一种高分子材料寿命评估方法及系统与流程

1.本发明属于高分子材料寿命评估技术领域，具体涉及一种高分子材料寿命评估方法和高分子材料寿命评估系统。

背景技术：

2.高分子材料老化是指高分子材料在加工、贮存和使用过程中，由于受内外因素的综合作用，其性能逐渐变坏，以致最后丧失使用价值的现象。高分子材料广泛地应用于国民生产生活的各个领域，研究塑料的老化行为不仅可以节约成本，降低原料和能源的损耗，更能有效地避免安全隐患，保障人民生产生活的安全，具有重大的经济意义和社会意义。此外，通过对高分子材料老化行为的研究，可以促进对高分子材料的老化机理的认识，掌握塑料结构变化的客观规律，从而正确采取各种稳定化措施，延长其使用寿命，促进新材料新方法的研究和发展。总之，无论从理论还是实践角度，对高分子材料老化行为的深入研究都十分重要。
3.高分子材料老化行为研究的传统方法包括：加速老化试验法、经验方程式法和自然老化与人工气候老化相关性等方法。目前，该领域比较重要的研究成果有处理阿伦尼乌斯曲线弯曲的方法，假定材料在一系列温度下的降解反应由两种竞争反应决定，则可以到一个转折温度，也即活化能转折点，将阿雷尼乌斯曲线分成两个单独的部分，较低温度范围内的活化能也较低，并在此温度区间保持不变。通过对多种有机高分子材料的寿命预测，得到较好的预测性能变化的结果。然而，在研究聚碳酸酯(pc)薄膜在空气和水中不同温度下的老化时，用转折温度原理预测较低温度下pc薄膜的使用寿命，得到的结果却有较大的偏差。
4.此外，可用耗损方法研究有机高分子材料不同温度下的使用寿命:首先假定在给定温度范围内有机高分子材料的降解可以用时温等效模型模拟，并假设两温度下老化指标对时间的依赖关系成倍变化，则低温下老化一段时间的材料，放到高温下继续老化，所得性能对时间的动力学关系式，可以通过时温转换模型获得低温下性能变化的拓展曲线。
5.如前所述，针对高分子材料老化行为，已经建立了诸多的经验公式和理论模型，但突出的问题是现有各类模型和关系式缺乏对各类环境条件和材质的普适性，使用较为复杂，所得寿命预测结果的可靠性有待进一步验证。
6.研究表明，高分子材料老化行为包含两个变化过程，一个是塑料的后固化过程，另一个是塑料的降解过程，它们的共同变化形成了高分子材料特有的老化行为。因此，基于这两个变化过程如何快速、准确地进行高分子材料老化行为研究(寿命评估)是需要解决的问题。

