消失模EPS模型材料表征及性能的研究

王新節(jié)

(杭州市先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江大學(xué) 城市學(xué)院)，杭州 310015 )

可發(fā)性聚苯乙烯泡沫塑料EPS(Expandable Polystyrene)是一種由單體的苯乙烯聚合而成的碳?xì)浠衔铮冀M元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92%，氫組元質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%。在無水三氯化鋁存在條件下，加熱至80～95 ℃，乙烯與苯發(fā)生烴化反應(yīng)合成乙苯，乙苯在600 ℃催化脫氫后得到苯乙烯。將含量為99.5%以上的苯乙烯單體和軟水、過氧化苯甲酰BPO引發(fā)劑、聚乙烯醇PVA分散劑放在一起，加熱至80～90 ℃反應(yīng)8～10 h，聚苯乙烯珠粒形成并硬化，繼續(xù)升溫至100 ℃以上熟化約3 h，可制得無色透明的聚苯乙烯珠粒[1]。EPS珠粒內(nèi)部由彼此不相連通的封閉微孔組成，常采用低沸點(diǎn)的戊烷作為發(fā)泡劑。在一定的溫度和壓力下，戊烷均勻地滲透于聚苯乙烯分子鏈之間，經(jīng)過冷藏和時(shí)效處理，可得到細(xì)密均勻微孔徑的EPS原始珠粒。進(jìn)行預(yù)發(fā)泡加熱時(shí)，聚苯乙烯達(dá)到軟化狀態(tài)，其內(nèi)部的發(fā)泡劑也達(dá)到了氣化狀態(tài)，產(chǎn)生膨脹氣壓力，得到內(nèi)部結(jié)構(gòu)彼此不相連通的封閉微孔狀EPS預(yù)發(fā)珠粒[2-4]。

可發(fā)性聚苯乙烯泡沫塑料EPS是一種具有一定機(jī)械強(qiáng)度和低溫脆性的透明、無色無味熱塑性工程塑料，具有良好的電絕緣性和較低的熱傳導(dǎo)率、較小的吸水性和良好的隔音防潮防震性能。其來源豐富、成形加工成本低廉，在汽車內(nèi)飾件、建筑結(jié)構(gòu)、冷藏、船舶、火車、包裝和消失模鑄造等領(lǐng)域被廣泛采用。EPS珠粒的粒形粒貌特征和顆粒度的大小及其分布特征對(duì)物料管道的輸送、模具充型、產(chǎn)品模型的致密度、EPS產(chǎn)品模型表征、產(chǎn)品模型的力學(xué)性能和鑄件外在質(zhì)量均有影響。EPS泡沫塑料的熱解特性對(duì)金屬液澆注凝固后所得鑄件的內(nèi)在質(zhì)量與環(huán)境污染也會(huì)產(chǎn)生影響。適度的力學(xué)性能是EPS產(chǎn)品的模型簇組裝、運(yùn)輸、浸涂、烘干和造型操作所需的強(qiáng)度與剛度的保障。基于此，本文對(duì)EPS珠粒的表征、EPS泡沫塑料的熱解特性以及EPS模型的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試和探討[5-7]。

1 消失模EPS模型材料表征的測(cè)試與分析

1.1 消失模EPS珠粒粒形、粒貌和顆粒度分布的測(cè)試與分析

供應(yīng)狀態(tài)下的EPS原始珠粒堆密度(Bulk Density)分布在560～670 g/L，不能直接用于消失模產(chǎn)品EPS模型的發(fā)泡成形，否則會(huì)在后續(xù)鑄造成形時(shí)造成EPS模型的發(fā)氣量過大、嚴(yán)重污染環(huán)境，并且其生產(chǎn)成本高。正常生產(chǎn)時(shí)，首先對(duì)EPS原始珠粒進(jìn)行預(yù)發(fā)泡處理，獲得堆密度分布在19～22 g/L的EPS預(yù)發(fā)珠粒,然后再使用EPS預(yù)發(fā)珠粒進(jìn)行產(chǎn)品模型的模具制模成形，最后進(jìn)行負(fù)壓干砂造型的金屬液澆注凝固成形，獲得所需的鑄件產(chǎn)品。

