劉昶江，趙 兵，陳務(wù)軍

(上海交通大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，上海 200240)

乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)是由三氟氯乙烯(CF2-CF-Cl)與乙烯(CH2=CH2)發(fā)生1∶1聚合反應(yīng)得到的半晶高聚物，因具有良好的熱、電、化學(xué)等性能，被廣泛應(yīng)用于化工、半導(dǎo)體、航空航天等領(lǐng)域[1].將ECTFE基材通過(guò)擠壓、加工等工藝可以得到ECTFE薄膜，與典型的高分子熱塑性薄膜相似，具有高透光度、耐化學(xué)滲透性、耐磨性、耐久性、各向同性及無(wú)經(jīng)緯向紗線等特征，在建筑結(jié)構(gòu)的大跨空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2-3].

在眾多含氟共聚物材料中，乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)薄膜具有與ECTFE薄膜相近的物理、化學(xué)、熱、電和力學(xué)等性質(zhì)，自1995年起作為建筑與結(jié)構(gòu)材料而被廣泛應(yīng)用于體育場(chǎng)、體育館、溫室和展覽館等大跨空間結(jié)構(gòu)的屋面與立面[3-5].因此，針對(duì)ETFE薄膜已經(jīng)展開(kāi)的相關(guān)研究，對(duì)ECTFE薄膜與結(jié)構(gòu)研究工作的開(kāi)展具有良好的參考意義.Moritz[6]率先展開(kāi)了對(duì)ETFE薄膜材料力學(xué)性能的試驗(yàn)研究.Galliot等[7-8]研究了ETFE薄膜的單軸拉伸力學(xué)性能.Hu等[9]研究了ETFE薄膜的循環(huán)拉伸與高溫徐變等力學(xué)性能.Zhao等[10]對(duì)應(yīng)用于雙層氣枕結(jié)構(gòu)的ETFE薄膜在實(shí)際工作中的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)與研究.吳明兒等[11]對(duì)ETFE薄膜材料進(jìn)行了單軸拉伸試、循環(huán)與徐變等試驗(yàn)研究.趙兵等[12]研究了基于平面裁切成形ETFE雙層氣枕的結(jié)構(gòu)行為.

ECTFE薄膜應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，其力學(xué)性能是主要的考察因素.然而，目前鮮有針對(duì)ECTFE薄膜力學(xué)性能的研究，相關(guān)公開(kāi)文獻(xiàn)較少.王文貴等[1]圍繞ECTFE材料及實(shí)驗(yàn)室制備薄膜的基本特性進(jìn)行了研究，陳務(wù)軍等[2]對(duì)不同拉伸速率下的ECTFE薄膜單軸拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)與分析.由ETFE薄膜結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用可知，該類(lèi)材料在實(shí)際使用過(guò)程中需要經(jīng)受高-低溫環(huán)境變化[13]，故亟需對(duì)ECTFE薄膜力學(xué)性能的溫度依賴(lài)特性開(kāi)展研究工作.

本文對(duì)不同溫度下的ECTFE薄膜單軸拉伸力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)研究，為ECTFE工程應(yīng)用提供支撐，并為ECTFE應(yīng)力應(yīng)變行為的本構(gòu)模型建立奠定試驗(yàn)基礎(chǔ).

1 不同溫度下的ECTFE薄膜單軸拉伸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與試件尺寸

試驗(yàn)選取厚度為250 μm的ECTFE薄膜，由于ECTFE材料為各向同性材料[2]，因此在MD方向裁取試樣.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《塑料薄膜拉伸性能試驗(yàn)方法：GB/T 1040.1-2006》[14]進(jìn)行試樣設(shè)計(jì)和制備，使用鋒利的裁刀將材料制成啞鈴形試樣，如圖1所示，其中R為夾持端的倒圓角半徑.

ECTFE薄膜和ETFE薄膜[3]的主要性能對(duì)比見(jiàn)表1.可以看出，ECTFE薄膜的灰度僅1.2%，透光性能勝過(guò)ETFE薄膜.ECTFE薄膜與ETFE薄膜的基本力學(xué)性能相似，因此作為結(jié)構(gòu)材料的建筑應(yīng)用前景廣闊.

