塑料性能數(shù)據(jù)及產品設計

1、塑料性能數(shù)據(jù)和產品設計,性能數(shù)據(jù)說明了什么,所有這些材料數(shù)據(jù)值都是通過使用符合最佳測試要求的樣本進行采集的. 實際塑料件的性能很少能夠達到數(shù)據(jù)表中所給出的性能數(shù)據(jù)值. 性能數(shù)據(jù)值不能直接用于產品設計, 除非此產品的應用條件與性能測試條件在尺寸, 形狀, 應變能力和溫度等方面都近似的情況下. 性能數(shù)據(jù)值可以用于對不同材料的性能進行應用前的預先的比較. 為在盡可能全面地使用材料各種性能, 設計師必須理解性能數(shù)據(jù)值的局限性,

2、塑料的種類和最終使用條件.,典型性能數(shù)據(jù)表,典型性能數(shù)據(jù)表,主要性能包括以下幾種類型: 流變性能 機械性能 熱性能 電性能 其他性能,典型性能數(shù)據(jù)表,流 變 性 能,SPIRAL-FLOW螺旋流動,Cavity half of spiral-flow mold.,螺旋流動的長度表示材料在規(guī)定的壁厚和加工條件的情況下的流動長度.,MELT FLOW RATE熔融指數(shù),Schematic of melt flow rat

3、e test apparatus,熔融指數(shù)( 質量或體積 ) 是指10分鐘內樹脂在一定載荷的作用下通過標準口模的量. 試驗是在單一的溫度和載荷下進行的. 不考慮剪切應力和溫度對粘度的影響. 無法準確預測在實際模具中的流動性. 是檢驗各批產品質量一致性或快速檢驗材料產品是否降解的良好途徑.,VISCOSITY粘 度,材料的粘度是材料流動的內部阻力,決定了模具充填率. 溶解在溶劑里聚合物的粘度間接提供了測量基本樹脂分子量和相

4、關熔融流動性能的可能性. 相對粘度是指按特定濃度稀釋的聚合物溶液與溶劑粘度的比值, 通常作為樹脂生產時的品質控制標準.,VISCOSITY VERSUS SHEAR-RATE粘度與剪切應力的關系,粘度與剪切應力的關系曲線在熱塑性材料成型性比較方面比熔融指數(shù)更實用, 但是很少被用于材料的選擇上. 這些數(shù)據(jù)主要用于模具充填計算機仿真程序中.,SHRINKAGE收 縮,塑料在熱成型加工的冷卻階段會有明顯的收縮. 模具設計師必須使

5、用材料收縮率來補償熱成型加工階段的產品收縮.,[ (模具尺寸) - (產品尺寸) ] (模具尺寸),,收縮率 =,*這些值通常用百分比或長度/單位長度來表示.,典型性能數(shù)據(jù)表,機 械 性 能,TENSILE PROPERTIES拉 伸 性 能,試驗裝置和標準試樣用于測試絕大部分塑料的拉伸強度.,拉伸性能可以用來比較不同材料的強度和剛性. 剛性熱塑性塑料拉伸測試的標準是 ASTM D638 和 ISO52

6、7. 對于玻纖增強材料的拉伸速度為 5mm/min , 非增強材料為 50mm/min.,TENSILE PROPERTIES拉 伸 性 能,STRAIN,STRESS,屈 服 應 力指在應變應力曲線上斜率為 0 時, 對應的應力值.斷 裂 應 力指拉伸試樣在恒定的拉伸速度下發(fā)生斷裂時, 所對應的應力.拉 伸 模 量 指在應力應變曲線上比例極限下,應力應變的比值. 其用于測量材料的剛性.,典型非增強塑料的應

7、力應變曲線.,屈服點延伸率指屈服點的應變值. 它決定了材料在不發(fā)生屈服的情況下所能承受的小且持久載荷下變形的上限值.斷裂延伸率指材料在斷裂時伸長的百分比.脆性材料會在低應變水平下發(fā)生斷裂. 韌性材料和彈性材料在斷裂前可以承受較高的應變.,STRAIN,STRESS,TENSILE PROPERTIES拉 伸 性 能,典型非增強塑料的應力應變曲線.,TENSILE PROPERTIES拉 伸 性 能,這些典型曲線說

