聚四氟乙烯內(nèi)管拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和沖擊韌性的“作用和地位”之爭(final).doc

聚四氟乙烯內(nèi)管拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和沖擊韌性的“作用、地位”之爭駐膠帶股份軍代表室 廖振魁 王寶康 孫 毅摘 要：國軍標(biāo)中，氟內(nèi)管要求只有抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率，無沖擊韌性，企業(yè)在生產(chǎn)時(shí)有意提高抗拉強(qiáng)度；近年氟塑料軟管性能不穩(wěn)定，內(nèi)廠外場故障高居不下。就此現(xiàn)狀，本文對三項(xiàng)指標(biāo)的“作用、地位”，進(jìn)行深入研究和探討。關(guān)鍵詞：氟內(nèi)管 拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和沖擊韌性 作用和地位一、 問題來由因歷史原因和行業(yè)特點(diǎn)，企業(yè)在考核聚四氟乙烯軟管組件內(nèi)管性能的時(shí)候，主要考核其抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率、相對密度等，而其中對抗拉強(qiáng)度情有獨(dú)鐘，GJB2837-97聚四氟乙烯軟管組件規(guī)范中也只有抗拉強(qiáng)度大于一指標(biāo)的要求，誤認(rèn)為抗拉強(qiáng)度越高越好。生產(chǎn)時(shí)有意識地將內(nèi)管的抗拉強(qiáng)度要求越做越高，最高的達(dá)到了48.5MPa（國軍標(biāo)指標(biāo):16MPa），是指標(biāo)的3倍多；通常內(nèi)管的斷裂伸長做到300%左右（國軍標(biāo)指標(biāo):250%），僅略大于指標(biāo)。因GJB2837-97中，指標(biāo)中沒有對沖擊韌性提出要求，因此企業(yè)從來都不用此指標(biāo)考核內(nèi)管性能。可以看出企業(yè)在生產(chǎn)軟管組件考核內(nèi)管性能、質(zhì)量時(shí)，優(yōu)先考慮抗拉強(qiáng)度，其次考慮斷裂伸長率，而對沖擊韌性根本不予考慮。抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率、沖擊韌性三項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)（以下簡稱三項(xiàng)指標(biāo)），其在軟管組件聚四氟乙烯內(nèi)管起到什么作用、其地位如何？三項(xiàng)性能值的高低對軟管的性能有什么影響？近年部隊(duì)軟管爆破故障常發(fā)生與抗拉強(qiáng)度偏高是否有一定的關(guān)聯(lián)？如何優(yōu)化和分配內(nèi)管的三項(xiàng)指標(biāo)？就這些問題，本文從理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證著手，進(jìn)行深入研究和探討。二、 作用、地位分析1、 聚四氟乙烯軟管組件簡介軟管組件由聚四氟乙烯內(nèi)管、不銹鋼增強(qiáng)鋼絲層和金屬接頭組成。聚四氟乙烯軟管組件用于輸送各型飛機(jī)的高、中、低液體和氣體介質(zhì)，承受的工作壓力從5MPa到35MPa。聚四氟乙烯軟管組件質(zhì)量、性能的好壞是直接與飛機(jī)的使用性能、安全相關(guān)的，而氟塑料內(nèi)管在軟管組件中起非常重要的作用。由于液壓系統(tǒng)高壓橡膠軟管性能、壽命存在較大的問題，已全由聚四氟乙烯軟管組件所取代。因此，現(xiàn)國內(nèi)所有飛機(jī)的液壓系統(tǒng)液壓軟管基本都是使用聚四氟乙烯軟管組件。2、 三項(xiàng)指標(biāo)在內(nèi)管中的作用意義不管是金屬材料還是非金屬材料，拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和沖擊韌性是考核材料機(jī)械性能最主要的三項(xiàng)指標(biāo)，此三項(xiàng)指標(biāo)對聚四氟乙烯內(nèi)管的來說都有深刻的、不同的含義。