圖1 試樣尺寸和裁刀 (mm)Fig.1 Dimensions of specimen and cutting model (mm)

表1 ECTFE薄膜和ETFE薄膜的主要性能對(duì)比

圖2 ECTFE薄膜在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Tensile curves of ECTFE foil at various temperatures

1.2 試驗(yàn)分組與條件

1.3 試驗(yàn)方法與設(shè)備

試驗(yàn)在溫控箱中進(jìn)行，每組試驗(yàn)在溫度達(dá)到要求并持續(xù)10 min后進(jìn)行.隨著溫度箱內(nèi)部溫度的變化，試樣溫度會(huì)相應(yīng)改變.溫度箱的試驗(yàn)溫度范圍為-180～300 ℃，誤差為±1 ℃.考慮到試樣的屈服強(qiáng)度較低，為準(zhǔn)確得到試驗(yàn)結(jié)果，拉伸初始預(yù)緊力取為5 N.測(cè)試時(shí)下夾固定，移動(dòng)上夾拉伸試樣，通過(guò)夾具間位移計(jì)算應(yīng)變.深圳三思萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)的精度為0.1%，有效拉伸距離為900 mm.通過(guò)基于標(biāo)準(zhǔn)MTS(Mechanical Testing & Simulation，力學(xué)測(cè)試與模擬)測(cè)力傳感器的力傳感器測(cè)量力，其精度為±1 N，量程為200 N.

2 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和分析

圖2所示為ECTFE薄膜的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變.圖2(a)是所有溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖2(b)、2(c)、2(d)分別為80、20、-50 ℃下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.可以看出，ECTFE薄膜存在著明顯的溫度依賴(lài)性，在曲線屈服點(diǎn)處開(kāi)始產(chǎn)生細(xì)頸與剪切帶，這是自由體積增加的結(jié)果.拉伸曲線后期(應(yīng)變硬化階段)，大應(yīng)變區(qū)域出現(xiàn)明顯的非透明白化現(xiàn)象.從熱力學(xué)角度分析，溫度對(duì)試樣的結(jié)晶結(jié)構(gòu)有一定程度的影響，溫度的改變可引起鏈段松弛特征、松弛機(jī)理和重新排列特征的變化，尤其是在玻璃化轉(zhuǎn)化溫度 (Tg點(diǎn)) 45 ℃ 附近曲線的特征變化顯著.

ECTFE薄膜的溫度依賴(lài)性主要體現(xiàn)在主要力學(xué)參數(shù)的變化.隨著溫度的降低，分子鏈段運(yùn)動(dòng)受到阻礙，曲線抬高，彈性模量、抗拉強(qiáng)度、冷拉平均應(yīng)力和屈服強(qiáng)度增大，斷裂延伸率減小.屈服應(yīng)變和屈服時(shí)間的變化在Tg點(diǎn)附近出現(xiàn)極值點(diǎn)，因此臨界流動(dòng)應(yīng)力等經(jīng)典屈服理論不再適用，可采用將聚合物認(rèn)為是高黏度應(yīng)力活化流體的分子流動(dòng)理論，如Eyring理論[15]、Argon雙結(jié)理論[16]，這些方法精確描述了應(yīng)變速率和溫度的影響，但沒(méi)有考慮應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化效應(yīng).

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：減慢拉伸速率與升高環(huán)境溫度對(duì)材料拉伸行為有相似的影響，符合時(shí)溫等效原理.相比較而言，ECTFE薄膜的速率依賴(lài)性較弱，在寬廣的拉伸速率內(nèi)均為韌性斷裂，拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于屈服強(qiáng)度[2].然而其溫度依賴(lài)性較高，由拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，ECTFE薄膜在低溫硬而弱，在高溫軟而韌.溫度升高，分子鏈段熱運(yùn)動(dòng)加劇，促進(jìn)松弛過(guò)程，材料模量和強(qiáng)度下降，伸長(zhǎng)率變大，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線被拉長(zhǎng).溫度過(guò)高時(shí)，材料可能發(fā)生黏性流動(dòng)，斷裂伸長(zhǎng)率大，強(qiáng)度和彈性模量小.接近常溫時(shí)強(qiáng)迫高彈形變充分表現(xiàn)，符合高聚物基本力學(xué)特征，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線符合高聚物拉伸的典型特征.當(dāng)溫度降低時(shí)，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯抬升，這是由于鏈段運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的內(nèi)力與外力作用無(wú)法協(xié)調(diào)，強(qiáng)迫高彈形變無(wú)法充分發(fā)展，材料屈服需要更大的外力，因此強(qiáng)度增加；溫度過(guò)低時(shí)，強(qiáng)迫高彈形變來(lái)不及發(fā)生，膜材在冷拉階段開(kāi)始后斷裂，彈性模量和強(qiáng)度大.

