了解和管理塑料材料中的蠕变

塑料在各行各业都有广泛应用。它们便宜、轻便，可以用来做很多不同的事情。但是，和其他材料一样，塑料也有问题。最大的问题之一就是所谓的 "蠕变"。当塑料制品受到持续的力或热作用时，蠕变会使其失效或工作不良。

本文将详细讨论蠕变问题。我们希望帮助工程师和设计师更好地理解蠕变，从而在工作中运用这些知识。这些知识对于确保汽车零件和医疗设备等产品的可靠性和安全性非常重要。我们还将把蠕变分为不同的类别，研究蠕变的原因，并讨论如何解决蠕变问题。

什么是塑料材料中的蠕变？

在塑料材料中，蠕变是一种变形过程，其速率易受施加在塑料上的应力、时间和温度的影响。感性弹性变形发生在使用负载的初始阶段，并在解除负载后立即恢复。另一方面，蠕变即使在标准条件下也会发生。这种情况在塑料中更为明显，因为它对温度变化和机械应力更为敏感。

蠕变发生在粘弹性材料中，由于热量或应力的作用，会随着时间的推移不断发生变形。这种行为在加载应用中尤为明显，包括管道、结构部件或密封元件在受力或温度波动的情况下。它会导致材料伸长、下垂或翘曲。因此，必须了解蠕变，才能确保塑料部件在这种环境下安全运行。

塑料中为什么会产生蠕变？

塑料中的蠕变源于其行为，与粘弹特性有关。粘弹性是指材料同时具有弹性固体和粘性液体的特性。传统材料在负载作用下具有弹性变形能力。如果载荷保持不变，随着时间的推移，进一步缓慢稳定变形的能力被认为是 "恶性 "的。这种特殊行为取决于许多因素，如应力大小、当时的环境温度或塑料种类。

影响蠕变的关键因素

1.压力水平

塑料材料的应力程度决定了材料的蠕变速度。塑料零件在某一时刻会经历较高的应力水平。这种应力会使分子链更容易相互滑动，从而导致随着时间的推移逐渐变形，而不是导致分子键断裂。这最终会导致快速和更大的变形。例如，在塑料支架或横梁上施加过大的力会导致其下垂或伸长，其速度比承受中等负荷的支架或横梁要快得多。

由于材料的屈服强度有限，当载荷增加到较高水平时，材料抵消蠕变的能力就会下降。在这种情况下，就需要对应力进行管理。

应力还会影响内部分子链碰撞的产生和材料的进一步逐渐流动。这种分布会导致塑料材料的结构强度下降，因此从价值上讲，塑料材料很可能会在一段时间后失效。

工程师采用的措施包括分散负载以减少应力集中、增加部件的横截面或选择抗压性更强的塑料。由于认识到应力和蠕变的影响，因此在某些应用中可以使用不会快速变形的塑料，重点关注部件的结构失效。

2.温度

蠕变的关键因素之一是温度。热通常会降低材料的硬度，使其在机械应力作用下更容易变形。随着温度的升高，塑料的分子结构变得更具流动性，使材料更容易变形。

实际上，塑料在温度升高时结构会发生变化。分子结构和分子键被压缩，使分子可以四处滑动。这种流动性的增加降低了合理加载应力的能力，并缩短了发生蠕变的时间。例如，热水系统中的塑料管道很可能比室温下的类似管道下垂得更厉害。

相对于温度而言，蠕变程度会因塑料类型及其独特属性而异。例如 过渡温度 (Tg) 和熔点决定了发生蠕变的可能性。例如，聚乙烯的 Tg 值较低，因此在中等温度下容易变形，形成蠕变。

聚醚醚酮等高性能塑料比其他形式的塑料更耐热。

管理温升的方法有多种，例如在产品设计中使用防热材料或增加隔热组件。工程师还要确保操作环境温度不会引起蠕变。

3.材料类型

不同类型的塑料在分子结构上存在差异。聚乙烯（PE）等聚合物的分子间作用力较弱，Tg 值较低。这些材料在中等温度的静态负载下更容易发生蠕变。它们具有长线性分子，可以相互移动并发生逐渐变形。

出于同样的原因，聚碳酸酯（PC）等工程塑料的分子结构更加有序，热稳定性比标准塑料更好，因此具有更好的抗蠕变性。在长期高压和高温条件下，它们仍能保持机械特性、稳定性和坚固性。因此，这类材料适用于高压缩用途。

考虑到不同类型塑料在蠕变过程中的差异，工程师们很容易就能确定最佳塑料。

测量蠕变

工程师通过蠕变曲线来测量蠕变。这些曲线显示了材料在常规载荷下的变化情况。技术人员通过蠕变试验获得这些曲线。蠕变试验是指技术人员对材料施加一定的负载或应力，并在一段较长的时间内定期测量应变。时间从数小时、数天到数月不等。

我们得到的图表显示了蠕变的三个不同阶段。在第一阶段，我们称之为初级阶段，材料一开始会快速变形，但随后变形会变得稳定。第二阶段或称次生阶段，变形速度缓慢而稳定。在最后一个阶段，即第三阶段，变形速度会非常快，最终导致材料失效。