在蒸汽式加熱的預(yù)發(fā)設(shè)備生產(chǎn)條件下，位于蒸汽管道控制閥前端的蒸汽壓要維持在149.961～299.922 kPa、溫度需達(dá)到120～150 ℃。與EPS預(yù)發(fā)設(shè)備相連蒸汽管道的最后3～5 m外壁不使用隔熱包裹材料，但需安裝疏水閥，確保飽和干蒸汽進(jìn)入預(yù)發(fā)設(shè)備，以提高熱效率。進(jìn)入預(yù)發(fā)設(shè)備內(nèi)的汽壓力為119.564～160.094 kPa。干蒸汽釋放熱量使EPS原始珠粒體積膨脹，從而獲得EPS預(yù)發(fā)珠粒，同時(shí)干蒸汽以冷凝水的形式凝結(jié)在EPS珠粒周圍。為提高EPS預(yù)發(fā)珠粒的流動(dòng)性和彈性，需要對(duì)其進(jìn)行沸騰干燥處理和時(shí)效處理。為防止EPS預(yù)發(fā)珠粒結(jié)團(tuán)，可以在EPS原始珠粒內(nèi)加入0.05%～0.2%的硬脂酸鋅，同時(shí)在EPS預(yù)發(fā)泡過程中對(duì)預(yù)發(fā)珠粒輔以攪拌。

1.1.1 消失模EPS粒形、粒貌的測(cè)試與分析

運(yùn)用動(dòng)態(tài)顆粒圖像原理系統(tǒng)QICPIC(Quick Picture)，進(jìn)行EPS珠粒的激光衍射粒度分析。分別從盛放EPS原始珠粒和EPS預(yù)發(fā)珠粒的樣品容器中取出3個(gè)平行樣，將其分別加入到進(jìn)樣器中，通過控制進(jìn)樣速率來控制單位時(shí)間內(nèi)通過測(cè)試區(qū)域顆粒的數(shù)目，得到3個(gè)平行的結(jié)果。圖像分析儀的測(cè)試參數(shù)為：光學(xué)濃度0.82%(0.80%～0.84%)，測(cè)試時(shí)間26.68 s(22.04～29.09 s)，EPS珠粒下落高度500 mm，EPS珠粒出口寬度2 mm，數(shù)據(jù)交換頻率100.00 Hz。

圖1是EPS原始珠粒和EPS預(yù)發(fā)珠粒代表性微觀粒形形貌的測(cè)試結(jié)果，表1列出了EPS原始珠粒、EPS預(yù)發(fā)珠粒粒形粒貌特征參數(shù)的測(cè)試結(jié)果。圖1(a)顯示出EPS原始珠粒的個(gè)體完整性較好，只是珠粒個(gè)體的尺寸大小和粒形粒貌有所不同。EPS原始珠粒的不均一性會(huì)影響到EPS預(yù)發(fā)珠粒的整體均勻性。圖1(b)顯示出EPS預(yù)發(fā)珠粒的個(gè)體完整性較差(“缺損形”、內(nèi)凹“海灣形”、局部“月牙形”和周邊“凸緣形”等)，其珠粒個(gè)體之間的尺寸大小和粒形粒貌也不相同。

圖1 EPS原始珠粒和預(yù)發(fā)珠粒的代表性微觀形貌

表1集中統(tǒng)計(jì)了EPS原始珠粒和預(yù)發(fā)珠粒粒徑和粒形粒貌的激光粒度儀測(cè)試結(jié)果，包括寬長(zhǎng)比(S10、S50、S90)、球形度(S10、S50、S90)、凸度 (S10、S50、S90)和顆粒度(X10、X50、X90)。寬長(zhǎng)比是指珠粒投影平面內(nèi)的外部輪廓在兩條平行線之間的最小距離與最大距離之比值，球形度是指珠粒投影平面內(nèi)的一個(gè)等效面積圓的周長(zhǎng)與珠粒實(shí)際邊界周長(zhǎng)之比值，凸度是指珠粒投影平面內(nèi)實(shí)際面積與補(bǔ)平內(nèi)凹面積后的投影面積之比值。這3個(gè)比值越接近于1，EPS珠粒外形越完整，愈接近圓球形。

