短波纤填充聚合物材料(FRTs)广泛应用于汽车零部件中。该材料使用量巨大,对汽车制造成本和性能影响大。该材料主要以注塑成型的方式进行加工。伴随汽车轻量化的发展,汽车零部件的结构更加复杂,该材料的薄壁部件的设计与加工越发受到重视。因此,理解该材料在狭窄流道和薄壁加工中的“流道设计-加工流场-材料结构”的关系和流变机理更为紧迫。
基于上述工业需求,在广州金发科技有限公司和荷兰皇家帝斯曼集团的支持下,上海交大俞炜教授、金发科技黄险波和李本科博士对“短玻纤填充聚合物材料在狭窄流道和薄壁加工的流变机理研究”进行了深入研究。
针对以上问题,本研究选用短玻纤填充低粘度聚合物PEB作为研究对象,基于流变仪搭建了在线示踪平台,并拍摄了浓玻纤体系的纤维翻转运动视频,创新了视频分析及图像处理方法,结合表观流变数据、三维XCT分析、模型计算等,定量化测量了壁面效应的影响范围,发现已有模型无法描述壁面效应下的纤维取向和翻转行为,进一步观测到该体系在强剪切应力下出现“三相剪切带”现象和拥堵行为,并通过相图描述该现象。该研究为理解该体系在狭窄流道和薄壁加工提供了定量实验基础。
图1.(a)粒子示踪(PTV)与旋转流变仪联用的装置示意图。(b)粒子示踪装置拍摄到的图片,该图片中玻纤含量20 wt.%。黑色的纤维是镀银的玻纤,被用于示踪粒子。(c)开发的用于追踪纤维轨迹的软件,已经开源于:https://github.com/libenke/VideoFiberTrack。
图2.在应力较低时(σ=100pa)。(a)对玻纤在简单剪切流场下的翻转轨迹的拟合结果。拟合公式为:。拟合参数αeff表示纤维翻转的快慢,αeff值越大纤维翻转越快。(b)纤维翻转速度αeff与距离壁面的距离y*的关系。实心图形是实验结果,虚线是模型预测结果(利用球谐函数对该模型进行数值求解的源码已开源于:https://github.com/libenke/FiberRheoModels)。实验结果通过公式拟合出的ξtumble,表示壁面效应的影响厚度。(c)壁面效应的影响厚度ξ与纤维体系αrΦ的关系。
图3. 不同应力下(σ=100pa,σ=1200pa)玻纤翻转速度分布图(拟合参数~玻纤位置y/H)。H为平行板的间距:(a)H=0.5mm(b)H=1.0mm(c)H=2.0mm。
图4. 不同应力、间距、应变下的速率分布图(速率υ/υmax~位置y/H)。(a)剪切应力σ=120pa,平行班间距H=0.5mm。(b)σ=2400pa,H=0.5mm。(c)σ=2400pa,H=1.0mm。(d)σ=2400pa,H=2.0mm。
图5. 剪切应变γ=11时的三维XCT照片。(a-c)分别是三个不同剪切平面的照片,(d)为立体图。(e)为三维XCT经过“图像分割-统计处理”得到的取向张量A各分量,虚线代表刚经过预剪切,实现代表反向剪切应变γ=11。三维XCT的纤维分割算法已经开源于:https://github.com/libenke/CT_FiberSegmentation。
图6. PEB/GF体系在瞬态反向剪切下的相图。蓝色代表均匀流动,绿色代表剪切带,红色代表拥堵。平行板间距为(a)H=0.5mm(b)H=1.0mm(c)H=2.0mm .
原文链接:
https://doi.org/10.1122/8.0000292https://doi.org/10.1039/D3SM00943B