第1 章光弹性模型材料配制、模具制作、浇铸和固化方法

1.1 概述

光弹性效应早在1816 年就被发现，但光弹性法被广泛地应用于解决工程实际问题还是20 世纪30 年代的事，其主要原因是缺少合适的模型材料. 以前曾使用酚醛树脂(如Catalin{800)、丙苯树脂(如Bakelite BT.61{893)、丙烯树脂(如CR{39)和聚酯树脂(如Marco)等作为平面模型材料[1?6].

1951 年以后，出现了以环氧树脂为基的各种新型光弹性材料，这种材料可以制成平板和浇铸成立体模型，并能冻结应力. 在室温及冻结温度下，它具有较高的光学灵敏度和比例极限，蠕变和时间边缘效应也较小，且易于加工，同时也可以黏结.

后来又出现了聚碳酸酯的新型光弹性材料. 它的光学灵敏度很高，透明度很好，时间边缘效应也很小. 它是室温平面应力模型光弹性实验的优良材料[7].

光弹性模型材料的性能和质量将直接影响实验的进行和测试精度. 因此，掌握光弹性模型材料的制造工艺及其性能的测定是非常重要的.

1.2 制造环氧树脂光弹性材料的原料配比

1.2.1 环氧树脂

凡含有环氧基团的高分子聚合物统称环氧树脂. 根据浓缩程度不同，环氧树脂的颜色和黏度都有所区别. 分子量不同，其用途也不同. 光弹性材料常用的环氧树脂牌号#618、#6101、#634. 三种环氧树脂的质量指标见表1.1 所示. 其中以#618 颜色最浅，流动性好. #634 颜色最深，流动性最差. 选用#6101 者居多.

1.2.2 固化剂

固化剂的作用是使环氧树脂由线型高聚物固化成为立体网状结构. 光弹性环氧树脂材料的固化剂分为室温固化剂与高温固化剂两种. 常用的室温固化剂是胺类固化剂，如乙二胺、二乙烯三胺和三乙烯四胺等，其中乙二胺产生的固化反应热量大，会产生较大的固化初应力，所以一般不常用. 高温固化剂常使用有机酸酐固化剂，如顺丁烯二酸酐，它是一种白色结晶体，具有刺激性，能升华，易吸潮. 其含量、熔点及杂质见表1.2.

制造光弹性薄片材料(厚度小于2mm)或曲面光弹性贴片材料使用室温固化剂. 制造光弹性板材和三维光弹性模型，如果使用室温固化剂，则由于固化反应热量大，温度场不均匀，散热也慢，会产生较大的初应力，故选用高温固化剂.

1.2.3 增塑剂

单纯添加固化剂固化了的环氧树脂材料，性质较脆，给机加工带来困难. 为了提高其塑性，通常再添加一定量的增塑剂，如邻苯二甲酸二丁酯是良好的增塑剂. 它是一种无色、透明液体，不溶于水，化学纯的含量在99.5%，挥发分在0.3%以下. 添加增塑剂还可以起到稀释环氧树脂的作用.

1.2.4 原料配比

1. 室温固化的原料配比

表1.3 给出原料配比和用其制成的光弹性材料的性质.

2. 高温固化的原料配比

根据高分子反应原理，100g 环氧树脂中顺丁烯二酸酐的适用量按下式计算：顺丁烯二酸酐用量= 环氧树脂的环氧值￡ 顺丁烯二酸酐的分子量￡k式中，环氧值为表示100g 环氧树脂中所含有的环氧基的物质的量，其值见表1.1. 顺丁烯二酸酐的分子量约为98. k 是根据经验选定的常数，一般取k =0.75?0.85. 例如，对于100g 的#618、#6101、#634 环氧树脂，按上式计算出的顺丁烯二酸酐的适用量为35.2?45g，30.2?39.1g，27.9?37.5g.

在100g 环氧树脂中增塑剂邻苯二甲酸二丁酯的常用量为5?10g.

鉴于下述原因，有时可考虑不使用增塑剂邻苯二甲酸二丁酯.

(1)邻苯二甲酸二丁酯虽能与环氧基反应，但主要起外塑化作用，即填充了环氧树脂的立体网格间隙，增加了大分子的柔顺程度，改进了材料的脆性. 因它不参与环氧树脂的固化反应，根据化学热力学理论，它将从材料中缓慢地发挥出来，从而引起材料性质的不均匀，并增加了材料的时间边缘效应.

(2)邻苯二甲酸二丁酯的比重比较小，与环氧树脂混合时会漂浮在混合液的表面上，搅拌不均时，将在固化的环氧树脂中产生亮带状\云雾".

在不加增塑剂的情况下，可以通过改变固化温度的方法来提高材料的塑性.

环氧树脂混合液的固化时间是相当长的，为了缩短固化时间，在上述用量中可以加入0.1g 的催化剂――二甲基苯胺，这一用量可以使混合液的胶凝时间缩短两天左右. 混合液加入二甲基苯胺后色泽变成暗红色，但固化后将会变淡.

