一种含均匀孔隙材料老化模量分析方法和系统

技术领域

本发明涉及分子材料检测技术领域，特别是涉及一种含均匀孔隙材料老化模量分析方法和系统。

背景技术

聚氨酯等高分子材料具有可塑性强、比强度高等优点，经发泡等均匀孔隙化处理的高分子材料可进一步在较大范围内对其力学性能、热力学性能进行调控，广泛应用于固体导弹、航天飞机等国防领域以及现代建筑、输油管道、电子芯片等国民经济行业。

对于空间装备的防护、电子芯片的封装等使用场景，含均匀孔隙高分子材料的服役环境存在水分、氧气等敏感介质的渗透；该渗透通常加速材料分子网络的断链，造成材料模量的化学退化；材料分子网络的断链通常伴随原有孔隙的构型演化，从而带来材料模量的损伤退化。在细观有限元结构研究中，需对介质催化下模量的化学退化和损伤退化进行剥离，从而支撑分析防护涂层封装材料完好性分析、避免系统功能失效或发生故障。

现有的模量分析方法主要包括基于表征试件加载测试的离线式实验分析方法以及基于无损检测的在线式连续分析方法。

以GJB1585A-2004《聚氨酯硬质泡沫塑料》为代表的实验分析方法中，要求制备一定构型的试件开展拉伸、剪切等加载，通过施加载荷、变形等数据的处理，获得模量的等效数据。在GB/T9640-2008《软质和硬质泡沫复合材料加速老化试验方法》等加速老化方法的支撑下，可通过试件制备、加速老化、测试分析的流程获得一定老化剖面下模量的等效数据。该类离线式实验分析方法下，试件制备、加载测试均在宏观尺度进行，模量的等效数据混合了化学退化和损伤退化两部分，在原理上不支持两类退化的剥离，也无法完成老化过程的连续分析、难以提供老化全过程的可信数据。

为获得均匀孔隙、微裂纹等损伤特征对模量的影响规律，研究者在损伤力学的理论框架下发展了代表性体积单元、周期性边界条件、机电阻抗模型等技术，通过材料特征的结构化表述建立均匀孔隙特征尺寸、体积分数等信息与宏观模量的对应关系。该类方法以声发射计数、机电阻抗分析等在线无损检测技术为核心，在细观有限元分析、参数反演等手段支持下对模量的等效数据进行连续分析；由于无损检测技术的探测深度以及深度方向分辨能力有限，该类方法存在损伤特征识别精度不足、损伤退化分析量化程度不高的限制，且无法识别化学退化的影响。

针对前述两类方法不能识别化学退化的问题，以无孔隙硅橡胶为对象，构造了氧气耗散扩散-催化老化模式与硅橡胶分子网络断裂模式的顺序耦合分析方法，并提出了通过特征元素断层取样分析等手段进行数据标定的方法。该类技术以实验测试和数值仿真的复合运用为特征，解决了介质催化下化学退化过程连续分析的难题，但未涵盖孔隙对应的损伤退化过程。

综上，现有技术无法解决含均匀孔隙材料的化学退化和损伤退化并存的分析需求。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种含均匀孔隙材料老化模量分析方法和系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种含均匀孔隙材料老化模量分析方法，包括：

获取A型表征试件、B型表征试件和C型表征试件；所述A型表征试件为含均匀孔隙的微焦点断层扫描试件；所述B型表征试件为含均匀孔隙的拉伸试件；所述C型表征试件为不含孔隙的拉伸试件；

分别获取所述A型表征试件在特定老化温度下的图像数据、所述B型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据，以及所述C型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据；

根据所述B型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据，以及所述C型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据确定第一损伤退化基准模量；

对所述第一损伤退化基准模量进行拟合得到第一模量拟合结果；

获取变形数据；

根据所述A型表征试件在特定老化温度下的图像数据确定第二损伤退化基准模量；

对所述第二损伤退化基准模量进行拟合得到第二模量拟合结果；

根据所述第一模量拟合结果和所述第二模量拟合结果得到含均匀孔隙高分子材料的老化模量。

优选地，所述获取A型表征试件、B型表征试件和C型表征试件，之前还包括：

采用同批次原材料分别制备p组所述A型表征试件、p组所述B型表征试件和p组所述C型表征试件。

优选地，获取所述A型表征试件在特定老化温度下的图像数据，具体包括：

按照高分子材料的热空气加速老化试验的技术要求选取老化温度；

按照高分子材料的热空气加速老化规律，在所述A型表征试件最大寿命周期内均匀选择q个等当老化时刻；

将p组所述A型表征试件投入温度为所选取的老化温度的热空气加速试验设备中，并依据q个等当老化时刻分别依次取出每组A型表征试件；

对取出的p组所述A型表征试件分别进行微焦点断层扫描，得到扫描图像；

对所述扫描图像进行三维重构得到所述A型表征试件在特定老化温度下的图像数据。

优选地，获取所述B型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据，具体包括：

将p组所述B型表征试件投入温度为所述老化温度的热空气加速试验设备中，并依据q个等当老化时刻分别依次取出每组B型表征试件；

对取出的p组所述B型表征试件分别进行拉伸性能测试后，取每组B型表征试件的拉伸性能均值，得到所述B型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据。

