新的復合泡沫靜水性能測試方法

新的復合泡沫靜水性能測試方法

摘要：

靜水特性對于表征海底應用中的復合泡沫具有重要意義。 但由于缺乏標準的測試方法和儀器，它們很少被研究。 一種新的方法  基于壓力積累和水輸入來表征句法泡沫的靜水特性。 已經建立了一個標準和易于訪問的測試系統 零件和部件。 對兩種類型的復合泡沫進行了演示實驗。 研究了初始壓力循環對體模量的影響。 與眾不同的 試驗結果揭示了兩種復合泡沫的靜水屈服和擠壓行為。 第一類復合泡沫，由較輕但較弱的玻璃泡組成，  表現出由填料性能主導的靜水壓縮行為。 第二類復合泡沫是由較強但較重的玻璃泡沫組成的，表現出災難性的后果  物理破壞機制包括玻璃氣泡的破碎和基體材料的破壞。 利用所開發的試驗方法，進一步研究了其靜水特性 復合泡沫是可能的。

1.引言

合成泡沫是由輕質填料和聚合物基體組成的復合材料。 在海洋油氣、風能和科學勘探等領域，它們被廣泛用作深海浮力材料。 隨著工作水深的加深，復合泡沫的性能、質量和可靠性在整個系統設計中越來越重要。 因此，表征  復合泡沫的力學性能成為研究的熱點。

許多研究人員研究了句法泡沫的單軸壓縮特性[1-5]。 然而，復合泡沫在海底應用中的真實應力狀態是靜水壓力。 令人驚訝的是，那里  關于復合泡沫的靜壓性能，如靜壓抗壓強度和體積模量，發表的工作很少。 造成這種短缺的一個原因是缺乏標準  靜水性能的RD試驗方法和儀器。 用于測試靜水壓強度的ASTMD2736-78[6]和用于測試體積模量的ASTMD2926-70[7]被撤回了幾十年 以前沒有替代品。 撤回的標準中提到的儀器，即高壓活塞缸，在商業上是不可用的，很難在家里建造。 一些研究人員，比如 作為Kim和Kang[8]，Moreu和Mills[9]，Morre等人。 [10]，和Viot[11]，開發用于聚合泡沫的特殊用途靜水測試器。 然而，它們不直接適用于測試  復合泡沫感興趣的性質。 Gall等人。 [12]提出了一種基于浮力損失測量的復合泡沫靜水強度和體積模量的表征方法。該原理和方法是可行的，但儀器涉及昂貴的現場傳感器，如壓力補償稱重裝置，這是不廣泛可用的。

 為了研究復合泡沫的靜水特性，提出了一種基于壓力積累和水輸入量的新測試方法。 原則很簡單， 儀表是簡單的，由標準的和易于訪問的部件組成。 通過對兩種玻璃/環氧復合泡沫的測試，證明了該方法的有效性。 它們獨特的氫化物 研究了TATIC行為。 并確定了它們的體積模量和靜水壓強度。

2. 方法

在靜水載荷作用下，兩種失效機制在復合泡沫中占主導地位。 一種是聚合物基體與無機填料之間的脫粘，從而導致水的滲透。 Th 另一種是屈曲，然后是填料產生的空心細胞的塌陷。 在現實生活中，這兩種機制并存，無法區分。 在靜水試驗中  在固定體積的高壓室中，這兩種失效機制都表現為體積變化與壓力積累之間的速率變化，如圖所示1.

 理想情況下，壓力V.S.體積有三個不同的區域復合泡沫的變化曲線，如圖所示。 1. 第一種是泡沫在靜水壓力下彈性變形的“彈性區。 第二個是細胞所在的“屈服區  在泡沫里開始崩潰。 第三個是“破碎區”，泡沫中幾乎所有的細胞都被壓碎，泡沫在靜水載荷下基本上表現為基體材料。 在這種行為下，可以通過繪制壓力VS.體積變化來確定句法泡沫的靜水強度。 靜水強度是在泡沫所在的壓力下定義的 從“彈性區”過渡到“屈服區”。 體模量定義為“彈性區”內靜水壓力與體積應變之間的變化率，如圖所示  方程（1）中的n)。

 