表1 EPS珠粒預(yù)發(fā)前后的粒形粒貌特征參數(shù)

圖2為EPS原始珠粒和EPS預(yù)發(fā)珠粒3個(gè)平行樣的球形度累積分布(Q3)均值，其中,紅色曲線代表EPS原始珠的3個(gè)平行樣球形度累積分布均值，綠色曲線代表EPS預(yù)發(fā)珠粒3個(gè)平行樣的球形度累積分布均值。

圖2 EPS原始珠粒和預(yù)發(fā)珠粒的球形度累積分布

由圖2 可以看出，10%的原始珠粒球形度小于0.770 1(表1中的S10)，50%的原始珠粒球形度小于0.848 9(表1中的S50)，90%的原始珠粒球形度小于0.934 7(表1中的S90)；10%的預(yù)發(fā)珠粒球形度小于0.827 6(表1中的S10)，50%的原始珠粒球形度小于0.846 4(表1中的S50)，90%的原始珠粒球形度小于0.859 5(表1的S90)。

原始珠粒第1段陡坡的坡頂，即曲線平臺(tái)的始點(diǎn)坐標(biāo)為球形度0.87，累積分布Q3(x)=81.55%，意味著18.45%的原始珠粒的球形度大于0.87；預(yù)發(fā)珠粒第1段陡坡的坡頂，即曲線平臺(tái)的始點(diǎn)坐標(biāo)為球形度0.86，累積分布Q3(x)=91.52%，意味著只有8.48%的預(yù)發(fā)珠粒的球形度大于0.86?？梢姡珽PS原始珠粒向預(yù)發(fā)珠粒的轉(zhuǎn)變過程中球形度有所降低。但是，預(yù)發(fā)珠粒球形度分布峰又高又窄比較集中，球形度0.83左右，這種分布狀態(tài)對(duì)提高其流動(dòng)性和充型能力以及降低產(chǎn)品模型的表面粗糙度數(shù)值均有益[8-10]。

1.1.2 消失模EPS珠粒粒徑分布特征的測(cè)試與分析

圖3 EPS原始珠粒和預(yù)發(fā)珠粒粒徑的頻度分布和累積分布

1.2 消失模EPS模型材料表面粗糙度的測(cè)試與分析

采用NPFLEX(New Perspective Flexible)三維光學(xué)白光干涉儀對(duì)EPS原始珠粒、EPS預(yù)發(fā)珠粒和EPS模型的表面粗糙度進(jìn)行無接觸測(cè)量。

圖4(c)是對(duì)消失模EPS模型的整體宏觀表面形貌粗糙度的測(cè)試結(jié)果，該結(jié)果既包括有氣塞印記影響的EPS模型表面，又包括無氣塞印記影響的EPS模型表面。表2列出了EPS原始珠粒、EPS預(yù)發(fā)珠粒和產(chǎn)品模型的表面粗糙度對(duì)比性測(cè)試結(jié)果[11-12]。

