摘 要:蠕变系数A 作为评价隔热型材复合稳定性的指标具有重要意义,通过纵向剪切试验研 究了穿条式隔热型材蠕变系数的影响因素及应用。结果表明:蠕变系数A 与纵向剪切特征值TC 和纵向剪切标准差ST 高度相关,而与隔热条截面高度h无关。蠕变系数A 不应单独使用,需要联 合TC 和ST 才能更有效地对隔热型材的复合稳定性作出评价。现行国家标准中蠕变系数A 的合 格值空缺,需要大量试验数据来支持后续的修订工作。
关键词:隔热型材;穿条式;蠕变系数;影响因素
中图分类号:TU55 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)10-0023-04
隔热型材[1]是以隔热材料连接铝合金型材而制 成的具有隔热功能的复合型材,因此其复合性能(如 纵向剪切特征值TC、横向拉伸特征值QC 和蠕变系 数A 等)是影响产品质量的重要因素,也是各生产 企业关注的性能指标。隔热型材按复合方式分为穿 条式和浇注式,分别使用聚酰胺型材(即隔热条)[2] 和聚氨酯隔热胶[3]作为隔热材料。
蠕变系数 A [1,4]反映了隔热型材经过80 ℃/ 1000h持久载荷纵向剪切试验后,其高温纵向抗剪 特征值,其数值越接近1代表隔热型材的稳定性越 好。高温纵向抗剪特征值是隔热型材复合性能中最 具代表性的指标[5],按照现行国家标准的要求,其值 不小于24N·mm-1。
笔者通过纵向剪切试验研究了穿条式隔热型材 蠕变系数的影响因素及应用,以期能有效地提升国 内隔热型材企业的产品质量。
1 试验方法
该次试验中材料均为穿条式隔热型材。按 GB/T5237.6-2017《铝合金建筑型材 第6部分:隔 热型材》表13中的取样规定,每批抽取2根隔热型材,在每根型材的中部和两端各切取5个试样,试样 长度为 (100±2)mm。将 试 样 分 成 3 份 (每 份 10个),第1、2份试样分别进行室温、高温纵向剪切 试验,第3份试样放入高温持久载荷纵向剪切试验 机中进行80℃/1000h持久试验,待试验结束后取 出并对其进行高温纵向剪切试验,最后计算出蠕变 系数A。
1.1 穿条式隔热型材纵向抗剪特征值
第1份试样按GB/T28289-2012《铝合金隔热 型材复合性能试验方法》中3.1款的步骤,在温度 (23±2)℃的条件下进行纵向剪切试验,得到试样 单位长度上承受的最大剪切力T,并计算出10个试 样的平均值T??、标准差ST,再由下式计算出纵向剪 切特征值TC:
第1份试样的纵向抗剪特征值TC 记为TR C。 第2份试样的试验步骤与第1份相同,试验温度为 (80±2)℃,所得高温纵向抗剪特征值记为TN C,并 在接下来的高温持久载荷纵向剪切试验中用于确定 持久载荷的大小。
1.2 高温持久载荷纵向剪切试验
第3份试样按 GB/T28289-2012中3.6款的 步骤进行高温持久载荷纵向剪切试验,试验条件为 (80±2)℃/1000h。试样的夹持悬挂应符合 GB/ T28289—2012中3.6.5款的技术要求,持久载荷p 按下式计算[4]:
式中:p 为试验加载的载荷;L 为试样名义长度(该 次试验中的名义长度L 均为100mm)。
1.3 蠕变系数A 的测定
第3份试样完成高温持久载荷纵向剪切试验 后,按标准步骤进行状态调节,随后进行高温纵向 剪切试验得到特征值 TM C 。按 下 式 计 算 蠕 变 系 数A。
2 试验数据及分析
聚酰胺型材根据截面结构分为I型和非I型两 类[2],如图1所示,其中h为聚酰胺型材截面高度。
该次试验主要研究I型截面高度h 分别为 14.8、20、24mm 的隔热型材试样。试验结果详见 表1。
2.1 特征值TC 和标准差ST
任何产品的生产都涉及一系列质量控制,就穿 条式隔热型材而言,其质量控制主要包括:在系统设 计阶段对铝型材槽口和聚酰胺型材头部的标准化设 计;材料选择阶段使用尺寸精良、力学性能良好的材 料;加工阶段对开齿和滚压这两道关键工序的控 制[6]。GB/T5237.6-2017以一系列参数指标评价 产品质量好坏,诸如力学性能、抗老化性能及复合 性能。
在设计合理、选材合格的基础上,复合质量的关 键在加工阶段,包括开齿、穿条和滚压。研究结果表 明开齿状况直接影响隔热型材纵向剪切性能[7]:① 齿峰宽度越小、齿深越大,则(室温、高温)纵向剪切 的标准差ST 越小、特征值TC 越大;②齿峰宽度越 小、齿深越大,室温与高温纵向剪切特征值的偏差 ΔTC 越小。
造成这个结果的原因可理解为:齿峰宽度越小、 齿深越大意味着齿越尖锐,则在相同的滚压力作用 下嵌入隔热条越深,两者的结合更牢固,最终反映为 复合性能更好,抗剪特征值更大。需要注意以上结 论成立的前提是除开齿状况外,隔热型材的其他状 况一致(如铝型材和隔热条的尺寸、材料、滚压工艺 相同等),即ST 越小并不必然意味着TC 越大、ΔTC 越小。