优选地，获取所述C型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据，具体包括：

将p组所述C型表征试件投入温度为所述老化温度的热空气加速试验设备中，并依据q个等当老化时刻分别依次取出每组C型表征试件；

对取出的p组所述C型表征试件分别进行拉伸性能测试后，取每组C型表征试件的拉伸性能均值，得到所述C型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据。

优选地，所述获取变形数据，之前还包括：

在结构有限元分析软件中导入，经特定处理后，生成网格；所述特定处理包括几何修复；

按照高分子材料的技术规范确定模量和泊松比，并将所述模量和所述泊松比输入所述结构有限元分析软件中，施加周期性边界条件及单位载荷及设定求解参数后，进行有限元分析，获得变形数据。

优选地，所述含均匀孔隙高分子材料的老化模量为Edama(t)：

Edama(t)＝(E_D(t)+E_Dd(t))/2；

式中，E_D(t)为第一模量拟合结果，E_Dd(t)为第二模量拟合结果。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的含均匀孔隙材料老化模量分析方法，基于离线检测和顺序方针的总体思路，在分别获取A型表征试件在特定老化温度下的图像数据、B型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据，以及C型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据后，依据所获取的数据分别得到两种损伤退化基准模量，然后依据这两种损伤退化基准模量的模量拟合结果确定得到含均匀孔隙高分子材料的老化模量，进而完成对并存有均匀孔隙材料的化学退化和损伤退化的含均匀孔隙材料老化模量的分析需求。

此外，对应于上述提供的含均匀孔隙材料老化模量分析方法，本发明还提供了一种含均匀孔隙材料老化模量分析系统，该分析系统包括：

表征试件获取模块，用于获取A型表征试件、B型表征试件和C型表征试件；所述A型表征试件为含均匀孔隙的微焦点断层扫描试件；所述B型表征试件为含均匀孔隙的拉伸试件；所述C型表征试件为不含孔隙的拉伸试件；

数据获取模块，用于分别获取所述A型表征试件在特定老化温度下的图像数据、所述B型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据，以及所述C型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据；

第一损伤退化基准模量确定模块，用于根据所述B型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据，以及所述C型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据确定第一损伤退化基准模量；

第一模量拟合结果确定模块，用于对所述第一损伤退化基准模量进行拟合得到第一模量拟合结果；

变形数据获取模块，用于获取变形数据；

第二损伤退化基准模量确定模块，用于根据所述A型表征试件在特定老化温度下的图像数据确定第二损伤退化基准模量；

第二模量拟合结果确定模块，用于对所述第二损伤退化基准模量进行拟合得到第二模量拟合结果；

老化模量确定模块，用于根据所述第一模量拟合结果和所述第二模量拟合结果得到含均匀孔隙高分子材料的老化模量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的含均匀孔隙材料老化模量分析方法的流程图；

图2为本发明提供的含均匀孔隙材料老化模量分析系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种含均匀孔隙材料老化模量分析方法和系统，以能够完成对并存有均匀孔隙材料的化学退化和损伤退化的含均匀孔隙材料老化模量的分析需求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的含均匀孔隙材料老化模量分析方法的流程图，如图1所示，一种含均匀孔隙材料老化模量分析方法，包括：

步骤100：获取A型表征试件、B型表征试件和C型表征试件。A型表征试件为含均匀孔隙的微焦点断层扫描试件。B型表征试件为含均匀孔隙的拉伸试件。C型表征试件为不含孔隙的拉伸试件。

其中，A型表征试件、B型表征试件和C型表征试件的制备过程为：

采用同批次原材料分别制备p组A型表征试件、p组B型表征试件和p组C型表征试件。具体的，采用同批次原材料一次投料，制备含均匀孔隙的微焦点断层扫描试件(A型表征试件)、含均匀孔隙的拉伸试件(B型表征试件)以及不含孔隙的拉伸试件(C型表征试件)。A型、B型、C型试件均制备p组，每组子样3件。试件构型、尺寸等技术要求按微焦点断层扫描设备、拉伸测试技术要求等执行。

步骤101：分别获取A型表征试件在特定老化温度下的图像数据、B型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据，以及C型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据。