圖4 原始珠粒、EPS預(yù)發(fā)珠粒、模型宏觀表面、無印記和有印記EPS模型表面的粗糙度測(cè)試

表2 EPS原始珠粒、預(yù)發(fā)珠粒和產(chǎn)品模型的表面粗糙度測(cè)試結(jié)果

由表2可以看出，預(yù)發(fā)珠粒表面粗糙度值遠(yuǎn)高于原始珠粒(約5倍)，而接近于EPS產(chǎn)品模型不受氣塞印記影響的表面粗糙度數(shù)值，只是不受氣塞印記影響的EPS模型表面粗糙度數(shù)值略高。而受氣塞印記影響的EPS模型的表面粗糙度值高于(約2.3倍)不受氣塞印記影響的EPS模型表面粗糙度數(shù)值。說明EPS珠粒的預(yù)發(fā)過程會(huì)直接影響預(yù)發(fā)珠粒的表面粗糙度，進(jìn)而間接地影響EPS模型的粗糙度，而EPS模型的表面粗糙度數(shù)值大小又會(huì)間接地影響消失模鑄件的表面質(zhì)量；另一方面，EPS產(chǎn)品模型上的氣塞印記會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品模型的表面粗糙度，這就需要在消失模模具的制作過程中，適當(dāng)協(xié)調(diào)好EPS模型的成形質(zhì)量與模具型腔內(nèi)表面的氣塞布置密度及其端部的氣流通道的縫隙寬度，以達(dá)到在低密度布置氣塞和設(shè)置小寬度氣流通道縫隙條件下，獲得較小粗糙度數(shù)值的EPS模型表面[13-14]。

2 消失模EPS模型材料性能的測(cè)試與分析

2.1 消失模EPS珠粒熱重、差熱性能的測(cè)試與分析

在消失模鑄造工藝過程中，EPS原始珠粒的儲(chǔ)存、預(yù)發(fā)泡、產(chǎn)品模型的制模、模片膠合、模型簇組裝、浸涂涂料、干燥烘干、造型和金屬液澆注凝固成形等諸多環(huán)節(jié)可能會(huì)發(fā)生EPS模型材料的熱變形、熱熔解或熱氣化現(xiàn)象，為了優(yōu)化各個(gè)工序的溫控參數(shù)以穩(wěn)定消失模產(chǎn)品的質(zhì)量，需要對(duì)EPS原始珠粒和預(yù)發(fā)珠粒的受熱特性進(jìn)行準(zhǔn)確的定量測(cè)試。

采用SDT Q600 V20.9 BUILD 20 熱重差熱分析儀，分別對(duì)7.842 0 mg的EPS原始珠粒和2.037 0 mg的EPS預(yù)發(fā)珠粒樣品進(jìn)行大氣環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)應(yīng)得到了圖5和圖6所示的熱重分析曲線和差熱分析曲線。其中綠色曲線代表所測(cè)樣品的熱重分析結(jié)果，藍(lán)色曲線代表所測(cè)樣品的差熱分析結(jié)果。

圖6 EPS預(yù)發(fā)珠粒的熱重和差熱分析曲線

從圖5可以看出，EPS原始珠粒在空氣介質(zhì)條件下受熱至107.25 ℃時(shí)出現(xiàn)物理失重，受熱至124.71 ℃時(shí)進(jìn)入快速物理失重階段，受熱至200.00 ℃時(shí)，物理失重終止，失重3.564%；繼續(xù)受熱至243.49 ℃時(shí)開始化學(xué)失重，至319.39 ℃時(shí)進(jìn)入快速化學(xué)失重階段，至416.00 ℃時(shí)化學(xué)失重速度減緩，至450.00 ℃時(shí)，化學(xué)失重終止，失重95.48%；受熱溫度達(dá)到600.00 ℃后，會(huì)有0.836 4%的碳化物殘留。與之對(duì)應(yīng)的差熱曲線，在124.71 ℃出現(xiàn)EPS吸熱谷值，推測(cè)是戊烷物理吸熱后開始揮發(fā)；251.72 ℃時(shí)EPS出現(xiàn)放熱，推測(cè)EPS原始珠粒聚苯乙烯分子出現(xiàn)分解裂解；319.39 ℃時(shí)出現(xiàn)第1次放熱峰，516.13 ℃時(shí)出現(xiàn)第2次放熱峰。