1）拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度達(dá)到一定的數(shù)值是保證內(nèi)管其功能的基本要求，這一定的數(shù)值即是GJB2837的指標(biāo)要求，雖然軍標(biāo)未對其作上限要求，但應(yīng)清楚的是此值不宜太高。這是因?yàn)橥ǔＭ徊牧系睦鞆?qiáng)度和塑性、沖擊韌性是相背離的，高的拉伸強(qiáng)度必然帶來塑性和沖擊韌性的下降，而對聚四氟乙烯軟管的內(nèi)管要的是其高的塑性和沖擊韌性，軟管的耐壓的程度主要是靠外層的增強(qiáng)鋼絲層來保證的。內(nèi)管的塑性和韌性下降，相對而言內(nèi)管變得的較脆，其對缺口敏感性特別強(qiáng)，也極易產(chǎn)生微損傷和應(yīng)力集中，疲勞強(qiáng)度會迅速下降。2）斷裂伸長率斷裂伸長包括彈性和塑性伸長，內(nèi)管高的斷裂伸長率指標(biāo)有三個(gè)方面的含義：其一是在扣壓過程中，因內(nèi)管有良好的彈性和塑性，內(nèi)管的內(nèi)壁在扣壓力的作用下而產(chǎn)生彈性變形和永久的塑性變形，并和接頭的密封槽緊密的結(jié)合，不至于因扣壓時(shí)變形過大（特別是密封槽的直角和銳角處產(chǎn)生的非常大的塑性變形）而產(chǎn)生裂紋或微裂紋；其二是是內(nèi)管外層的增強(qiáng)鋼絲一方面對內(nèi)管起到增強(qiáng)的作用，另一方面也會對內(nèi)管起到一定的切割破壞作用，從分解使用或脈沖試驗(yàn)過的軟管組件的內(nèi)管可以看到較深的鋼絲鑲嵌痕跡，此痕跡是避免不了的（見圖1），若內(nèi)管的塑性好此變形僅是塑性變形，對內(nèi)管的性能影響不大，否則便會產(chǎn)生微裂紋形成疲勞源。 圖1 內(nèi)管鋼絲嵌痕3）沖擊韌性抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率是一靜態(tài)指標(biāo)，它們都是在拉伸試驗(yàn)機(jī)上在緩慢加載即靜載荷試驗(yàn)條件下測定的性能指標(biāo)，它們不能反映高聚物在受突然載荷即沖擊載荷時(shí)的性能。而真正考核材料的疲勞性能的指標(biāo)還是沖擊韌性，沖擊韌性高的塑料其柔軟性好，使用時(shí)間長。對聚四氟乙烯軟管組件而言，不管是脈沖試驗(yàn)還是在使用過程中其受到大的載荷都是重復(fù)性的沖擊載荷，對軟管造成的損傷主要還是來自此種載荷。這一點(diǎn)從試驗(yàn)中也可看出，軟管組件很少因內(nèi)管的抗拉強(qiáng)度較低而造成軟管組件耐壓試驗(yàn)或爆破壓力試驗(yàn)時(shí)的靜力破壞；在靜力試驗(yàn)通過的情況下，只要軟管組件存在性能上的質(zhì)量問題，在脈沖試驗(yàn)上肯定是過不了關(guān)的。對同一種材料，沖擊韌性通常和拉伸強(qiáng)度是成一定的反比例關(guān)系，而和塑性存在一定的正相關(guān)關(guān)系（這種比例不是線性的）。我們已經(jīng)清楚了沖擊韌性作用，但還有一個(gè)概念需要闡明，就是高分子材料的韌性和沖擊韌性的區(qū)別，二者的物理意義是不一樣的，在高分子材料中所起的作用也是不一樣的。高分子材料抗沖擊韌性是指標(biāo)準(zhǔn)試樣受高速沖擊作用斷裂時(shí)，單位斷面面積（或單位缺口長度）所消耗的能量，它描述了高分子材料在高速沖擊作用下抵抗沖擊破壞的能力和材料的抗沖擊韌性。而高分子的韌性是標(biāo)準(zhǔn)試樣緩慢拉伸斷裂所消耗的能量，在拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)中，材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積（見圖2）相當(dāng)于試樣拉伸斷裂所消耗的能量，也表征材料韌性的大小。很顯然，抗拉強(qiáng)度b高和斷裂伸長率b大的材料韌性也好。但這個(gè)能量不等同抗沖擊韌性，不同在于，兩種實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變速率不同，拉伸實(shí)驗(yàn)速率慢而沖擊速率極快；拉伸曲線求得的能量為斷裂時(shí)材料單位體積所吸收的能量，而沖擊實(shí)驗(yàn)只關(guān)心斷裂區(qū)表面吸收的能量。