技术实现要素：

7.本发明目的在于提供一种高分子材料寿命评估方法和高分子材料寿命评估系统，至少能够快速、准确地进行高分子材料老化行为研究(寿命评估)。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下所述技术方案。
9.一种高分子材料寿命评估方法，步骤包括：步骤1，测定高分子材料的玻璃化温度；步骤2，根据所得玻璃化温度，选定至少四个试验温度，要求试验温度不能跨越高分子材料玻璃化温度，四个试验温度区间接近或涵盖工作温度；接近是指二者相差10℃-30℃；步骤3，确定高分子材料的试验时间，根据式(ⅰ)确定试验的取样周期，t’t(h)＝2
n-1
……………………
(ⅰ)式中，n＝1、2
…
，且为整数，t’表示取样周期；步骤4，根据所得试验温度、取样周期、试验时间开展热老化试验，并测定、统计试验结果数据；步骤5，根据式(ⅱ)对所得试验结果数据进行优化处理，使得误差函数φ最小，得到a，b，c，e1，f1，e2，f2的值；式中，ii表示第i个试验结果数据，i
i0
表示实际测试值(即测试对象的特征参量)，ti表示第i个试验结果数据的时间，ti表示第i个试验结果数据的温度ii(ti，ti)、3
…
n且为整数，表示计算值形成的数组；步骤6，结合所得a，b，c，e1，f1，e2，f2的值以及高分子材料的工作温度，根据式(ⅲ)确定高分子材料的寿命评估物理量，根据所得寿命评估物理量预估高分子材料寿命；式中，i为寿命评估物理量，t为高分子材料的工作温度，t为高分子材料所经历的工作时间。
10.作为优选方案，所述高分子材料为泡沫型雷达吸波结构件、尼龙66或6302环氧树脂。
11.作为优选方案，所述高分子材料为泡沫型雷达吸波结构件时，所述的式(ⅲ)简化成式(ⅳ)，即对式(ⅲ)简化处理后得到式(ⅳ)；式中，i为寿命评估物理量，t为高分子材料的工作温度，t为高分子材料所经历的时间，k＝8.31。
12.本发明还提供了一种高分子材料寿命评估系统，包括计算机，计算机包括存储器、
处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤/功能：s1，读取输入的试验结果数据；s2，按照式(ⅱ)计算出a，b，c，e1，f1，e2，f2的值；式中，ii表示第i个试验结果数据，i
i0
表示实际测试值，ti表示第i个试验结果数据的时间，ti表示第i个试验结果数据的温度，i＝1、2、3
…
n且为整数，ii(ti，ti)表示由计算结果形成的数组。s3，读取输入的高分子材料类型及其工作温度数据、所经历的试验时间数据；s4，读取步骤s2所得a，b，c，e1，f1，e2，f2的值,根据式(ⅲ)计算并输出高分子材料的寿命评估物理量，式中，i为寿命评估物理量，t为高分子材料的工作温度，t为高分子材料所经历的时间；s5，根据所得寿命评估物理量生成高分子材料的寿命图表。
13.作为优选，当读取到输入的高分子材料为泡沫型雷达吸波结构件时，步骤s4中，直接调用计算模型式(ⅳ)，根据式(ⅲ)计算并输出它的寿命评估物理量，式中，i为寿命评估物理量，t为高分子材料的工作温度，t为高分子材料所经历的时间，k＝8.31。
14.有益效果：采用本发明的方案，能够快速、准确地进行高分子材料老化行为研究(寿命评估)，评估出的高分子材料寿命与实际情况几乎一致。相比于常规的只能描述高分子材料老化的阿伦尼乌兹公式，本发明由一个模型准确描述了高分子材料的整个老化和后固化过程，无需人为判断高分子材料进入老化过程的时段/时点，具有较高的准确性和可靠性。
附图说明
15.图1是实施例2中粒子优化算法过程图；图2是实施例2中尼龙66寿命评估图表；图3是实施例3中6302环氧树脂寿命评估图表；
图4是实施例3中80℃环境下冲击强度小于原始值60％的时间计算结果图。
具体实施方式
16.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但以下实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想，并非对本发明保护范围的限定。应当指出，对于本技术领域普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，针对本发明进行的改进也落入本发明权利要求的保护范围内。实施例1
17.本实施例中对泡沫型雷达吸波结构件进行寿命评估。