圖5 EPS原始珠粒的熱重和差熱分析曲線

從圖6 熱重TG曲線和差熱DTA曲線變化趨勢(shì)的對(duì)比中可以看出，EPS預(yù)發(fā)珠粒在空氣介質(zhì)條件下受熱時(shí)，沒有物理失重階段，受熱至255.07 ℃時(shí)開始化學(xué)失重，至324.89 ℃時(shí)進(jìn)入快速化學(xué)失重階段，至375.00 ℃時(shí)化學(xué)失重速度出現(xiàn)減緩跡象，至425.00 ℃時(shí)，化學(xué)失重終止，失重94.93%；受熱溫度達(dá)到600.00 ℃后，會(huì)有2.517%的碳化物殘留。與之對(duì)應(yīng)的差熱曲線，在107.51 ℃出現(xiàn)EPS吸熱谷值，推測(cè)是少量的殘留戊烷物理吸熱后開始揮發(fā)，但沒有引起失重?cái)?shù)據(jù)的顯著變化；至271.22 ℃時(shí)EPS出現(xiàn)放熱，推測(cè)EPS預(yù)發(fā)珠粒聚苯乙烯分子出現(xiàn)分解裂解；至324.89 ℃時(shí)出現(xiàn)第1次放熱峰，至497.56 ℃時(shí)出現(xiàn)第2次放熱峰。

EPS原始珠粒TG曲線圖中出現(xiàn)了兩次顯著失重現(xiàn)象，而EPS預(yù)發(fā)珠粒的TG曲線圖中僅出現(xiàn)1次顯著失重現(xiàn)象；EPS原始珠粒失重所發(fā)生的受熱溫度區(qū)間跨度大、失重速率小，而EPS預(yù)發(fā)珠粒明顯具有失重所發(fā)生的受熱溫度區(qū)間狹窄、失重速率高的特征；EPS原始珠粒和預(yù)發(fā)珠粒在高溫受熱時(shí)均出現(xiàn)了聚苯乙烯分子的裂解失重放熱峰現(xiàn)象，只是在低溫受熱階段，EPS原始珠粒多了一段物理失重吸熱谷現(xiàn)象。針對(duì)EPS原始珠粒TG曲線圖中出現(xiàn)的第1次物理失重現(xiàn)象所對(duì)應(yīng)的受熱溫度107.25 ℃，可以將其作為消失模預(yù)發(fā)泡工序的上限指導(dǎo)溫度，這樣可以防止發(fā)泡劑戊烷的過度揮發(fā)散失，為后續(xù)的EPS產(chǎn)品模型的制模質(zhì)量提供保障；針對(duì)EPS預(yù)發(fā)珠粒明顯具有失重所發(fā)生的受熱溫度區(qū)間狹窄、失重速率高的特征，可以在消失模鑄造澆注工序設(shè)置負(fù)壓真空鑄型，用以快速及時(shí)地將短時(shí)間內(nèi)EPS模型簇燃燒所產(chǎn)生的大量氣體排出鑄型，防止鑄件內(nèi)部卷入氣體而產(chǎn)生缺陷；針對(duì)EPS預(yù)發(fā)珠粒受熱至425.00 ℃時(shí)，化學(xué)失重終止，可以指導(dǎo)適合于消失模鑄造的合金類型，其澆注溫度要高于該受熱溫度150.00 ℃左右。