其中，K是體積模量，ΔP是靜水壓力的變化，ΔV是復合泡沫體積的變化，V是復合泡沫的未變形體積。 體積的變化 復合泡沫的e不能很容易地在原位測量。 但它可以通過從輸入的水的總體積中減去一定壓力下水的體積變化來計算。 在水的體積可以確定通過加壓室與一個鋼虛擬樣品在其中。 通過虛擬樣本運行確定的曲線可以作為基線，并且是特有的測試系統和測試溫度。 值得注意的是，復合泡沫，盡管是封閉的泡沫，確實吸收了少量的水，最初接觸水和加壓。 這個  主要是由于加工和/或制造缺陷造成的表面微觀開放細胞。 為了準確，需要消除衛星吸水量小的影響  在進行測量之前，通過多次靜壓加載和卸載循環對測試樣本進行檢測。

3. 儀器儀表

測試系統的儀表如圖所示。 2. 由四個主要部分組成：（1)蓄水池及其稱重裝置；(2)抽水系統；(3)高壓室；(4）d  ATA采集和測井系統。 顯然，所有零件和部件都可以很容易地獲得或內置。 在下面的演示實驗中，測試系統由一個1-L塑料組成  油箱，電子天平，模擬輸出，精度0.01g，Maximator?氣動柱塞泵，可調泵浦速率，5L體積高壓室，額定為150MPa 帶有24VDC模擬輸出的Tronic壓力傳感器、NI?USB數據采集板和帶有LabView程序的筆記本電腦。 所有測量裝置均按ISO71025要求進行校準和檢查  TS。

4. 實驗

 對兩種玻璃/環氧復合泡沫進行了演示實驗，以確定其靜水壓強度和體積模量。 統的組成和性質 硬質泡沫如表1所示。 樣品從散裝材料加工到50毫米50毫米100毫米的尺寸。 樣品在實驗室環境中條件為23℃，50%RH 至少在測試開始前24小時。 試驗采用自來水。 每個等級至少測試5個樣本。

應注意的是，樣品應占據大量的測試室，以獲得準確的測量壓力變化和水的輸入。 的靈敏度  相對于樣品與腔室之間的體積比的測量結果取決于特定的測量裝置和系統特性。

 在測試任何復合泡沫樣本之前，系統使用與復合泡沫樣本相同大小的鋼虛擬樣本運行房間。 在加壓之前，通過將水泵入排氣口打開的氣室中，直到沒有更多的氣泡出來，該氣室被解除了配對。 泵的泵送速率為5MPa/min的壓力積累速率。 因此，獲得了一個描述壓力積累與水輸入體積的基線，如圖所示. 3。用于水的體積模量和在壓力和測試溫度下室和管道的膨脹?；€包括水的體積模量、包括腔室和管道在內的系統膨脹和泵的特性的綜合影響。 在萊克斯公司下聯合效應，系統基線可能不是完全線性的。 在本研究中，基線曲線可以用多項式方程緊密擬合，如圖所示.3。如前所述，這一點基線曲線是測試系統和測試溫度特有的，不應作為通用基線。 注意到，在下面的測試結果展示中，c卷 從水輸入的總體積中減去水的變化，以產生復合泡沫和體積的變化

為了消除泡沫中初始吸水率的影響，在系統WA之前對樣品進行了5次壓力循環，最高可達靜水抗壓強度的一半加壓到最大測試壓力。 還記錄了壓力循環中的壓力和水輸入數據，以研究初始水ABSO過程中句法泡沫的行為冒險。

圖 1. 句法泡沫的理想化靜水壓縮行為。

 

圖 2. 說明靜壓試驗系統。

 

表1合成泡沫樣品

 

圖3. 室溫下測試系統的基線。

 

圖 4. 靜水壓力循環在(A)I型和(B)II型句法泡沫上。

 

 圖 5. 句法泡沫中體模量隨壓力循環的變化：(A)I型和(B)II型

 

5. 結果和討論

5.1. Bulk modulus

圖中給出了I&II型復合泡沫樣品在壓力循環作用下的靜水壓力V.S.體積應變曲線。 分別為4(a)和(b。 在數字中，Cy  在循環#6中，CLES#1至#5是初步的載荷循環，在將其帶到最大試驗壓力之前，該壓力是樣品的靜水強度的大約一半，而不是它的完整形狀。

