新的复合泡沫静水性能测试方法

新的复合泡沫静水性能测试方法

1、摘要

静水特性对于表征海底应用中的复合泡沫具有重要意义，但由于缺乏标准的测试方法和仪器，它们很少被研究。一种新的方法基于压力积累和水输入来表征句法泡沫的静水特性，已经建立了一个标准和易于访问的测试系统零件和部件，对两种类型的复合泡沫进行了演示实验。研究了初始压力循环对体模量的影响，与众不同的试验结果揭示了两种复合泡沫的静水屈服和挤压行为。第一类复合泡沫，由较轻但较弱的玻璃泡组成，表现出由填料性能主导的静水压缩行为。第二类复合泡沫是由较强但较重的玻璃泡沫组成的，表现出灾难性的后果，物理破坏机制包括玻璃气泡的破碎和基体材料的破坏。利用所开发的试验方法，进一步研究了其静水特性复合泡沫是可能的。

2、引言

合成泡沫是由轻质填料和聚合物基体组成的复合材料，在海洋油气、风能和科学勘探等领域，它们被广泛用作深海浮力材料。随着工作水深的加深，复合泡沫的性能、质量和可靠性在整个系统设计中越来越重要。因此，表征复合泡沫的力学性能成为研究的热点。

许多研究人员研究了句法泡沫的单轴压缩特性[1-5]。然而，复合泡沫在海底应用中的真实应力状态是静水压力，令人惊讶的是，那里关于复合泡沫的静压性能，如静压抗压强度和体积模量，发表的工作很少。造成这种短缺的一个原因是缺乏标准静水性能的RD试验方法和仪器，用于测试静水压强度的ASTMD2736-78[6]和用于测试体积模量的ASTMD2926-70[7]被撤回了几十年以前没有替代品。撤回的标准中提到的仪器，即高压活塞缸，在商业上是不可用的，很难在家里建造。一些研究人员，比如作为Kim和Kang[8]，Moreu和Mills[9]，Morre等人[10]和Viot[11]，开发用于聚合泡沫的特殊用途静水测试器。然而，它们不直接适用于测试复合泡沫感兴趣的性质。Gall等人[12]提出了一种基于浮力损失测量的复合泡沫静水强度和体积模量的表征方法。该原理和方法是可行的，但仪器涉及昂贵的现场传感器，如压力补偿称重装置，这是不广泛可用的。

为了研究复合泡沫的静水特性，提出了一种基于压力积累和水输入量的新测试方法。原则很简单，仪表是简单的，由标准的和易于访问的部件组成。通过对两种玻璃/环氧复合泡沫的测试，证明了该方法的有效性，它们独特的氢化物研究了TATIC行为，并确定了它们的体积模量和静水压强度。

3、方法

在静水载荷作用下，两种失效机制在复合泡沫中占主导地位。一种是聚合物基体与无机填料之间的脱粘，从而导致水的渗透。Th另一种是屈曲，然后是填料产生的空心细胞的塌陷。在现实生活中，这两种机制并存，无法区分。在静水试验中，在固定体积的高压室中，这两种失效机制都表现为体积变化与压力积累之间的速率变化，如图所示1。

理想情况下，压力V.S.体积有三个不同的区域复合泡沫的变化曲线，如图所示1，第一种是泡沫在静水压力下弹性变形的“弹性区；第二个是细胞所在的“屈服区在泡沫里开始崩溃；第三个是“破碎区”，泡沫中几乎所有的细胞都被压碎，泡沫在静水载荷下基本上表现为基体材料。在这种行为下，可以通过绘制压力VS.体积变化来确定句法泡沫的静水强度。静水强度是在泡沫所在的压力下定义的从“弹性区”过渡到“屈服区”。体模量定义为“弹性区”内静水压力与体积应变之间的变化率，如图所示方程（1）中。

其中，K是体积模量，ΔP是静水压力的变化，ΔV是复合泡沫体积的变化，V是复合泡沫的未变形体积。体积的变化复合泡沫的e不能很容易地在原位测量，但它可以通过从输入的水的总体积中减去一定压力下水的体积变化来计算。在水的体积可以确定通过加压室与一个钢虚拟样品在其中，通过虚拟样本运行确定的曲线可以作为基线，并且是特有的测试系统和测试温度。值得注意的是，复合泡沫，尽管是封闭的泡沫，确实吸收了少量的水，最初接触水和加压。这个主要是由于加工和/或制造缺陷造成的表面微观开放细胞，为了准确，需要消除卫星吸水量小的影响在进行测量之前，通过多次静压加载和卸载循环对测试样本进行检测。

4、仪器仪表

测试系统的仪表如图所示2。由四个主要部分组成：

（1)蓄水池及其称重装置；

（2）抽水系统；

（3）高压室；

（4）d ATA采集和测井系统。

显然，所有零件和部件都可以很容易地获得或内置。在下面的演示实验中，测试系统由一个1-L塑料组成油箱，电子天平模拟输出，精度0.01g，Maximator™气动柱塞泵，可调泵浦速率，5L体积高压室，额定为150MPa带有24VDC模拟输出的Tronic压力传感器、NI™USB数据采集板和带有LabView程序的笔记本电脑，所有测量装置均按ISO71025要求进行校准和检查TS。