本次實(shí)驗(yàn)所用EPS預(yù)發(fā)珠粒的堆密度為0.019 g/cm3，參照密度為0.015～0.020 g/cm3的聚苯乙烯泡沫塑料的熱分解特性：75～164 ℃為軟化區(qū)，164～316 ℃為熔化區(qū)，316～576 ℃為氣化區(qū)，576 ℃以上為燃燒區(qū)進(jìn)行如下分析：EPS原始珠粒出現(xiàn)裂解的起始溫度(251.72 ℃)比EPS預(yù)發(fā)珠粒(271.22 ℃)低了近20.00 ℃，這可能與戊烷的引燃溫度為260 ℃相關(guān)，由于EPS原始珠粒的戊烷含量較高，導(dǎo)致其起始裂解溫度較低。而EPS預(yù)發(fā)珠粒的戊烷含量低，使得其起始裂解溫度有所偏高。此后，戊烷開始裂解并釋放燃燒熱量，戊烷的燃燒熱為3 506.1 kJ/mol，差熱曲線呈現(xiàn)上升的放熱跡象。EPS原始珠粒出現(xiàn)裂解的第1次放熱峰溫度(319.39 ℃)低于EPS預(yù)發(fā)珠粒(324.89 ℃)，這可能與EPS預(yù)發(fā)珠粒的爆發(fā)式燃燒特性有關(guān)；EPS原始珠粒出現(xiàn)分解裂解的第2次放熱峰溫度(516.13 ℃)高于EPS預(yù)發(fā)珠粒(497.56 ℃)，這可能與EPS原始珠粒溫和型燃燒特性有關(guān)，加之戊烷較高，兩者燃燒熱量的疊加的效應(yīng)。600.00 ℃時(shí)，EPS原始珠粒的殘留碳化物數(shù)量(0.836 4%)約占EPS預(yù)發(fā)珠粒(2.51%)的1/3，表明戊烷含量較高的EPS原始珠粒在高溫長(zhǎng)時(shí)間作用下燃燒更加充分。

2.2 消失模EPS模型材料力學(xué)性能的測(cè)試與分析

2.2.1 消失模EPS模型力學(xué)性能測(cè)試試樣的設(shè)計(jì)和成形

參照GB/T228—2002 室溫拉伸試驗(yàn)方法[15]，設(shè)計(jì)圖7(a)所示的用于拉伸試驗(yàn)的EPS模型圓形截面試樣，L0=5d，Lc≥L0+d/2，取d=12 mm，Lc=85 mm。將EPS預(yù)發(fā)泡珠粒通過壓力輸送的方式充填測(cè)試試樣的消失模模具型腔并緊實(shí)， 而后將該消失模模具放入蒸缸內(nèi)，用飽和干蒸汽預(yù)熱蒸缸和消失模模具，干蒸汽的氣壓為120～160 kPa，預(yù)熱時(shí)間34 s，排空冷凝水。關(guān)閉蒸缸排水閥，再次通入干蒸汽，并保持蒸缸和消失模模具型腔內(nèi)的蒸汽壓維持在120～160 kPa，持續(xù)時(shí)間17 s，開啟排水閥卸掉蒸缸和模具型腔內(nèi)的蒸汽，卸壓時(shí)間持續(xù)7 s。再次關(guān)閉排水閥，向蒸缸內(nèi)和消失模模具型腔背面噴灑冷卻水，并保持15 s噴水冷卻后，打開排水閥，卸掉蒸缸內(nèi)的冷卻水。最后對(duì)蒸缸和消失模模具型腔抽取負(fù)壓，進(jìn)一步冷卻模具并干燥模具，直至消失模模具冷卻至90 ℃以下，開模取出EPS模型圓形截面試樣。

圖7 雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)及散斑試樣拉伸試驗(yàn)

2.2.2 消失模EPS模型材料的力學(xué)性能測(cè)試

采用MTS(Material Test System)材料拉伸試驗(yàn)機(jī)和PMLAB DIC-3D準(zhǔn)靜態(tài)三維應(yīng)變光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)圖7(b)EPS模型試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)圖像的采集。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)見圖7(c)，EPS模型試樣的上夾頭固定，下夾頭向下拉伸，拉伸速率為1 mm/min。