18.一种高分子材料(泡沫型雷达吸波结构件)的寿命评估方法，步骤包括：步骤1，测定高分子材料的玻璃化温度，具体是按照标准gb/t 11998-1989测定泡沫型雷达吸波结构件的玻璃化温度为-25℃度，该泡沫型雷达吸波结构件的工作温度为0℃至50℃；步骤2，根据所得玻璃化温度，选定四个试验温度，要求试验温度和工作温度不能高于高分子材料玻璃化温度，四个试验温度区间接近或涵盖工作温度；确定的四个试验温度为50℃、80℃、110℃、140℃，步骤3，确定高分子材料的试验时间，根据式(ⅰ)确定试验的取样周期，t’t(h)＝2
n-1
……………………
(ⅰ)式中，n＝1、2
…
，且为整数，t’表示取样周期；确定的泡沫型雷达吸波结构件的取样周期为0(原始值)，72h，144h，288h，432h，864h，1728h，2160h；步骤4，根据所得试验温度、取样周期、试验时间开展热老化试验，具体是按照gb/t7141-2008《塑料热老化试验方法》、gb/t 2918-2018《塑料试样状态调节和试验的标准环境》和橡胶标准开展热老化试验，得到的试验结果数据见表1；表1泡沫型雷达吸波结构件的试验结果数据步骤5，根据式(ⅱ)对所得试验结果数据进行优化处理，使得误差函数φ最小，得到a，b，c，e1，f1，e2，f2的值；
式中，ii表示第i个试验结果数据，i
i0
表示实际测试值，ti表示第i个试验结果数据的时间，ti表示第i个试验结果数据的温度，i＝1、2、3
…
n且为整数，ii(ti，ti)表示由计算结果形成的数组；优化处理可以采用matelab软件进行，处理后的数据见表2；表2所得试验结果数据的分析结果 50℃80℃110℃140℃r0.96270.93510.99740.9995a118.6735218.0816104.5835812.2658b0.0955894050.065685943.8033843321.779780509c0.0076343430.0657436330.4037903453.113409143d12.95522.38480.3490.094处理过程中，为了简化计算，对和进行了简化处理，假定：处理，假定：于是，式(ⅲ)简化成其中：其中：对a取平均有：a＝147对d回归有：d＝-0.2015t+78.549r2＝0.9528对e回归有：e＝-125.34t+48529r2＝0.6196对e’回归有：e’＝-185.64t+73060
r2＝0.9855于是整个温度区间的规律函数为：该规律函数也即是简化后的式(ⅲ)；步骤6，结合所得a，b，c的值以及高分子材料的工作温度，根据式(ⅲ)计算泡沫型雷达吸波结构件在各温度下的寿命评估物理量(断裂伸长率)，即评估值，结果见表3；式中，i为寿命评估物理量，t为高分子材料的工作温度，t为高分子材料所经历的试验时间。表3，海南地区用泡沫型雷达吸波结构件的寿命评估物理量(断裂伸长率) 0月3月6月9月12月评估值70.686.7478.4364.5451.85实测值70.679.674.516656误差％08.975.26-2-7.41
19.由表3可知，泡沫型雷达吸波结构件的寿命评估值与实测值比较接近，准确性较好。实施例2
20.一种高分子材料(尼龙66)的寿命评估方法，采用冲击强度作为寿命评估物理量，步骤包括：步骤1，测定尼龙66的玻璃化温度，具体是按照标准gb/t 11998-1989测定尼龙66的玻璃化温度为47℃度，该尼龙66的工作温度为常温，冲击强度(即初始值)为10.67；步骤2，根据所得玻璃化温度，选定四个试验温度，要求试验温度和工作温度不能高于尼龙66玻璃化温度，四个试验温度区间接近或涵盖工作温度；确定的四个试验温度为60℃、90℃、120℃、150℃，步骤3，确定尼龙66的试验时间，根据式(ⅰ)确定试验的取样周期，t’t(h)＝2
n-1
……………………
(ⅰ)式中，n＝1、2
…
，且为整数，t’表示取样周期；确定的尼龙66取样周期为0(原始值)，6h，12h，24h，48h，72h；步骤4，根据所得试验温度、取样周期、试验时间开展热老化试验，具体是按照gb/t7141-2008《塑料热老化试验方法》、gb/t 2918-2018《塑料试样状态调节和试验的标准环
境》和橡胶标准开展热老化试验，得到的试验结果数据见表4；表4尼龙66的试验结果数据步骤5，根据式(ⅱ)对所得试验结果数据进行优化处理，使得误差函数φ最小；式中，ii表示第i个试验结果数据，i
i0