通过这些曲线，工程师和研究人员可以了解材料在长期使用后的性能。它们还能指导评估材料在实际使用条件下的性能，并就材料在各种应用中的使用做出正确的决定。

典型蠕变试验的步骤

蠕变测试包括以下过程：

1.施加固定负载

测试时，首先在材料的测试样本上施加恒定的载荷，或按材料屈服强度的百分比施加应力。技术人员精确施加载荷，在整个样品上施加类似的压力。该负载代表材料可能经历的实际负载条件，包括承受静态负载或克服稳定负载。

2.监测随时间变化的应变

在施加负载后，技术人员会监测材料在规定时间内频繁改变形状的能力。这种监测可持续数小时、数天到数周。在测试过程中，技术人员会使用应变片来监测材料形状的细微变化。

由于热量会影响试验环境中蠕变的流动，因此在试验过程中要保持温度恒定。这一阶段包括定期测量材料随时间发生的变形，以捕捉蠕变三个阶段的变化。

3.创建蠕变曲线

技术人员收集数据并以垂直时间轴和应变轴图表的形式呈现。由此得出的蠕变曲线清楚地说明了材料在恒定应力下的蠕变行为。工程师可以从该曲线中推断出各种特性，包括第二阶段的蠕变速率和第三阶段的失效时间。通过了解这种行为，工程师和研究人员可以确定材料是否能满足长期预期，是否适合建筑、航空航天或汽车等特定应用。

蠕变的真实案例

人们最熟悉的蠕变是塑料管道中的蠕变。它们产生于水管和灌溉渠中的塑料输水管。这些管道会承受稳定的内部水压，因此材料会承受持续的负荷。最终，水压会对管道造成压力，在没有加固措施的情况下，管道在伸长的地方会发生悬挂或形状改变。例如，暖气系统中的高温会比普通家庭的温度更快地将管道推向伸长或失效的边缘。

了解蠕变的概念有助于工程师选择正确的材料，如交联聚乙烯 (PEX)。

蠕变也会影响汽车部件，尤其是那些易受高温和应力影响的部件。例如，由 ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）制成的仪表板和内饰在几年内就会褪色，失去最初的形状。这些部件会受到机械应力和阳光热量的照射，看起来很不美观，而且会影响操作。汽车设计师通过使用耐热材料、加固材料或改变应力集中的方法来缓解这一问题。

蠕变是医疗设备中的一个复杂因素，因为安全性和可靠性至关重要。例如，假肢装置必须使用轻质聚合材料来实现轻质结构。这些材料必须在多年使用后保持结构和性能稳定。如果材料的抗蠕变性不高，病人的体重和运动造成的循环负载会导致负载逐渐变形。为了控制这种风险，制造商采用聚醚醚酮（PEEK）等高性能聚合物来制造设备。他们还在设备设计中加入了复合材料，使其更耐用、功能更持久。

尽量减少蠕变的设计策略

减少上述塑料材料蠕变的措施首先是材料升级，例如增强塑料。在聚合物中添加玻璃纤维或碳纤维可改变其机械性能。这些元素可提高材料的抗压能力。这些增强材料使聚合物链难以移动，因此从长远来看，它们可以相互滑动。例如，玻璃纤维增强尼龙主要用于汽车行业和一些工业产品。这些部件具有很高的机械负荷。 

另一种管理技术是通过负载分担的方法减少部件中某一点的应力。应力提升区--受力密度高的区域--会加剧塑料的蠕变。工程师通过避免尖角和几何形状之间的渐进过渡来克服这一问题。工程师还在负载路径上加入肋条或法兰等设计特征，以增加负载表面积。例如，在塑料管道系统中，工程师在提供支撑时要尽量减少支撑之间的下垂。最后，要减少蠕变，必须选择高性能的聚合物。高玻璃化转变材料（如 PEEK、聚碳酸酯和聚四氟乙烯）具有出色的抗变形能力。这些新一代聚合物通常适用于严苛的条件，如航空航天或医疗应用。这些应用不需要在压力和热量下长期保证可靠性。

不同条件下的蠕变行为

塑料的蠕变方式不尽相同。下表考虑了不同环境下的蠕变率。

常见塑料的蠕变行为比较

下图显示了几种塑料在 25°C 条件下 2 兆帕恒定应力下的蠕变率。聚四氟乙烯的蠕变率值最低，表明它几乎不会随时间发生变形。聚苯乙烯的蠕变率值最高，表明其随时间的推移极易变形。

其他塑料的强度，如 高密度聚乙烯和低密度聚乙烯, 高密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、尼龙和 PC 的抗蠕变能力各不相同，塑料之间也存在差异。高密度聚乙烯和尼龙比低密度聚乙烯和聚苯乙烯的抗蠕变能力更强。.

结论

了解蠕变的原因、将蠕变程度降至最低的方法以及蠕变对结构的影响，有助于工程师选择塑料材料。他们可以了解塑料在制造聚合物部件的行业应用中的用途。通过对塑料进行适当的加固、充分分配载荷以及正确使用高性能聚合物，工程师们可以在很大程度上减少蠕变对其产品的影响。

即使是在管道、汽车甚至医疗领域的应用中，本文也表明工程师和设计师可以通过适当的选择开发出合适的设计。即使在随时间变化的长期应力条件下，塑料部件的性能也能在蠕变影响很小的情况下得到提高。