從圖7(d)和圖8(b)可以看出，EPS模型試樣斷裂時(shí)的總位移量為10.9 mm，斷后伸長(zhǎng)率A=(L1-L0)/L0=12.9%(試樣的有效軸向長(zhǎng)度距離為85 mm)?？梢?，EPS模型具有良好的塑性。曲線上距離頂端4～8 mm的試樣長(zhǎng)度區(qū)間內(nèi)有一段斜率明顯大于其他段，出現(xiàn)滑移?；屏恐祻?.6 mm陡增至10.6 mm，單位長(zhǎng)度位移增速為0.25，遠(yuǎn)大于出現(xiàn)滑移之前試件的均勻塑性變形的單位長(zhǎng)度位移增速0.12(接近2倍)。該段發(fā)生在試件斷裂位置，說明斷裂位置處的位移變化急劇，推知該處應(yīng)變最大，該斷裂位置靠近上夾持端。試樣斷裂時(shí)拉伸機(jī)的力數(shù)據(jù)從最大值開始往下調(diào)落，對(duì)照 DIC-3D 應(yīng)變計(jì)算云圖，找到試樣斷裂位置處有局部應(yīng)力集中的那一幀圖像，此圖所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為拉伸機(jī)拉力數(shù)據(jù)為最大的那一時(shí)刻。

圖8 直角坐標(biāo)系下階段線0的空序曲線

圖8(a)所設(shè)定的階段線0及其等間隔點(diǎn)，用于觀察分析EPS模型試樣的應(yīng)力應(yīng)變情況，等間隔點(diǎn)的間隔距離為0.175 mm，共計(jì)486個(gè)點(diǎn)(點(diǎn)與點(diǎn)之間距離為7個(gè)像素格，單位像素格長(zhǎng)度為0.025 mm)。圖8(b)是以這些點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)繪制的體現(xiàn)EPS模型試樣在拉應(yīng)力作用下所發(fā)生位移的空序曲線。

DIC-3 D 系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)的采集幀率為 1 Hz，共采集 761 幀圖像，經(jīng)系統(tǒng)標(biāo)定和相關(guān)計(jì)算(網(wǎng)格間距為7個(gè)像素格，比對(duì)分析的步長(zhǎng)為29個(gè)像素格，邊界有效性為60%)，得到階段點(diǎn)0在圓柱坐標(biāo)系條件下的微應(yīng)變曲線(圖9(a))和徑向形貌曲線(圖9(b))。

圖9 圓柱坐標(biāo)系下階段點(diǎn)0的微應(yīng)變及其形貌曲線

從圖9可以看出，EPS模型試樣的微應(yīng)變曲線分為3個(gè)階段：0～200 s，試樣的微應(yīng)變速率和徑向形貌變化速率均呈線彈性變形階段，200～560 s范圍內(nèi)呈現(xiàn)出均勻塑性變形的強(qiáng)化階段，560～761 s范圍內(nèi)呈現(xiàn)出局部變形的縮頸階段。自拉伸開始約761 s時(shí)，拉伸機(jī)力信號(hào)達(dá)到最大，最大值為38 N，對(duì)應(yīng) DIC-3D 測(cè)量系統(tǒng)采集的圖像幀為階段761。在階段761時(shí)刻，階段點(diǎn)0處初始圓柱半徑r=5.42 mm，試樣斷裂時(shí)的徑向平均半徑為5.08 mm。

抗拉強(qiáng)度，

Rm=Fb/S0=0.412 45，N/mm2

斷面收縮率，

Z=(S0-S1)/S0=11.0%

屬于韌性斷裂。式中：Fb為最大拉力；S0為試樣原始橫截面積，S1為試樣斷裂后橫截面積[16]。

圖10(a)所示為EPS模型試樣的斷口實(shí)物圖片，可以看到，其外部輪廓由3部分構(gòu)成：EPS模型試樣的夾持端(藍(lán)色包裹部分)、EPS模型試樣側(cè)面設(shè)定的散斑測(cè)試點(diǎn)云和EPS模型試樣的韌性斷口。運(yùn)用KYKY-EM8100型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)韌性斷口的形貌進(jìn)行觀察，得到圖10(b)所示的微觀組織結(jié)構(gòu)。