表示实际测试值，ti表示第i个试验结果数据的时间，ti表示第i个试验结果数据的温度，i＝1、2、3
…
n且为整数，ii(ti，ti)表示由计算结果形成的数组；本例中优化计算采用粒子优化算法，粒子数选择500个，最大迭代次数100000次，搜索空间7维，每维区间为：b＝[0,10000]；c＝[0,10000]；e1＝[-10,10]；f1＝[-1,1]；e2＝[-10,10]；f2＝[-1,1]；a＝[-50,50]；初始值为[1000,1000,1,0,1,0,10],计算过程如图1所示，计算结果(处理后得到)为：b＝6864.32990030601；c＝5565.46295463435；e1＝0.349848475331552；f1＝0.490632557709310；e2＝3.59851067084827；f2＝-0.0278888319590752；a＝37.9238459730711；步骤6，结合所得a，b，c，e1，f1，e2，f2的值以及尼龙66的工作温度，根据式(ⅲ)计算高分子材料在各温度下的寿命评估物理量(即冲击强度)，式中，i为寿命评估物理量(即冲击强度)，t为高分子材料的工作温度，t为高分子
材料所经历的时间；根据所得寿命评估物理量(即冲击强度)得到尼龙66寿命评估图表，如图2所示，由图2中标记点可见，25度15年(134100小时)时，冲击强度为9.527，比原始值10.67下降了10.71％，按照xx部件冲击强度低于原始值的60％为失效判据，判断送样尼龙66材料寿命大于15年。实施例3
[0021]
一种高分子材料(6302环氧树脂)的寿命评估方法，采用冲击强度作为寿命评估物理量，步骤包括：步骤1，测定6302环氧树脂的玻璃化温度，具体是按照标准gb/t 11998-1989测定6302环氧树脂的玻璃化温度为160℃，该6302环氧树脂的工作温度为0℃至65℃；步骤2，根据所得玻璃化温度，选定四个试验温度，要求试验温度和工作温度不能高于6302环氧树脂玻璃化温度，四个试验温度区间接近或涵盖工作温度；确定的四个试验温度为60℃、90℃、120℃、150℃；步骤3，确定6302环氧树脂的试验时间，根据式(ⅰ)确定试验的取样周期，t’t(h)＝2
n-1
……………………
(ⅰ)式中，n＝1、2
…
，且为整数，t’表示取样周期；确定的6302环氧树脂取样周期为0(原始值)，6h，12h，24h，48h，72h；步骤4，根据所得试验温度、取样周期、试验时间开展热老化试验，具体是按照gb/t7141-2008《塑料热老化试验方法》、gb/t 2918-2018《塑料试样状态调节和试验的标准环境》和橡胶标准开展热老化试验，得到的试验结果数据见表5；表5 6302环氧树脂的试验结果数据302环氧树脂的试验结果数据
步骤5，根据式(ⅱ)对所得试验结果数据进行优化处理，使得误差函数φ最小；式中，ii表示第i个试验结果数据，i
i0
表示实际测试值，ti表示第i个试验结果数据的时间，ti表示第i个试验结果数据的温度，i＝1、2、3
…
n且为整数，ii(ti，ti)表示由计算结果形成的数组；本次优化计算计算结果(处理后得到)为：b＝10000；c＝7400.91128615322；e1＝9.99999999999993；f1＝0.102930939449222；e2＝4.47742098066899；f2＝-1.27049596934491；a＝0.263640000000000；步骤6，结合所得a，b，c，e1，f1，e2，f2的值以及6302环氧树脂的工作温度，根据式(ⅲ)计算6302环氧树脂在各温度下的寿命评估物理量(即冲击强度)，式中，i为寿命评估物理量(即冲击强度)，t为高分子材料的工作温度，t为高分子材料所经历的时间；根据所得寿命评估物理量(即冲击强度)得到6302环氧树脂寿命评估图表，如图3所示，由图3中标记点可见，25度15年(134100小时)时，冲击强度为1.491，比原始值1.57下降了5.03％，按照xx部件冲击强度低于原始值的60％为失效判据，判断送样6302环氧树脂材料寿命大于15年。
[0022]
寿命预估：25℃，15年尼龙66的老化下降量大于6302环氧树脂的的老化下降量，故以尼龙66的老化曲线作为基础，计算80℃环境下冲击强度小于原始值60％的时间，计算结果见图4。见图4中标记点，在时间7200小时、温度80℃时，冲击强度下降为6.291，为原始值的58.95％。