3 主要力學(xué)參數(shù)的溫度依賴(lài)性分析

主要力學(xué)參數(shù)的取值方法參考文獻(xiàn)[2]，如圖3所示.

圖3 ECTFE薄膜拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的4個(gè)階段Fig.3 Four stages of tensile curves of ECTFE foil

在寬廣的溫度條件下，ECTFE薄膜的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、冷拉應(yīng)力與溫度呈線性關(guān)系.屈服應(yīng)變、斷裂延伸率、彈性模量、斷裂能與溫度的3次冪函數(shù)呈較好的非線性關(guān)系.屈服時(shí)間、斷裂時(shí)間與溫度的逆多項(xiàng)式呈較好的非線性關(guān)系，在Tg點(diǎn)附近出現(xiàn)峰值點(diǎn).

由于彈性模量、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度及韌性是工程材料重要的力學(xué)性能指標(biāo)，溫度對(duì)彈性模量的影響較為顯著，因此在工程設(shè)計(jì)中考慮到ECTFE薄膜材料的溫度相關(guān)性，可以更好確定材料在實(shí)際工程中的受力特性.此外，輔以對(duì)其他力學(xué)參數(shù)的溫度相關(guān)性分析，可以確定試驗(yàn)的可靠性，從而通過(guò)在不同溫度下的力學(xué)性能參數(shù)及其擬合公式，作為薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)支持和參考.

3.1 屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)變

ECTFE薄膜在初始段的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，在所研究的溫度范圍內(nèi)，ECTFE屈服薄膜均受單一的主鏈松弛所控制，次級(jí)松弛的影響較小，同時(shí)結(jié)晶程度不同，強(qiáng)度變化較大.

圖5是ECTFE薄膜在不同溫度下的屈服強(qiáng)度

圖4 ECTFE薄膜的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始段對(duì)比Fig.4 Comparison of tensile curves at initial phase of ECTFE foil

圖5 屈服強(qiáng)度、屈服應(yīng)變、屈服時(shí)間與溫度的關(guān)系Fig.5 Yield stress, yield strain, and strain rate versus temperature

fy、屈服應(yīng)變?chǔ)舮和屈服時(shí)間τy，由圖可知，溫度從20 ℃上升到80 ℃，屈服應(yīng)力從31.465 MPa減小至6.635 MPa，降幅為78.9%.溫度下降到-50 ℃，屈服強(qiáng)度增大至60.684 MPa，增幅達(dá)92.9%.屈服應(yīng)變?cè)?0 ℃最小，為4.035%，受Tg點(diǎn)的影響顯著.從40 ℃升溫至80 ℃，屈服應(yīng)變從359.3%增大至18.532%，降溫至-50 ℃，屈服應(yīng)變從128%增大至9.2%.屈服時(shí)間在50 ℃最小，接近Tg點(diǎn)，從50 ℃升溫至80 ℃，屈服時(shí)間從0.947 s延長(zhǎng)了32.3%至1.253 s，降溫至-50 ℃，屈服時(shí)間從207%增加至2.907 s.ECTFE薄膜的屈服強(qiáng)度、屈服應(yīng)變和屈服時(shí)間隨溫度變化的擬合方程為

圖6 抗拉強(qiáng)度、斷裂延伸率、斷裂時(shí)間與溫度的關(guān)系Fig.6 Tensile stress, stress at break, and break time versus temperature

fy=38.297-0.409t

(1)

(2)

(3)

3.2 拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率

ECTFE薄膜的抗拉強(qiáng)度f(wàn)u、斷裂延伸率εu、斷裂時(shí)間tu隨溫度變化的擬合方程為

fu=39.028-0.259t

(4)

εu=166.283+3.358t+0.001t2+

5.017t3+9.222t4-8.161t5

(5)

(6)

圖6是ECTFE薄膜在不同溫度下的抗拉強(qiáng)度、斷裂延伸率和斷裂時(shí)間，由圖可知，溫度從20 ℃上升到80 ℃，拉伸強(qiáng)度從35.02 MPa減小至19.26 MPa，降幅為45%.溫度下降到-50 ℃，拉伸強(qiáng)度增大至55.56 MPa，增幅為59%.斷裂延伸率隨著溫度上升而增加，從20 ℃升溫至80 ℃，斷裂延伸率從267.86%增至811.1%，增幅為202%，降溫至-50 ℃，斷裂延伸率減小了92%至20.8%.斷裂時(shí)間在40 ℃最大為98.63 s，受Tg點(diǎn)的影響顯著.從40 ℃至80 ℃，斷裂時(shí)間減小至48.8 s，降幅為50.5%，降溫至-50 ℃，斷裂時(shí)間減小至6.4 s，降幅為93.5%.