材料的韌性和抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率一樣是材料的靜態(tài)力學(xué)指標(biāo)，而抗沖擊韌性卻是材料的高速動態(tài)力學(xué)指標(biāo)。高分子材料實(shí)際斷裂過程中也是沖擊載荷造成的裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和斷裂的過程，即相當(dāng)于斷裂面上吸收能量的過程（不是整個(gè)材料產(chǎn)生塑性變形，最后產(chǎn)生斷裂），這與試驗(yàn)室抗沖擊韌性測定的性質(zhì)是一致的。因此，沖擊韌性和高分子材料的力學(xué)壽命是息息相關(guān)的，而韌性是材料彈性模量和塑性的大小的表征。圖2 高分子材料拉伸實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（TTg） 3、 作用、地位分析軟管主要承受的是承載液體產(chǎn)生的脈沖載荷，其包括大脈沖和小脈沖，大脈沖是設(shè)備剛開始工作時(shí)由零載荷沖到最大載荷(Pmax)所產(chǎn)生，其遠(yuǎn)大于工作壓力(Pt)；小脈沖是設(shè)備工作過程中所產(chǎn)生的循環(huán)載荷，其值是在工作壓力附近作上下脈動（插圖3）。軟管實(shí)際受力并非靜態(tài)載荷，而是脈沖的疲勞載荷。從外場和試驗(yàn)室軟管的破壞形式（不包括使用因素造成的破壞）來看，軟管的破壞也通常是內(nèi)管的疲勞破壞，而非靜力破壞力。這是因?yàn)樵谲浌苤校瑑?nèi)管僅承擔(dān)小部分的耐壓作用，而其抵抗管內(nèi)壓力主要是靠外層的纏繞、編織鋼絲增強(qiáng)層，外層增強(qiáng)層的強(qiáng)度通常能滿足抗靜壓力的要求；而內(nèi)管在塑性不夠的情況下，扣壓、纏圖3 軟管脈沖載荷圖繞或編織過程中會造成對內(nèi)管的損傷（損傷分兩種，一種是可見微裂紋，另一雖然是不可見的損傷，但造成了結(jié)晶晶體的破壞或是打斷了或削弱部分高分子的鏈接，使得塑料脆性增加），這種損傷在解剖軟管組件時(shí)是顯而易見的（插圖4）。內(nèi)管存在在此種損傷后，在損傷處將造成應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中效應(yīng)的作用下，實(shí)際引起裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其b ；使用過程中，在管內(nèi)液體脈沖載荷的作用下，會因內(nèi)管的沖擊韌性不夠，缺口敏感性強(qiáng)，而造成裂紋快速擴(kuò)展，最終造成穿透性疲勞裂紋。 圖4 內(nèi)管扣壓部分的裂紋從沖擊破壞試驗(yàn)原理來分析，沖擊破壞過程雖然很快，但也可分為三個(gè)階段：一是裂紋引發(fā)階段，二是裂紋擴(kuò)展階段，三是斷裂階段。破壞過程是高聚物物料吸收能量的過程（見圖5），要提高高聚物抗沖擊破壞的能力，主要是要提高其裂紋引發(fā)能和擴(kuò)展能。對聚四氟乙烯內(nèi)管而言，避免內(nèi)管的原始裂紋是保證和提高其裂紋引發(fā)能的關(guān)鍵，若在扣壓等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了原始裂紋，那沖擊破壞直接就會進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段，增加內(nèi)管的可塑性是保證生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生原始裂紋的關(guān)鍵；裂紋擴(kuò)展是內(nèi)管破壞的關(guān)鍵階段，延緩裂紋的擴(kuò)展速率就能提高內(nèi)管的使用壽命，而提高內(nèi)管的沖擊韌性是提高材料抗裂紋擴(kuò)展能力的關(guān)鍵。為驗(yàn)證上述的分析結(jié)論，我們對俄羅斯的軟管進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率的試驗(yàn)測試，不難看出俄羅斯人并不單純追求高圖5 沖擊韌性實(shí)驗(yàn)中材料受力及屈撓關(guān)系曲線曲線下面積：白亮區(qū)域裂紋引發(fā)能 陰影區(qū)域裂紋擴(kuò)展能的抗拉強(qiáng)度，其8.1、10.23、12.45內(nèi)管的縱向抗拉強(qiáng)度分別為27.6、29.8、31.5MPa，而其內(nèi)管的斷裂伸長率都是500%以上。