圖10 EPS模型試樣斷口形貌

由圖10(b)可以看出，EPS預(yù)發(fā)珠粒內(nèi)部呈現(xiàn)出蜂窩狀胞腔組織結(jié)構(gòu)特征，大的胞腔組織結(jié)構(gòu)中派生出小胞腔組織結(jié)構(gòu)，胞腔組織結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面出現(xiàn)皺褶，不同的胞腔結(jié)構(gòu)之間有清晰的胞界相互分開，胞壁宏觀呈現(xiàn)出不規(guī)則的多邊形結(jié)構(gòu)，壁厚較為均勻；有些胞腔組織間的胞壁融合后出現(xiàn)了胞腔組織聯(lián)合體，有些胞腔組織間存在間隙，沒有實(shí)現(xiàn)胞腔結(jié)構(gòu)間的完全融合；單個(gè)胞腔組織結(jié)構(gòu)的等效直徑約35.00 μm。結(jié)合表1中EPS預(yù)發(fā)珠粒的平均粒徑1 554.61 μm進(jìn)行估算，一個(gè)EPS預(yù)發(fā)珠粒內(nèi)部約含有胞腔組織結(jié)構(gòu)87 631.00個(gè)。

EPS模型的這種蜂窩狀胞腔組織結(jié)構(gòu)是原始珠粒受熱軟化時(shí)，其內(nèi)含的發(fā)泡劑戊烷氣化促使珠粒膨脹的結(jié)果，使得EPS模型材料具有較低的熱傳導(dǎo)率、良好的隔音和防震性能。初始預(yù)發(fā)成形的EPS珠粒內(nèi)部胞腔呈負(fù)壓狀態(tài)，需要時(shí)效熟化一段時(shí)間，待空氣滲入胞腔內(nèi)達(dá)到內(nèi)外氣壓的平衡時(shí)，EPS珠粒就具有了較好的表面粗糙度和彈性，進(jìn)而流動(dòng)性提高，EPS模型及消失模鑄件的表面質(zhì)量均得到提高。

3 結(jié) 論

1)消失模EPS原始珠粒平均粒徑為467.18 μm，預(yù)發(fā)珠粒的平均粒徑為1 554.61 μm；預(yù)發(fā)珠粒的球形度、凸度和寬長(zhǎng)比均高于原始珠粒，這有助于提高EPS珠粒在輸送管道中的流動(dòng)性，消失模產(chǎn)品模型的充型緊實(shí)度和表面質(zhì)量也將相應(yīng)提高；EPS預(yù)發(fā)珠粒頻度曲線分布峰的矮平化特征能夠提高消失模成形的致密度和降低模型表面粗糙度值；消失模EPS原始珠粒、預(yù)發(fā)珠粒、無氣塞印記EPS模型和有氣塞印記EPS模型的表面粗糙度數(shù)值依次增大至1.277、6.090、6.943、16.091 μm。

2)EPS原始珠粒在空氣介質(zhì)條件下受熱至107.25 ℃時(shí)出現(xiàn)物理失重。 EPS預(yù)發(fā)珠粒沒有物理失重階段，255.07 ℃時(shí)開始化學(xué)失重，失重的受熱溫度區(qū)間狹窄、失重速率高，至425.00 ℃時(shí)，化學(xué)失重終止，失重94.93%，殘留2.517%的碳化物。

3)消失模EPS模型試樣受力會(huì)出現(xiàn)線彈性變形階段、均勻塑性變形的強(qiáng)化階段和局部縮頸變形的斷裂階段。其抗拉強(qiáng)度為0.412 45 N/mm2，斷后伸長(zhǎng)率為12.9%，斷面收縮率為11.0%，具有良好的塑性和韌性；消失模EPS預(yù)發(fā)珠粒的內(nèi)部呈蜂窩狀胞腔結(jié)構(gòu)組織，胞腔結(jié)構(gòu)的平均直徑約35.00 μm，單個(gè)預(yù)發(fā)珠粒內(nèi)部約含有胞腔組織結(jié)構(gòu)87 631.00個(gè)。