其中，上述A型表征试件的图像数据、B型表征试件和C型A型表征试件的损伤数据的获取过程具体为：

按照高分子材料的热空气加速老化试验的技术要求选取老化温度T。

按照高分子材料的热空气加速老化规律，在A型表征试件最大寿命周期内均匀选择q个等当老化时刻ti(i＝1～p)，其中t1对应初始状态、tp对应最大寿命周期。

将p组A型表征试件投入温度为所选取的老化温度的热空气加速试验设备中，并依据q个等当老化时刻分别依次取出每组A型表征试件。

对取出的p组A型表征试件分别进行微焦点断层扫描，得到扫描图像。

对扫描图像进行三维重构得到A型表征试件在特定老化温度下的图像数据Da_i(i＝1～p)。

将p组B型表征试件投入温度为老化温度的热空气加速试验设备中，并依据q个等当老化时刻分别依次取出每组B型表征试件。

对取出的p组B型表征试件分别进行拉伸性能测试后，取每组B型表征试件的拉伸性能均值，得到B型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据Eb_i(i＝1～p)。

将p组C型表征试件投入温度为老化温度的热空气加速试验设备中，并依据q个等当老化时刻分别依次取出每组C型表征试件。

对取出的p组C型表征试件分别进行拉伸性能测试后，取每组C型表征试件的拉伸性能均值，得到C型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据Ec_i(i＝1～p)。

为了提高整个分析的效率和精确性，在本发明中优选的p＝q。

步骤102：根据B型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据，以及C型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据确定第一损伤退化基准模量。第一损伤退化基准模量为E_D_i(i＝1～10)：

E_D_i＝Ec_i—Eb_i。

步骤103：对第一损伤退化基准模量进行拟合得到第一模量拟合结果。第一模量拟合结果为E_D(t)：

E_D(t)＝a+b×exp(t)

式中，a、b分别为第一损伤退化基准模量E_D_i经过指数拟合之后的结果，t为等当老化时刻，exp(t)为指数函数。

步骤104：获取变形数据。变形数据的确定过程为：

在结构有限元分析软件中导入，经特定处理后，生成网格。特定处理包括几何修复。

按照高分子材料的技术规范确定模量和泊松比，并将模量和泊松比输入结构有限元分析软件中，施加周期性边界条件及单位载荷及设定求解参数后，进行有限元分析，获得变形数据。

步骤105：根据A型表征试件在特定老化温度下的图像数据确定第二损伤退化基准模量。第二损伤退化基准模量为E_Dd_i(i＝1～p)。

步骤106：对第二损伤退化基准模量进行拟合得到第二模量拟合结果。第二模量拟合结果为E_Dd(t)：

E_Dd(t)＝m+n×exp(t)

式中，m、n分别为第二损伤退化基准模量E_Dd_i经过指数拟合之后的结果。

步骤107：根据第一模量拟合结果和第二模量拟合结果得到含均匀孔隙高分子材料的老化模量。含均匀孔隙高分子材料的老化模量为Edama(t)：

Edama(t)＝(E_D(t)+E_Dd(t))/2。

式中，E_D(t)为第一模量拟合结果，E_Dd(t)为第二模量拟合结果。

在本发明中，上述步骤涉及的微焦点断层扫描设备、热空气加速实验设备属通用设备，试件的热空气老化及拉伸性能测试、扫描图像的三维重构、结果数据的平均处理及指数拟合等均属行业公知操作，按通用技术规范及表征对象的技术要求执行。

下面以10组表征试件为例，对本发明上述提供的分析方法的优点进行进一步说明，在实际应用过程中，本领域技术人员在本发明公开的精神领域范围内进行的变动或修改均属于本发明的保护范围。

步骤1：表征试件的制备及离线检测

(1)、表征试件的制备

采用同批次原材料一次投料，制备含均匀孔隙的微焦点断层扫描试件(A型)、含均匀孔隙的拉伸试件(B型)以及不含孔隙的拉伸试件(C型)：A型、B型、C型试件均制备10组，每组子样3件。试件构型、尺寸等技术要求按微焦点断层扫描设备、拉伸测试技术要求等执行。

