贯通而被压溃。

图10 RPUF 回温前后的真实压缩应力-应变曲线Fig．10 The real compressive stress-strain curves of RPUF before and after the temperature cycle

图11 RPUF试件压缩过程膨胀应变的云图分布Fig．11 The distribution of swelling strain contour of a RPUF specimen during compression

3 结论

（1）在准静态拉伸试验中，发现回温效应可以提高SRF和RPUR的抗拉强度，但也会降低材料的弹性模量；从整个回温过程中来看，拉伸强度都会随温度变化呈反向趋势变化；此外，SRF的拉伸强度受回温效应影响最为明显，而低密度RPUF的拉伸强度所受影不大，但对弹性模量却有显著影响，并表现出明显的线性应力-应变特性；高密度RPUF 表现出明显非线性应力-应变特性和一定的屈服现象；

（2）在准静态压缩试验中，SRF的破坏形式主要有2种：一是泡孔的变形使相邻泡孔之间的泡孔壁受到横向拉应力的作用而发生破坏；另一种是相邻泡孔之间的泡孔壁发生相互叠加而造成的破坏；

（3）回温效应对SRF的压缩强度有一定的提高，而对RPUF的压缩强度会有所削弱；此外，低密度RPUF的弹性变形和屈服强度也有一定的提高；高密度RPUF的屈服台阶相对延长，压缩应变增加，局部还有明显塑性形变的特点，而对于SRF却没有明显的屈服现象。

［1］伍壁超，卢玉斌．泡沫硅橡胶力热响应特性的实验研究［J］．高分子材料科学与工程，2015，31（11）：130-131．Wu Bichao，Lu Yubin．Thermal and Mechanical Response Characteristics of Silicone Rubber Foam［J］．Polymer Materials Science and Engineering，2015，31（11）：130-131．

［2］庞海燕，敬仕明，温茂萍，等．温度对聚氨酯泡沫材料力学性能影响的研究［J］．测试技术学报，2002，16（2）：1121-1124．Pang Haiyan，Jing Shiming，Wen Maoping，et al．Study on Effect of Temperature on Mechanical Properties of Polyurethane Foam［J］．Journal of Test and Measurement Technology，2002，16（2）：1121-1124．

［3］黄艳华，苏正涛，任玉柱，等．乙基硅橡胶低温性能的研究［J］．有机硅材料，2008，22（6）：357-359．Huang Yanhua，Su Zhengtao，Ren Yuzhu，et al．Study on Low Temperature Properties of Ethyl Silicone Rubber［J］．Organosilicone Material，2008，22（6）：357-359．

［4］卢子兴，寇长河，李怀祥．泡沫塑料拉伸力学性能的研究［J］．北京航空航天大学学报，1998，24（6）：646-648．Lu Zixing，Guan Changhe，Li Huaixiang．Investigation into Tensile Mechanical Properties of PUR Foam Plastics［J］Journal of Beihang University，1998，24（6）：646-648．

［5］Marcondes J，Hatton K，Graham J，et al．Effect of Temperature on the Cushioning Properties of Some Foamed Plastic Materials［J］．Packaging Technology and Science，2003，16（2）：69-76．

［6］Moura R T，Clausen A H，Fagerholt E，et al．Impact on HDPE and PVC Plates-experimental Tests and Numerical Simulations［J］．International Journal of Impact Engineering，2010，37（6）：580-598．

Effect of Temperature Cycle on Quasi-static Mechanical Behavior of Representative Foam Plastics

JIANG Wei1，LU Yubin1*，SU Shi1，YU Kunling2
（1．College of Manufacturing Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2．Beijing RuiTuo Technology Co，Ltd，Beijing 100025，China）

The quasi-static tensile and compression tests of temperature-cycling treated silicone rubber foam（SRF）and rigid polyurethane foam（RPUF）were conducted to investigate the effect of temperature cycle on their mechanical properties by three-dimensional digital speckle dynamic deformation techniques．The results indicated the tensile strength of SRF and high-density RPUF were influenced by temperature cycle more significantly compared with low-density RPUF in the quasi-static tensile process，which led to a remarkable improvement in tensile strength．In the case of SRF，the compressive strength and Young’s modulus were improved remarkably，and the elastic deformation was also increased to some extent．However，its yield phenomenon was not so evident．In the case of low-density RPUF，the temperature-cycling treatment led to an improvement in yield stress but resulted in shortening of yield stage and a decrease in plastic deformation．As for the high density RPUF，not only the elastic deformation was improved，but the yield stage was also extended due to the temperature-cycling treatment．However，its loading capability to pressure was reduced in the quasi-static compression process．

silicone rubber foam；rigid polyurethane foam；effect of temperature cycle；stress distribution

TQ328．3

B

1001-9278（2017）01-0036-07

10．19491/j．issn．1001-9278．2017．01．007

2016-10-01

NSAF联合基金（U1430110）；西南科技大学研究生创新基金项目（14ycx119）

*联系人，yubinluzju＠hotmail．com