微型塑料构件的力学特征值

　　在许多工业部门研制越来越小、越来越轻的系统元器件,其中微型塑料构件占有很大比例,特别是在航空、航天、医疗和汽车工程,以及测控技术中的微机械中,它逐渐取代其他的材料,并率先实现其他功能[1].一些微型塑料构件的应用实例见图1.

　　然而,重要的不仅仅是能够制造出这类微型塑料零件,还需要几何尺寸特征值.几何尺寸的缩小会导致注塑工艺制造条件的变化,由此改变了它内部的性能,它又表现在不同的力学特征值上.在大尺寸领域已经储存了大量的材料数据,特别是以数据库CAMPUS的形式[2].迄今为止的研究表明,这些从大尺寸领域获得的特征值不能简单地移植到微尺寸领域[3-5].

　　下面将详尽地关注不同的影响因子对内部特性的影响,以及与拉伸试件尺寸相关的热塑性塑料的力学性能(例如聚甲醛POM和聚碳酸脂PC).

　　1　对热塑性塑料的材料性能的影响

　　一种注塑件的适用性取决于它的几何造型、材料和其内部特性.内部特性包括内应力状态和取向状态,以及在部分结晶的热塑性塑料中的结晶度和组织结构,它明显地影响力学性能.它们表现出对加工条件强烈的依赖性[6-7].

　　1.1　取　向

　　注塑件通常表现出明显的分子取向,因为塑料熔体在加工时,在急冷时遭受很大的变形和变形速率.一种带取向的材料在力学特性上处于各向异性状态[8].由于在流动方向的取向要比其横向高1个数量级[7],人们必须把分子取向看作是对成形件特性有重要影响的因素[6].提高分子取向导致在该方向上有高的弹性模量、屈服应力和冲击韧性值,断裂延伸率则在该方向下降,而高冲击韧性应归于强度的提高.初始弹性模量随表层深度上升.表面层带有很高的取向,以致于中间部分的取向也随表层深度的增加而上升[9].

　　塑料零件中的取向通过不同的测量手段得到验证.初期使用偏振光的各向异性,这时应用许多不同的方法,如收缩测量、X射线衍射和测定双折射等[7].文献[10-13]综合给出了各种方法的适用性.解释双折射率在结晶度和应力状态上的差别通常是很难的[8-9,14].在收缩测量时,试样保温在软化温度以上,这种方法迄今为止几乎只被用于非结晶塑料的测量.作为取向性的度量,用收缩量S表示,它可从收缩时的长度变化计算得出[6,8,15].因此人们将成形件横截面的平均值作为结果.

　　1.2　内应力

　　人们把内应力或内部应力理解为成形件在无外载荷下的机械应力.注塑件中存在的内应力是在成形件冷却时形成的,不仅在模具中保压下产生,而且在脱模后空冷时的卸载状态下也产生.按照文献[7],内应力由于成形件各个层面之间相互延伸受阻产生的.热塑性塑料熔体在注塑模里冷却时出现一个与时间和位置有关的温度梯度.在内层材料缓慢冷却并继续收缩时,外层与冷的模壁接触而很快凝固.由于各层材料之间的自由延伸受阻,于是在外层出现压应力,在内层出现拉应力.