(2)、A型试件损伤特征的离线检测

1).按照高分子热空气加速实验的技术要求选取加速老化温度T。

2).按照高分子材料的热空气加速老化规律，在其最大寿命周期内均匀选择10个等当老化时刻、记为ti(i＝1～10)，其中t1对应初始状态、t10对应最大寿命周期。

3).将10组A型试件投入温度为T的热空气加速实验设备，在ti(i＝1～10)时刻依次取出。

4).将取出的A型试件进行微焦点断层扫描，并对扫描图像进行三维重构，获得的重构图像数据顺次记为Da_i(i＝1～10)。

(3)、B型试件的拉伸检测及两类退化联合作用的模量分析

1).在温度T下对10组B型试件进行热空气加速老化。

2).在ti(i＝1～10)时刻依次取出。

3).将取出的试件依次进行拉伸性能测试，各组子样平均处理，将各组平均值记为Eb_i(i＝1～10)，即为等当老化时刻ti化学退化、损伤退化并存的模量。

(4)、C型试件的拉伸检测及化学退化的模量分析

1).在温度T下对10组C型试件进行热空气加速老化。

2).在ti(i＝1～10)时刻依次取出。

3).将取出的试件依次进行拉伸性能测试，各组子样平均处理，将各组平均值记为Ec_i(i＝1～10)，即为等当老化时刻ti的化学退化的模量。

步骤2：含均匀孔隙高分子材料损伤退化的基准模量(无空隙的)分析

(1)、等当老化时刻ti损伤退化的基准模量分析

等当老化时刻ti损伤退化的基准模量记为E_D_i(i＝1～10)：

E_D_i＝Ec_i—Eb_i。

(2)、最大周期内损伤退化的基准模量分析

对等当老化时刻ti损伤退化的基准模量为E_D_i(i＝1～10)进行指数拟合，结果记为：

E_D(t)＝a+b×exp(t)

步骤3：损伤退化的校验模量分析

(1)、含均匀孔隙高分子材料孔隙特征(有空隙)的离线检测

1)、在温度T下对10组C型试件进行热空气加速老化。

2)、在ti(i＝1～10)时刻依次取出。

3)、将取出的A型试件进行微焦点断层扫描，并对扫描图像进行三维重构，获得的重构图像数据顺次记为Da_i(i＝1～10)。

(2)、含均匀孔隙高分子材料的有限元分析

1).在结构有限元分析软件中导入等当老化时刻t1对应的重构图像数据Da_1。

2).经几何修复等处理后，生成网格。

3).按照高分子材料的技术规范选定模量、泊松比，输入结构有限元分析软件。

4).施加周期性边界条件及单位载荷。

5).设定求解参数后，进行有限元分析，获得变形数据。

(3)、t1时刻损伤退化的校验模量分析

按照Da_1确定的几何模型尺寸，在单位载荷下按照载荷除以变形数据得到损伤退化的校验模量E_Dd_1。

(4)、其他等当老化时刻损伤退化的校验模量分析

依次重复本步骤的操作(2)、(3)，获得损伤退化的校验模量E_Dd_i(i＝2～10)。

(5)、最大周期内损伤退化的校验模量分析

对等当老化时刻ti损伤退化的校验模量为E_Dd_i(i＝1～10)进行指数拟合，结果记为：

E_Dd(t)＝m+n×exp(t)

步骤4：损伤退化模量的处理

令损伤退化模量为Edama(t)，则：

Edama(t)＝(E_D(t)+E_Dd(t))/2

综上，本发明提供的上述分析方法以含均匀孔隙高分子材料为应用对象，拟通过离线检测、顺序仿真的总体思路，解决了如下技术问题：

1、针对含均匀孔隙高分子材料化学退化和损伤退化联合作用的技术特点，发展可分别量化表述的分析方法。

2、针对空间装备用防护涂层、电子芯片用封装材料等对象全周期内精确评估的技术需求，形成连续分析方法。

此外，对应于上述提供的含均匀孔隙材料老化模量分析方法，本发明还提供了一种含均匀孔隙材料老化模量分析系统，如图2所示，该分析系统包括：表征试件获取模块1、数据获取模块2、第一损伤退化基准模量确定模块3、第一模量拟合结果确定模块4、变形数据获取模块5、第二损伤退化基准模量确定模块6、第二模量拟合结果确定模块7和老化模量确定模块8。

其中，表征试件获取模块1用于获取A型表征试件、B型表征试件和C型表征试件。A型表征试件为含均匀孔隙的微焦点断层扫描试件。B型表征试件为含均匀孔隙的拉伸试件。C型表征试件为不含孔隙的拉伸试件。

数据获取模块2用于分别获取A型表征试件在特定老化温度下的图像数据、B型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据，以及C型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据。

第一损伤退化基准模量确定模块3用于根据B型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据，以及C型表征试件在特定老化温度下进行拉伸后的损伤数据确定第一损伤退化基准模量。

第一模量拟合结果确定模块4用于对第一损伤退化基准模量进行拟合得到第一模量拟合结果。

变形数据获取模块5用于获取变形数据。

第二损伤退化基准模量确定模块6用于根据A型表征试件在特定老化温度下的图像数据确定第二损伤退化基准模量。

第二模量拟合结果确定模块7用于对第二损伤退化基准模量进行拟合得到第二模量拟合结果。

老化模量确定模块8用于根据第一模量拟合结果和第二模量拟合结果得到含均匀孔隙高分子材料的老化模量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。