3.3 彈性模量

小載荷下材料的行為具有線性黏彈性.溫度從20 ℃上升到80 ℃，彈性模量從970 MPa減小至71 MPa，溫度下降到-50 ℃，拉伸強(qiáng)度增大至 1 427 MPa.圖7所示為彈性模量E與溫度的關(guān)系.彈性模量與溫度的關(guān)系式為

E=964.68+0.9t+0.126t2-

0.005t3-3.82t4+7.958t5

(7)

圖7 彈性模量與溫度的關(guān)系Fig.7 Elastic module versus temperature

通過(guò)分析圖7可以發(fā)現(xiàn)，ECTFE薄膜在 40～50 ℃之間的彈性模量下降劇烈，這主要是由于該類(lèi)高聚物膜材存在一個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)化點(diǎn)，試驗(yàn)測(cè)量為 45 ℃，因此從常溫升溫至50 ℃后，材料便從高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài).在45 ℃以下，高聚物表現(xiàn)出線彈性的特征，晶區(qū)和非晶區(qū)的大分子鏈可以發(fā)生自由運(yùn)動(dòng)，材料的彈性模量較大.而在玻璃化溫度以上，材料的強(qiáng)迫高彈形變無(wú)法充分發(fā)展，因此ECTFE薄膜的彈性模量會(huì)降低.

圖8 冷拉應(yīng)力與溫度的關(guān)系Fig.8 Cold drawn stress versus temperature

3.4 冷拉應(yīng)力

溫度從-50 ℃提升到80 ℃，冷拉平均應(yīng)力減小.從20 ℃升溫至80 ℃，冷拉應(yīng)力減少6.254 MPa，降溫至-50 ℃，冷拉應(yīng)力增大至56.098 MPa.圖8所示的冷拉應(yīng)力fcd與溫度的關(guān)系為

fcd=33.491-0.38t

(8)

3.5 斷裂能

斷裂能反應(yīng)了拉伸試樣直至斷裂所消耗的能量，可以表征材料韌性，又稱(chēng)應(yīng)變能.溫度從-50 ℃提升到80 ℃，斷裂能增大，結(jié)晶度降低，材料黏性增加，塑性降低，韌度增強(qiáng)，這是由于分子鏈排列松散，孔隙率高，分子間作用減弱所致.從20 ℃升溫至80 ℃，斷裂能從 7 291 J/m3增大至 10 361 J/m3，降溫至-50 ℃，斷裂能減小至 1 033 J/m3，如圖9所示，斷裂能與溫度的關(guān)系為

W=5 753.977+57.847t-1.684t2+

0.017t3+4.758t4-5.345t5

(9)

圖9 斷裂能與溫度的關(guān)系Fig.9 Fracture energy versus temperature

4 結(jié)論

(1) ECTFE薄膜在寬廣的溫度范圍內(nèi)均表現(xiàn)出半晶高聚物的拉伸特性，出現(xiàn)了一次屈服現(xiàn)象.

(2) 彈性模量在Tg點(diǎn)附近存在最大切線斜率點(diǎn).

(3) 隨著溫度的升高，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體下降并被拉長(zhǎng)，拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、冷拉應(yīng)力和彈性模量減小；斷裂延伸率和斷裂能增大；屈服應(yīng)變和屈服時(shí)間先減小，在Tg點(diǎn)附近增加；拉伸時(shí)間在Tg點(diǎn)附近出現(xiàn)最大值；彈性模量減小.各主要力學(xué)參數(shù)與溫度的多項(xiàng)式均呈良好的擬合關(guān)系.

(4) 本文得到的材料在不同溫度下力學(xué)性能數(shù)據(jù)及評(píng)價(jià)方法，可以作為ECTFE薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考.