可見俄羅斯的聚四氟乙烯內(nèi)管相比我們的內(nèi)管斷裂伸長率是大得多的，而抗拉強(qiáng)度卻要小得多。因此，俄羅斯人在考慮內(nèi)管的性能時(shí)也是將斷裂伸長率排在較優(yōu)先的地位。因?qū)Λ@得的俄羅斯內(nèi)管無法進(jìn)行沖擊韌性測試，其抗沖擊韌性性能就不得而知了，但斷裂伸長率和沖擊韌性的關(guān)系是正相關(guān)的，雖然沒有測其沖擊韌性，可以肯定其沖擊韌性也是比較高的。近三年來，聚四氟乙烯軟管組件地面、空中漏油和爆破故障較多，嚴(yán)重影響陸海空飛行器的使用安全；而此期間企業(yè)批生產(chǎn)產(chǎn)品出廠脈沖試驗(yàn)（相當(dāng)于產(chǎn)品的疲勞試驗(yàn)）也經(jīng)常不過關(guān)，脈沖次數(shù)達(dá)不到GJB2837規(guī)定的指標(biāo)，致使軟管組件不能正常交付。我們對企業(yè)從2003年到2009年生產(chǎn)的內(nèi)管批性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)從2006年以來，內(nèi)管性能試驗(yàn)中的抗拉強(qiáng)度較前些年普遍偏高。通過前面的分析和試驗(yàn)，可確認(rèn)偏高的內(nèi)管抗拉強(qiáng)度將降低和犧牲內(nèi)管的斷裂伸長率和沖擊韌性，也將直接減小聚四氟乙烯軟管組件的壽命。因此，這些年聚四氟乙烯軟管組件高的故障率，是否與企業(yè)在對內(nèi)管的技術(shù)指標(biāo)控制存在偏離有關(guān)，還值得我們開展深入的分析和研究探討。4、 結(jié)論通過上述分析，我們已清楚了三項(xiàng)指標(biāo)在聚四氟乙烯內(nèi)管中的作用，從中可以看出三項(xiàng)指標(biāo)中軟管中的地位應(yīng)是相輔相成的，高的沖擊韌性和斷裂伸長率對提高內(nèi)管的壽命是至關(guān)重要的，而拉伸強(qiáng)度也是保證內(nèi)管功能的基本要求。因此在保證內(nèi)管的抗拉強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)中靜強(qiáng)度要求的情況，盡量提高內(nèi)管的斷裂伸長率和沖擊韌性。三、提高產(chǎn)品抗沖擊韌性和疲勞壽命的措施1、調(diào)整、改進(jìn)工藝，提高沖擊韌性。在實(shí)際聚四氟乙烯內(nèi)管產(chǎn)品中三項(xiàng)指標(biāo)的應(yīng)用應(yīng)綜合考慮，可通過調(diào)整聚四氟乙烯內(nèi)管燒結(jié)、淬火的參數(shù)來調(diào)整三項(xiàng)指標(biāo)的大小，在保證基本拉伸強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，提高沖擊韌性和斷裂伸長率，特別是沖擊韌性，來提高產(chǎn)品的疲勞壽命。2、開展技術(shù)和工藝研究，確定聚四氟乙烯內(nèi)管結(jié)晶度的最佳狀態(tài)。對聚乙烯、聚丙烯等高結(jié)晶度聚合物來說，當(dāng)結(jié)晶度為40-60%時(shí)，由于材料拉伸時(shí)有屈服發(fā)生且斷裂伸長率高，韌性很好。結(jié)晶度再增高，材料變硬變脆，抗沖擊韌性反而下降。這是由于結(jié)晶使分子間相互作用增強(qiáng)，鏈段運(yùn)動能力減弱，受到外來沖擊時(shí)，材料形變能力減少，因而抗沖擊韌性變差。從結(jié)晶形態(tài)看，具有均勻小晶體的材料抗沖擊韌性好，而大晶體韌性差。晶體尺寸大，球晶內(nèi)部以及球晶之間的缺陷增多，材料受沖擊力時(shí)易在薄弱環(huán)節(jié)破裂。因此，需開展對聚四氟乙烯內(nèi)管結(jié)晶度研究，通過微觀結(jié)晶度分析和不同結(jié)晶度內(nèi)管的試驗(yàn)對比，找出最佳的結(jié)晶度狀態(tài)，從而提高聚四氟乙烯內(nèi)管的抗疲勞的能力，提高產(chǎn)品的使用壽命。3、避免內(nèi)管損傷，消除應(yīng)力集中效應(yīng)。軟管組件生產(chǎn)、使用等過程中避免內(nèi)管的損傷，而產(chǎn)生初始裂紋。這是因?yàn)槌跏剂鸭y