技术特征：

1.一种高分子材料寿命评估方法，其特征在于，步骤包括：步骤1，测定高分子材料的玻璃化温度；步骤2，根据所得玻璃化温度，选定至少四个试验温度，要求试验温度和工作温度不能高于高分子材料玻璃化温度，四个试验温度区间接近或涵盖工作温度；步骤3，确定高分子材料的试验时间，根据式(ⅰ)确定试验的取样周期，t’(h)＝2
n-1
……………………
(ⅰ)式中，n＝1、2
…
，且为整数，t’表示取样周期；步骤4，根据所得试验温度、取样周期、试验时间开展热老化试验，并测定、统计试验结果数据；步骤5，根据式(ⅱ)对所得试验结果数据进行优化处理，使得误差函数φ最小，得到a，b，c，e1，f1，e2，f2的值，；式中，i
i
表示第i个试验结果数据，i
i0
表示实际测试值，t
i
表示第i个试验结果数据的时间，t
i
表示第i个试验结果数据的温度，i＝1、2、3
…
n且为整数，i
i
(t
i
，t
i
)表示由计算结果形成的数组；步骤6，结合所得a，b，c，e1，f1，e2，f2的值以及高分子材料的工作温度，根据式(ⅲ)计算得到高分子材料的寿命评估物理量，根据所得寿命评估物理量预估高分子材料寿命；式中，i为寿命评估物理量，t为高分子材料的工作温度，t为高分子材料所经历的时间。2.根据权利要求1所述的高分子材料寿命评估方法，其特征在于：所述高分子材料为泡沫型雷达吸波结构件、尼龙66或6302环氧树脂。3.根据权利要求1所述的高分子材料寿命评估方法，其特征在于：所述高分子材料为泡沫型雷达吸波结构件时，所述的式(ⅲ)简化成式(ⅳ)，式中，i为寿命评估物理量，t为高分子材料的工作温度，t为高分子材料所经历的时间，k＝8.31。4.一种高分子材料寿命评估系统，包括计算机，计算机包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤/功能：
s1，读取输入的试验结果数据；s2，采用matlab软件，按照式(ⅱ)计算出a，b，c，e1，f1，e2，f2的值；式中，i
i
表示第i个试验结果数据，i
i0
表示实际测试值，t
i
表示第i个试验结果数据的时间，t
i
表示第i个试验结果数据的温度，i＝1、2、3
…
n且为整数，i
i
(t
i
，t
i
)表示由计算结果形成的数组；s3，读取输入的高分子材料类型及其工作温度数据、所经历的试验时间数据；s4，读取步骤s2所得a，b，c，e1，f1，e2，f2的值,根据式(ⅲ)计算并输出高分子材料的寿命评估物理量，式中，i为寿命评估物理量，t为高分子材料的工作温度，t为高分子材料所经历的时间；s5，根据所得寿命评估物理量生成高分子材料的寿命图表。5.根据权利要求4所述的高分子材料寿命评估系统，其特征在于：当读取到输入的高分子材料为泡沫型雷达吸波结构件时，步骤s4中，直接调用计算模型式(ⅳ)，根据式(ⅲ)计算并输出它的寿命评估物理量，式中，i为寿命评估物理量，t为高分子材料的工作温度，t为高分子材料所经历的时间，k＝8.31。

技术总结

本发明提供了一种高分子材料寿命评估方法和高分子材料寿命评估系统，包括：测定高分子材料的玻璃化温度，根据所得玻璃化温度，选定至少四个试验温度，确定高分子材料的试验时间，确定试验的取样周期，根据所得试验温度、取样周期、试验时间开展热老化试验，并测定、统计试验结果数据；对所得试验结果数据进行优化处理，使得误差函数最小，确定高分子材料的寿命评估物理量，根据所得寿命评估物理量预估高分子材料寿命；采用本发明的方案，能够快速、准确地进行高分子材料老化行为研究，评估出的高分子材料寿命与实际情况几乎一致。子材料寿命与实际情况几乎一致。子材料寿命与实际情况几乎一致。