在实践中，也常采用改变固化剂和增塑剂用量的办法，获得不同弹性模量E 的材料. 对于室温下使用的光弹性材料，固化剂的含量对室温材料弹性模量E 影响甚微，增塑剂含量的增加，对应的室温材料弹性模量E 会减小，当增塑剂含量超过30 份时，则材料脱模困难. 冻结使用的光弹性材料，当固化剂含量增加，对应冻结材料弹性模量E 随之也增加，当固化剂含量超过40 份时，对应冻结材料弹性模量E 反而降低. 当增塑剂含量增加，对应的冻结材料弹性模量E 会减小，当增塑剂含量超过20 份时，材料冻结应力性能大大降低. 如果固化剂用量不够，则材料固化不，材料性能不稳定. 材料的时间边缘效应随固化剂用量的增加而增大.

1.3 浇铸模具

1.3.1 制作光弹性平板材料用的玻璃模具

常用玻璃板模具，如图1.1 所示. 制造尺寸为300mm￡300mm￡(6?8)mm 的光弹性平板材料，常用5?7mm 厚的玻璃，要求玻璃表面光整，在光照下表面无水纹. 模具两侧边和底边所用的玻璃隔条的厚度等于平板材料所需的厚度. 为防止环氧树脂混合液渗漏，用套有铅丝的橡皮管衬在玻璃隔条内侧，橡皮管的直径比隔条的厚度稍大，铅丝起定位作用. 两块玻璃板用带有连接螺钉的压板夹紧(压板与玻璃间衬以纸垫或薄橡皮)，橡皮管要选择颜色浅的.

制造模具的步骤如下：

(1)玻璃平板与隔条的油污先后要用汽油、肥皂水清洗，用乙醇或丙酮擦净.

(2)在玻璃表面和橡皮管表面浸涂脱模剂，其作用是将玻璃表面、橡皮管表面与环氧树脂混合料隔开，防止它们之间的黏结. 常用的脱模剂为甲苯： 聚苯乙烯=100：(5?8)(重量比)的混合液. 浸涂脱模剂的方法是将洁净的脱模剂盛在比玻璃平板尺寸稍大的扁形容器中，再将玻璃平板整个浸没其中，然后慢慢地提起，立放在室温下使其自然干燥. 及时遍风干10?15h后，再涂第二遍. 橡皮管涂一遍即可.

(3)待玻璃平板上的第二遍脱模剂风干后，将模具进行装配. 这时，应注意调节各压板螺丝，以保障浇铸出的平板厚度均匀.

使用这种脱模剂制出的平板材料表面光洁平整. 但脱模剂的稠度要适当，涂膜不能太薄也不能太厚. 干燥要适当. 切忌在高温下烘烤，否则脱模剂开裂，将发生材料与玻璃的黏结. 另外脱模剂的表面要防止粘上尘土.

还有一种在玻璃表面制造硬膜脱模层的方法介绍如下：

(1)脱模剂配方. 将一甲基三氯硅烷10g 和二甲基二氯硅烷20g 加入到#200 溶剂汽油中，三者之和做成250?500mL 混合液.

(2)在玻璃表面涂敷上述混合液形成硬膜脱模层. 方法是：① 用绸子将混合液涂在玻璃的一侧表面，在烘箱中升至150?180±C 恒温1h，然后降温至90±C 时，使用绸子将涂混合液的玻璃表面用力擦均匀，至亮如镜面为止. ② 按① 再涂第二次混合液进行同样操作. ③ 按① 再涂第三次混合液进行同样操作.

这种方法制成的光弹性平板材料表面的光洁度极高，同时，这种玻璃脱膜层还可重复使用. 如果对光弹性平板表面光洁度或平整度要求不高时，可以涂敷甲基硅橡胶或硅脂作为脱模层.

1.3.2 制作三维光弹性模型的模具

1. 制作形状简单，并准备对光弹性模型进行机加工的三维模型[8]

可用白铁皮(厚度为0.3?0.5mm)锡焊制成，如图1.2(a)所示. 应在模具内外边界各留5mm 左右的机加工余量. 若模型有内腔，模具的内芯必须用弹性较大的材料制成. 这样，可减少环氧树脂固化时由于收缩产生较大的初应力，以及防止模型内腔的开裂. 图1.2(b)改用弹性内芯后，模型内腔不再出现裂纹，而且由于内芯具有弹性，初应力大为减小. 制造弹性内芯的方法，可以在白铁皮内芯的表面上敷以一层薄海绵橡皮或室温硫化硅橡胶，也可以是使用草板纸代替白铁皮作为内芯，然后，在内芯外表面再蒙上聚氯乙烯塑料薄膜防漏，这种方法工艺简单，价格便宜，效果也很好. 白铁皮模具的脱模剂通常使用甲苯： 聚苯乙烯=100：(8?10)溶液或涂一层硅脂.

2. 制作形状复杂三维模型

1)蜡料模具

对于零件形状比较复杂、带有内腔，甚至无法用机加工方法制造的模型，由于用白铁皮做的模具刚度偏大、易产生铸造应力的情况，近年来广泛