5、实验

对两种玻璃/环氧复合泡沫进行了演示实验，以确定其静水压强度和体积模量，统的组成和性质硬质泡沫如表1所示。样品从散装材料加工到50毫米50毫米100毫米的尺寸，在实验室环境中条件为23℃，50%RH至少在测试开始前24小时，试验采用自来水，每个等级至少测试5个样本。

应注意的是，样品应占据大量的测试室，以获得准确的测量压力变化和水的输入。灵敏度相对于样品与腔室之间的体积比的测量结果取决于特定的测量装置和系统特性。

在测试任何复合泡沫样本之前，系统使用与复合泡沫样本相同大小的钢虚拟样本运行房间。在加压之前，通过将水泵入排气口打开的气室中，直到没有更多的气泡出来，该气室被解除了配对，泵的泵送速率为5MPa/min的压力积累速率。因此，获得了一个描述压力积累与水输入体积的基线，如图3所示。用于水的体积模量和在压力和测试温度下室和管道的膨胀，基线包括水的体积模量、包括腔室和管道在内的系统膨胀和泵的特性的综合影响。在莱克斯公司下联合效应，系统基线可能不是完全线性的。在本研究中，基线曲线可以用多项式方程紧密拟合，如图3所示。如前所述，这一点基线曲线是测试系统和测试温度特有的，不应作为通用基线。注意到，在下面的测试结果展示中，c卷从水输入的总体积中减去水的变化，以产生复合泡沫和体积的变化。

为了消除泡沫中初始吸水率的影响，在系统WA之前对样品进行了5次压力循环，最高可达静水抗压强度的一半加压到最大测试压力。还记录了压力循环中的压力和水输入数据，以研究初始水ABSO过程中句法泡沫的行为冒险。

图1. 句法泡沫的理想化静水压缩行为。

图2. 说明静压试验系统。

表1. 合成泡沫样品

图3. 室温下测试系统的基线。

图4. 静水压力循环在(A)I型和(B)II型句法泡沫上。

图5. 句法泡沫中体模量随压力循环的变化：(A)I型和(B)II型

6、结果和讨论

6.1 Bulk modulus

图中给出了I&II型复合泡沫样品在压力循环作用下的静水压力V.S.体积应变曲线。分别为4(a)和(b)。在数字中，Cy在循环#6中，CLES#1至#5是初步的载荷循环，在将其带到最大试验压力之前，该压力是样品的静水强度的大约一半，而不是它的完整形状。可以在图中看到，4(a)当压力V.S.应变曲线的斜率增大时，初始压力循环对I型复合泡沫的静水行为有显著影响。有循环次数的ES，随着压力循环的明显增强效应可以用泡沫的初始吸水率来解释。由于水占据暴露的开放细胞和缺陷，在泡沫中，通过置换空气，泡沫的表观刚度增加。是否还有其他机制有助于强化效果，需要进一步研究。在II型句法泡沫中，效果似乎要少得多，这可能是由于II型句法泡沫的刚度要高得多，这使得差异似乎很小的变化，两种类型的体积模量随压力循环的变化复合泡沫如图5(a)和(b)所示。

两种类型的复合泡沫都表现出随着压力循环次数的增加而增加的体积模量，从循环#1到循环#4的体积模量的增加在达到as之前尤为突出循环#5和循环#6中的稳定性。由此得出结论，至少需要5个压力循环才能准确测量复合泡沫的真实体积模量。第二类复合泡沫，其中由更强、更致密的填料组成，但具有相同类型的基体材料和填料体积分数，体积模量比I型复合泡沫高两倍以上，表明填料的性能对复合泡沫的体积模量有主导作用。

6.2 静水压强度

复合泡沫的完全压力V.S.体积应变曲线如图所示6(a)和(b)，从图中可以看出，I型和II型句法泡沫具有明显的h静电挤压行为。在I型句法泡沫中，显示了一个本质上是“平坦”的屈服区，它表示填料的连续破碎，即玻璃气泡。因此，对于I型句法泡沫，其静水抗压强度完全取决于玻璃气泡的强度；在第二类合成中，IC泡沫在其屈服区可以观察到明显的压力下降，这表明了一个灾难性的失败，包括玻璃气泡的破碎和MATR的失效九种材料，即环氧树脂。这种差异在破坏机制中，可能是由于II型句法泡沫的抗压强度高得多，在如此高的压力下，内部细胞的崩溃导致了内部细胞的失效基体材料，这进一步导致更多的玻璃气泡崩溃，没有基体的支持，如链式反应。第二类复合泡沫的静水抗压强度因此，在产量区域的最低可持续压力下保守地确定。这两种类型的复合泡沫的粉碎样本的图片如图7所示。灾难性的失败在II型复合泡沫中，URE机制是明显的，如样品中的裂纹和断裂部分所示。粉碎的I型复合泡沫样本通常是完整的，尽管很大玻璃气泡破碎引起的变形和吸水率。这两种类型的静水压缩性能，即体积模量和静水抗压强度复合泡沫总结在表2中。