依據(jù)紅外光譜分析方法得到的典型紅外光譜,光譜帶清晰,特征顯著。本文采用均值聚類方法求得每個(gè)波峰對(duì)應(yīng)的特征波數(shù),聚類是將數(shù)據(jù)集內(nèi)相似的對(duì)象歸到同一個(gè)簇中的過(guò)程,均值聚類算法中每個(gè)簇的中心值為簇中所含數(shù)據(jù)的均值,特征波數(shù)即每個(gè)波峰對(duì)應(yīng)的一簇波數(shù)的中心值。90℃、150℃老化條件下,樣品材料紅外光譜透過(guò)率在不同波數(shù)上的分布如圖6所示,通過(guò)均值聚類得到兩組樣品的特征波數(shù)分別為；2909,2352,1726,1253,1040,905,699(cm-1)3675,2352,2909,1726,1492,1253,1040,905,699(cm-1)。因150℃時(shí),波數(shù)3675cm-1處的數(shù)據(jù)較少,故取試樣的紅外特征波數(shù)為2909,2352,1726,1253,1040,905,699(cm-1)。由圖可以看出,90℃下相同波數(shù)處紅外透過(guò)率分布較為集中,150℃下相同波數(shù)處紅外透過(guò)率分布較為分散,可知在較高溫度下,不同老化階段,紅外透過(guò)率分散性較大。

力學(xué)性能與紅外光譜特性相關(guān)性

從紅外光譜分析結(jié)果可知,玻璃鋼產(chǎn)品隨著老化的時(shí)間加長(zhǎng),樹(shù)脂材料的主要成分會(huì)發(fā)生變化,為找到哪個(gè)特征波數(shù)下紅外光譜透過(guò)率與力學(xué)性能具有明顯的相關(guān)性,分別對(duì)150℃ 、90℃ 溫度老化條件下的兩組試件進(jìn)行材料的紅外光譜透過(guò)率與拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量4 個(gè)性能參數(shù)的相關(guān)性分析。

為降低不同樣品制樣和測(cè)試環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差,對(duì)紅外光譜透過(guò)率與拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量4 個(gè)性能參數(shù)均采取相對(duì)變化處理,相對(duì)變化率即波數(shù)最大值點(diǎn)的透過(guò)率與實(shí)際透過(guò)率的比值,4個(gè)性能參數(shù)的變化率則為實(shí)測(cè)性能與未老化的性能的比值(例如強(qiáng)度變化率= 實(shí)測(cè)強(qiáng)度/ 初始強(qiáng)度),紅外光譜透過(guò)率變化率與拉伸強(qiáng)度彎曲模量變化率相關(guān)系數(shù)分別用K_T-T 、K_T-TM 、K_T-B 、 K_T-BM 表示。特征波數(shù)為2909 、2352 、1726 、1253 、1040 、 905 、699 (cm^-1 )處的紅外光譜透過(guò)率變化率與力學(xué)能變化率相關(guān)系數(shù)。

從表可以看出,老化溫度90℃ 時(shí),波數(shù)2352cm^-1 處,材料紅外光譜透過(guò)率變化率與拉伸強(qiáng)度變化率相關(guān)性較強(qiáng),約為-0.85 ;采用多項(xiàng)式回歸模型擬合得到數(shù)據(jù)的一階擬合方程為y=-1.35x+2.52 ,相關(guān)系數(shù)R² 為0.73 ,二階擬合方程為y=-7.12x2+15.05x-6.92 ,相關(guān)系數(shù) R² 為0.74 。其他波數(shù)下,材料紅外光透過(guò)性變化率與力學(xué)性能變化率相關(guān)性較差。

基于紅外光譜的材料性能監(jiān)測(cè)方法

玻璃鋼在90℃老化條件下,波數(shù)2352cm^-1 處拉伸強(qiáng)度度變化率與紅外光譜透過(guò)率相對(duì)變化率負(fù)相關(guān),并且,隨著老化的時(shí)間加長(zhǎng),樹(shù)脂材料的主要成分會(huì)發(fā)生變化,而玻璃鋼的拉伸強(qiáng)度下降。據(jù)此,可以在生產(chǎn)玻璃鋼產(chǎn)品時(shí),預(yù)留相同條件試塊作為樣品,定期進(jìn)行光譜監(jiān)測(cè),當(dāng)主要成分發(fā)生變化,且2352cm^-1 處紅外光譜透過(guò)率發(fā)生明顯增加時(shí),玻璃鋼使用性能可以定性評(píng)價(jià)為不可再用。

監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用舉例:假設(shè)連續(xù)檢測(cè)3次構(gòu)件的紅外光譜透過(guò)率為1.17 、1.175 、1.18 ,通過(guò)調(diào)用建立紅外光透過(guò)性與力學(xué)性能變化率關(guān)系模型,可知當(dāng)前拉伸強(qiáng)度保留率約為初期的92%～94% ,進(jìn)而結(jié)合產(chǎn)品的材料性能要求和設(shè)計(jì)安全余量對(duì)產(chǎn)品的使用性能可靠性做出判斷。

通過(guò)高溫加速老化條件下的力學(xué)性能測(cè)試和紅外光譜特性測(cè)試研究發(fā)現(xiàn),在90℃ 老化條件下,波數(shù) 2352cm^-1 處玻璃鋼拉伸強(qiáng)度變化率與紅外光透過(guò)率相對(duì)變化率負(fù)相關(guān),受試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣品數(shù)量限制,其他波數(shù)位置上以及不同樹(shù)脂材料是否存在類似關(guān)系須進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

紅外光譜分析的在用玻璃鋼產(chǎn)品力學(xué)性能監(jiān)測(cè)方法,該方法利用玻璃鋼材料的紅外光譜特性和力學(xué)性能的相關(guān)性,在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)留相同條件樣品,定期對(duì)其進(jìn)行光譜特性測(cè)試,通過(guò)監(jiān)測(cè)樣品的指定波數(shù)上的透過(guò)率的相對(duì)變化率,實(shí)現(xiàn)對(duì)在用玻璃鋼產(chǎn)品力學(xué)性能監(jiān)測(cè)。