8、明不同的材料具有不同的應力應變性能.,FLEXURAL PROPERTIES 彎曲性能,彎曲性能體現(xiàn)了塑料在負載下的彎曲或抗彎曲性能。 彎曲性能的標準測試方法使用ASTM D790 或 ISO 178. 對于玻纖增強材料彎曲速度通常為 2mm/min。 對于非增強材料彎曲速度通常為 20 mm/min。 彎曲模量是應力－應變曲線上塑性段的應力對應變的比例。,彎曲試驗的設定和樣條在負載下的應力分布。,IMPACT PROPERTI

9、ES沖擊性能,沖擊強度，塑料產品吸收和消耗能量的能力，它因產品的形狀，厚度和所處溫度的不同而不同。當沖擊性能用于某些應用時，測試結果因產品的實際特性而很難直接應用。 通常，沖擊強度和拉伸模量提供了塑料的基本機械性能。 高沖擊強度＋高拉伸模量 = 堅韌材料 高沖擊強度＋低拉伸模量 = 韌性材料 低沖擊強度＋高拉伸模量 = 脆性材料,IMPACT PROPERTIES 沖擊性能,Izod and Charpy 沖擊試驗。,試驗

10、方法: Izod - ASTM D256, ISO 180 Charpy - ISO 179,聚碳酸酯的Izod沖擊強度受缺口半徑的影響。,典型性能數(shù)據(jù)表,熱性能,負載下的熱變型溫度(DTUL),DTUL 或 HDT 用于預測在規(guī)定的測試條件下材料在負載下的溫度特性。 該值不代表某一特定材料或應用的上限溫度。 成型條件，樣條的制備和樣品厚度極大地影響著 DTUL/HDT 值。 謹慎比較來自不同實驗室和供應商提供的數(shù)據(jù)。,負載下

11、的熱變型溫度(DTUL),樣條承受的外部纖維應力為66 或 264 psi (0.455或1.82Mpa ). 測試箱內的溫度以 20 C /分鐘的速度上升直到樣條彎曲達到0.010英寸。Test Methods : ASTM D 648 -樣條厚度 1/8 ～ 1/2 英寸 ( 3.2 to 12.7mm ) 支撐腳間距為4 英寸。 ISO 75 -樣條厚

12、度 110 x 10 x 4 mm 支撐腳間距為 100 mm 。 -樣條厚度 80 x 10 x 4mm 支撐腳間距為 64mm 。,熱變型溫度(DTUL)所用試驗儀器,維卡軟化溫度,通過一個帶有輕微負載(10N或50N)的探針刺入塑料所達到的溫度來顯示塑料的熱性能。 用于表征短期，高溫性能。 對于樣品的厚度和成型條件不象DTUL那么敏感。,維卡軟化溫度,用一根橫截面為1

13、mm2扁平探針接觸塑料樣條并浸入加熱池中。在探針上加以規(guī)定負載(10N或50N)后,油浴箱以緩慢恒定的速度升溫 ( 50 K/h or 120 K/h )。維卡軟化溫度是當探針刺入0.04英寸(1mm)深度時油浴箱的溫度。測試方法: ASTM D 1525 ISO 306,維卡軟化點試驗儀器,不同產品選材的重點,以塑代鋼,以塑代鋼的意義：降低重量增加設計自由度，整合零件增加加工效率降低原料成本（材料回用）降低加工成本

14、降低運輸成本降低成品維護成本降低綜合成本,不同產品選材的重點,以塑代鋼,考慮：耐溫結構受力狀態(tài)耐磨性可裝卸性環(huán)境:高低溫耐化學性成本,1X 1.5X 13.3X 27X 30X,不同加強筋結構帶來不同剛性表現(xiàn),不同產品選材的重點,外觀件,考慮：強度光澤硬度透明性耐刮擦性成型性耐化學性著色性電鍍/噴涂--免噴涂材料抗UV 耐鹽霧性成本

