塑料泊松比测试标准与测试条件的简要探讨

胡金妮，郭 乔，宋蓓蓓，吴 博

(金发科技股份有限公司分析测试中心，塑料改性与加工国家工程实验室，广东广州510663)

弹性模量和泊松比是用来表征材料力学行为的两个重要参数［1］。泊松比的定义为材料在特定方向上受到拉伸时的横向应变与纵向应变比值的负值［2］，其物理意义为试样收缩变形时的体积变化。泊松比越小，材料的拉伸体积变化及膨胀越大。对于均质材料，在其线性弹性范围内，该比值理想上应该为恒定值。在所有有关材料泊松比的研究中，关键的问题是泊松比的准确测定。除了测试本身对设备的高精度要求，不同的条件设置也会影响测试结果。而在通用的ISO 527:2012 标准中，并未明确提出泊松比的测试条件。因此本文将从引伸计间距、测试速率以及取值范围方面进行探索研究。

1 试验部分

1.1 试验材料

ABS 原材料121;PA6 -30GF

1.2 主要仪器及设备

注塑机，CJ830 型，中国震德塑料机械有限公司;电子万能试验机，型号:BT2-FR020TEW. A50，德国Zwick/Roell 公司;横向引伸计，德国Zwick/Roell公司，精度等级:1，分辨率:0.01μm;纵向引伸计，德国Zwick/Roell 公司，精度等级:0.5;数显千分尺(0 ～25mm)，桂林广陆量具厂。

1.3 试样结构及试验方法

采用ISO 527 -2:2012 标准规定的1A 型哑铃型试样，在温度23℃，相对湿度49.8%的条件下调节48h 后，参照ISO 327 -2:2012 标准进行不同条件设置下的测试。

2 结果与讨论

2.1 标距对测试结果的影响

根据泊松比的定义，需要同时监控拉伸方向与垂直于拉伸方向的样条尺寸变化。因此泊松比测定的准确性通常受到纵向横向应变测试准确性的限制［3］。而轴向与纵向的数据监控是通过引伸计得到的。

在标准GB/T 1040.2 -2006(等同采用ISO 527 -2:1993)中，要求纵向引伸计的标距为50mm，在更新版的国际标准ISO 527 -2:2012 中，则推荐使用标距为75mm［4］。

表1 标距对拉伸性能的影响Table 1 The effect of gauge length on tensile properties

表1 为在1mm/min 的拉伸速率下采用不同标距测试得到的数据。当纵向引伸计的标距由50mm增加到75mm 时，拉伸模量与泊松比的变化都不大。说明在试样中间平行段范围内，纵向引伸计标距的设置对其影响不大。

2.2 不同拉伸速率对测试结果的影响

标准GB/T 1040.2 -2006 与ISO 527 -2:2012都未明确提出泊松比的测试速率要求，只是规定模量测试速率为1mm/min。而在ASTM D638 -2010的附录A.2 中严格规定了泊松比的测试速率。在移开引伸计前以5mm/min 的速度测试达到0.5%的应变，同步测量应力和应变并记录数据，同时建议数据收集速率至少为20 点/秒。这对表现出非线性应力应变曲线的材料尤其重要。因此，我们选择了1mm/min、5mm/min 以及10mm/min 的速率研究其对拉伸模量和泊松比测试的影响。

表2 拉伸速率对拉伸性能的影响Table 2 The effect of tensile rate on tensile properties

从表2 可以看出，对于ABS 和PA-GF30 两种材料，随着拉伸速率的增加，拉伸模量随之增加，而泊松比的结果则表现出无规律性。我们进而采用标准方差来表征泊松比测试结果的离散性。当拉伸速率为5mm/min 时，泊松比测试结果的标准方差最小，说明离散性小。结果最为满意。而当拉伸速率为10mm/min 时，泊松比的测试结果标准方差增至最大，说明数据波动很大。这可能是由于在速度较大的情况下，引伸计监控时间过短，尤其是横向方向测试会出现一定偏差。

2.3 不同的取值范围对测试结果的影响

根据标准ISO 527 -1:2012，建议在拉伸模量的测试范围外取值，推荐取值起点最好为应变≥0.3%。而根据ASTM D638-2010，要求在应变0.5%的范围内，同步测量应力和应变的数据，如果曲线是线性的，可以在比例极限内的线性部分任意段取值，如果曲线为非线性，则在0.05% ～0.25%范围内取值。为了确认较通用的取值区间，我们分别选择标距75mm，拉伸速率5mm/min 进行测试，同时考虑到试样在初始夹持时会发生微小的滑移导致曲线在应变0.3%前出现轻微波动，分别对两种材料在0.3% ～0.8%应变范围内取值，并进行线性拟合，如下图所示:

图1 取值范围对泊松比测试结果的影响Fig.1 The effect of value range on Poisson′s ratio

由图1 可知，对ABS 试样的横纵向应变曲线进行线性拟合，拟合度达到0.99987，拟合得到的曲线斜率即泊松比，为0.426，而我们在0.4% ～0.6%应变范围取值得到结果为0.422。同样的，对于PA-GF30 试样，其线性拟合达到0.99999，曲线斜率为0.416，也与测试得到的结果基本吻合。说明在0.3% ～0.8%的应变范围内进行取值可以满足大部分材料的测试需求。

3 结论

(1)对于ISO 527 -1 标准中的1A 型样条，按照标准选择50mm 与75mm 的标距对泊松比测试结果影响较小。

(2)随着拉伸速率的增加，拉伸模量逐渐变大，而泊松比的变化呈现无规律性。但是采用ASTM D527-2010 推荐的5mm/min 的拉伸速率时，同组样条的数据波动性较小。建议对于ISO 样条，可优先采用5mm/min 的测试速率。

(3)在应力应变曲线上不同的取值范围会得到差异较大的数据。但是在其线性范围内，数据较稳定。推荐采用应变取值范围在0.3% ～0.8%之间，会得到较理想的测试结果。

［1］何曼君. 高分子物理［M］. 复旦大学出版社，2000:297.

［2］国家质量监督检验检疫总局. GB/T 1040.1 -2006 塑料拉伸性能的测定第1 部分:总则［S］.北京:中国标准出版社，2006.

［3］American Society for Testing and Materials. ASTM D638 -10 Standard test method for tensile properties of plastics［S］. West Conshohocken:ASTM International，2010.

［4］International Organization for Standardization. ISO 527 -1:2012 Determination of tensile properties Part 1:General principles［S］. Geneva:ISO Central Secretariat，2012.