可以在圖中看到。 4(a)當壓力V.S.應變曲線的斜率增大時，初始壓力循環對I型復合泡沫的靜水行為有顯著影響  有循環次數的ES。 隨著壓力循環的明顯增強效應可以用泡沫的初始吸水率來解釋。 由于水占據暴露的開放細胞和缺陷，在泡沫中，通過置換空氣，泡沫的表觀剛度增加。 是否還有其他機制有助于強化效果，需要進一步研究。在II型句法泡沫中，效果似乎要少得多。 這可能是由于II型句法泡沫的剛度要高得多，這使得差異似乎很小的變化，兩種類型的體積模量隨壓力循環的變化復合泡沫如圖5(a)和(b)所示。

兩種類型的復合泡沫都表現出隨著壓力循環次數的增加而增加的體積模量。 從循環#1到循環#4的體積模量的增加在達到as之前尤為突出 循環#5和循環#6中的穩定性。 由此得出結論，至少需要5個壓力循環才能準確測量復合泡沫的真實體積模量。 第二類復合泡沫，其中由更強、更致密的填料組成，但具有相同類型的基體材料和填料體積分數，體積模量比I型復合泡沫高兩倍以上。表明填料的性能對復合泡沫的體積模量有主導作用。

5.2. 靜水壓強度

復合泡沫的完全壓力V.S.體積應變曲線如圖所示6(a)和(b)。 從圖中可以看出，I型和II型句法泡沫具有明顯的h 靜電擠壓行為。 在I型句法泡沫中，顯示了一個本質上是“平坦”的屈服區，它表示填料的連續破碎，即玻璃氣泡。 因此，對于I型句法泡沫，其靜水抗壓強度完全取決于玻璃氣泡的強度。 在第二類合成中  然而，IC泡沫在其屈服區可以觀察到明顯的壓力下降。 這表明了一個災難性的失敗，包括玻璃氣泡的破碎和MATR的失效 九種材料，即環氧樹脂。 這種差異在破壞機制中，可能是由于II型句法泡沫的抗壓強度高得多。 在如此高的壓力下，內部細胞的崩潰導致了內部細胞的失效 基體材料，這進一步導致更多的玻璃氣泡崩潰，沒有基體的支持，如鏈式反應。 第二類復合泡沫的靜水抗壓強度因此，在產量區域的最低可持續壓力下保守地確定。 這兩種類型的復合泡沫的粉碎樣本的圖片如圖所示。 7. 災難性的失敗在II型復合泡沫中，URE機制是明顯的，如樣品中的裂紋和斷裂部分所示。 粉碎的I型復合泡沫樣本通常是完整的，盡管很大玻璃氣泡破碎引起的變形和吸水率。 這兩種類型的靜水壓縮性能，即體積模量和靜水抗壓強度復合泡沫總結在表2中。

圖 6. 靜水壓(A)I型和(B)II型句法泡沫。

 

圖 7. 典型的壓碎樣本的I型（左）和II型（右）句法泡沫

 

表2句法泡沫的靜水特性

 

5. 結論

建立了一種簡便、有效的復合泡沫靜水性能測試方法。 一個測試系統已經建立了標準和易于訪問的部件。 對兩種類型的復合泡沫進行了演示實驗：I型填充K20玻璃氣泡；II型填充S38玻璃氣泡。 這兩種類型的句法泡沫都有相同類型的基體材料，即環氧樹脂和填料體積分數為65%。

發現了以下靜水行為：（1）兩種類型的復合泡沫的體積模量都增加了，在循環#5中達到穩定之前的初步壓力循環次數。 （2）這兩種類型的復合泡沫的體模量主要取決于填充性能。 （3）第一類合成法泡沫具有靜水壓縮行為，主要是玻璃氣泡的破碎。 （4）第二類復合泡沫表現出一種涉及十字軍的靜水破壞機制  填料的興和基體材料的失效。 （5）第二類復合泡沫是第一類復合泡沫的兩倍多。 對水電站的進一步調查 ，因此，用所開發的測試方法可以實現復合泡沫的TiC行為。

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