15、 密度,電子電器零件,考慮：耐溫絕緣性 耐電弧性 UL94 CTI阻燃性 UL94 HB V2 V1 V0,功能件考慮：耐溫強度尺寸穩(wěn)定性抗沖擊性耐磨性抗靜電 導熱,產品設計,,制品設計要求,功能要求制造要求,功能要求,首先:?性能?結構?裝配?外觀其次:?成本,產品制造要求,流動 / 充模冷卻頂出操作,塑料制品設計人員的首要原則,保持均勻一致的壁厚,結晶型塑料在厚壁處具有

16、更大收縮,,,Thick,Thin,,Shrinkage,,壁厚不均勻可能引起的后果,,,,,,,,,?,內應力翹曲縮孔空洞尺寸偏差大,壁厚不均勻可能引起的后果,去除壁厚不一致的部分,,改良后的設計,壁厚的不一致不可避免時采用逐步過渡,,,,,尖角,不良設計,,,3t,,可以接受的設計,但有可能仍有問題,,t,,,,最好是采用相同壁厚的設計,盡量避免不一致的壁厚,,,,,,,,,,,,,,,,,,不好,不好,不好,好,好,

17、A = B,好,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,B,A,B,,,塑料制品設計的第二個原則 避免尖角,圓角半徑對應力集中系數(shù)的影響,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,54321,P=所施加的荷載R=圓角半徑T=厚度,Stress Concentration Factor (K),R / T,,,,,,,R,P,T,不良設計,改進的設計,,,,,,,外角,內角,容易引

18、起高應力集中,, 充模流向亂, 翹曲可能性大,Parts mustfit snugly,,尖角,不良設計,改進的設計,肋與加強筋,理想的肋結構,,,,,,,,Radius 1/2t,3tmax.,1/2 t - 2/3 t,t,,1/4° Draft,,,,肋的設計對制品重量和強度的影響,肋的使用可以大大提高產品剛性,肋部增加剛性 A,邊緣增加剛性 B,轉角增加剛性 C,獲得良好剛性的邊緣設計,,,,,,

19、,,,,,,,,,,,,,1,2,3,4,5,肋,好處壞處更大的或翹曲相當?shù)膭傂怨?jié)約材料縮孔成型周期短脫模可能有問題有可能改善更多的熔接痕充模流動性,,翹 曲,引起翹曲的原因,不一致的壁厚各向異性的收縮行為 成型加工條件模具設計,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,應力集中,縮痕,翹曲,,合理的設計,,,,,,,,均勻壁厚或逐步過渡,,不良設計,均勻一致的壁厚,壁厚不一致,,,,,,,,,,尾部向內翹

20、曲,熔體充模流動方向,,澆口,混亂的流向使玻纖在轉角處不規(guī)則排布,差,好,,各向異性的收縮行為,由于轉角處的流向差異產生的翹曲現(xiàn)象,各向異性的收縮行為,非增強,玻纖增強改性,礦物增強改性,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Flow,,,,,流動方向,,,橫向,,Transverse,澆口,澆口,Gate,聚合物取向,玻纖取向,MineralReinforcementOrientation,模具收縮,成型后收縮,,,Fl

21、ow,,,Transverse,各向異性的取向行為,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,壓縮,拉伸,Delrin® 500Stress / Strain Curve 0.2 in / min strain rateat 70°F,,Strain (%),Stress, (psi),,,,,,,成型工藝條件,熔體溫度模具溫度注射保壓時間,不一致的冷卻也會導致不一致的收

22、縮行為,底面收縮更大,較低的溫度,較高的溫度,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,非增強的等級,模具設計的影響,熔接痕,,,澆口位置所導致的變形因素,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Core,Gate,Gate,Gate,產生偏心現(xiàn)象,易困氣,,流動平衡無偏心現(xiàn)象,側澆口,末端澆口,由于澆口位置和澆口數(shù)量產生的翹曲,對環(huán)形制品, 由于澆口的形狀不同,最終產品的圓度也會受影響,Edge GatePin-Po