从式(1)的数学关系可知,T?? 和ST 同向增减都 能得到相同的TC。例如:①良好的开齿状况和足够 大的滚压力能得到较大的T??,若滚压力波动大会导 致较大的ST(简称大T?? 大ST);②开齿状况不佳或 滚压力不足导致较小的T??,但滚压力波动小使得ST 亦较小(简称小T?? 小ST)。第1种情况能得到大 TC 或小TC,取决于T?? 是否大到足以消弭ST 的影 响,而第2种情况只能得到小TC。至于大T?? 小ST 和小T?? 大ST 的结论就很明晰了。
2.2 特征值偏差ΔTC 和蠕变系数A
隔热型材穿条和滚压的过程中,铝型材齿条和 隔热条挤压复合产生应力,高温时应力释放导致复 合性能变差,因此高温纵向抗剪特征值往往小于室 温纵向抗剪特征值[5],两者的偏差ΔTC 可以反映出 隔热型材复合性能的高温稳定性。蠕变试验的本质 是通过高温、加载共同时效来反映复合性能的稳定 性。蠕变系数A 是TN C 和TM C 的比值,理想状态下 值为1,用ΔA 来表征A 与1的偏离。
采用定性半定量的方法来分析表1的试验数据 结果,以 TC=40N·mm-1、ST =3.00N·mm-1、 T??=50N·mm-1、ΔTC=20%,ΔA=±15%作为数 值大、小的界定,分析结果见表2。
表2以TC=40N·mm-1为界划分为两组。第 I组TC≤40N·mm-1,数据表明小T?? 小ST、大T?? 大 ST、小T?? 大ST 均能得到小TC,呈现出大ΔTC 对应 小 ΔA,小 ΔTC 对 应 大 ΔA;第 II 组 TC > 40N·mm-1,数据呈现出在大TC 下,大 ΔTC 对应大ΔA,小ΔTC 对应小 ΔA。隔热条的截面高度h 与上述参数无明显关联。
2.3 讨论
第II组中试验编号为2、3、6、8的T?? 和ST 较 大,仍得到较大的TC,可以认为型材的开齿状况良 好,滚压力足够但波动较大,在高温、加载、时效、应力释放等作用下波动被放大,型材的复合稳定性下 降较多导致ΔTC 和ΔA 均较大;5号试验的结论看 似反常,但考虑到其T?? 和ST 均远大于同组的其他 试样,可以理解为优良的开齿状况和更大滚压力共 同作用能够很好地覆盖高温、加载、时效、应力释放 等影响,从而使复合稳定性下降较少;9号试验的 ΔTC 和ΔA 均较小是得益于较小的ST,即波动引起 的复合稳定性下降不严重。事实上,9号试验呈现 的参数关系是最理想的隔热型材模型。
第I组的TC 较小,说明开齿状况、滚压力大小 和波动的综合效果不佳,最终必然影响复合稳定性。 4号试验的ST 远大于1、7号试验的,长期来说应该 更不稳定,ΔTC 和ΔA 的不一致很可能与应力释放 的时效有关,但这一猜测需要更多试验数据来证实。 蠕变试验更像加强版的高温纵向剪切试验,除了高 温还加入了载荷与时间,更严苛地测试隔热型材复 合性能的稳定性。
蠕变系数A 的意义在于衡量隔热型材复合性 能在经历高温、加载时效后的稳定性,国家标准中加 入这项指标,对丰富产品的评价维度有积极意义。 但这项指标应与其他指标(特别是TC 和ST)综合 使用,才能使评价结果更有效。
3 结论
(1)蠕变系数A 作为评价复合稳定性的指标, 与隔热条截面高度h 无明显关联,但与纵向剪切试 验的指标关系密切。
(2)由于隔热型材的开齿状况、滚压力与波动 直接影响纵向剪切特征值TC 和纵向剪切标准差 ST 的大小,可以推断其亦是影响蠕变系数A 的重 要因素。蠕变系数A 不应单独使用,至少需要联合 TC 和ST 才能更有效地对隔热型材的复合稳定性 作出评价。高温纵向抗剪特征值仍然是最便捷的评 价指标。
(3)现行国家标准中蠕变系数A 的合格值空 缺,后续的修订完善工作需要大量试验数据支持。
参考文献:
[1] 全国有色金属标准化技术委员会.铝 合 金 建 筑 型 材 第6部分:隔热型材:GB/T5237.6-2017[S].北京: 中国标准出版社,2017.
[2] 全国有色金属标准化技术委员会.铝合金建筑型材用 隔热材料 第1部分:聚酰胺型材:GB/T23615.1- 2017[S].北京:中国标准出版社,2017.
[3] 全国有色金属标准化技术委员会.铝合金建筑型材用 隔热材料 第2部分:聚氨酯隔热胶:GB/T23615.2- 2017[S].北京:中国标准出版社,2017.
[4] 全国有色金属标准化技术委员会.铝合金隔热型材复 合性能试验方法:GB/T28289-2012[S].北京:中国 标准出版社,2013.
[5] 黄显芝,詹浩,李扬.穿条式铝合金隔热型材纵向剪切 性能分析[J].中国金属通报,2017(增刊):183-201.
[6] 黄日勇.穿条式隔热型材质量控制要素[J].中国金属 通报,2017(增刊):374-376.
[7] 李强,张洪亮.隔热型材开齿工艺对复合性能的影响 [J].中国金属通报,2017(增刊):387-390.