玻璃纤维增强塑料冲击韧性测量不确定度评定

摘 要：本文对玻璃纤维增强塑料冲击韧性试验测试数据进行了不确定度的评定，并分析了影响结果不确定度的几个因素。指出了试验过程中的注意事项，说明了不确定度评定的重要意义。

关键词：玻璃钢；冲击韧性；不确定度

中图分类号：TQ327 文献标识码：A

玻璃纤维增强塑料（FRP）是一种以玻璃纤维增强不饱和聚酯、环氧树脂与酚醛树脂为基体材料的复合塑料。在我国被俗称为“玻璃钢”。作为复合材料的一种，玻璃钢因其具有质轻、强度高、耐腐蚀等独特的性能优势，在航空航天、铁道铁路、装饰建筑、家居家具、建材卫浴和环卫工程等相关行业中得到了广泛应用。

多场合的应用对玻璃钢的力学性能要求很高，而力学性能的优劣需要用力学性能试验来证明，因此力学性能试验数据的准确性显得尤为重要，试验数据的准确性与所用的计量仪器是否准确以及测量不确定度是否合理密切相关，对玻璃钢制品冲击韧性试验结果有影响的因素很多，除了原材料配比不同导致冲击性能不同外，还有很多其它因素，如测量的重复性，仪器的精度等，因此，有必要对这些影响试验结果的因素进行研究。

1 方法概述

根据GB/T1451-2005《纤维增强塑料简支梁式冲击韧性试验方法》，在环境温度为23℃，湿度为53%的条件下测量了一种玻璃纤维增强塑料的冲击韧性，相关实验数据及计算结果见表1：測量开有“V”形缺口的试样（如图1所示）缺口处的宽度和缺口处的最小厚度，精确到0.01mm，将试样两端水平放置在支撑物上，缺口背向冲击摆锤，摆锤向试样中间撞击一次（如图2所示），使试样受冲击时产生应力集中而迅速破坏。记录冲击冲断试样所消耗的功，带入计算公式得出冲击韧性计算结果。实验使用的仪器为XJJ-50型冲击韧性试验机，测量范围为0～15J，示值误差为0.15J，游标卡尺，测量范围为0～150mm，示值误差为0.01mm。

2 数学模型

冲击韧性的计算公式为：

ak为冲击韧性，单位为千焦耳每平方米（kJ/m2）；A为冲断试样所消耗的功，单位为焦耳（J）；b为试样缺口处的宽度，单位为毫米（mm）；d为试样缺口处的最小厚度，单位为毫米（mm）。

根据上式可知，在检测过程中主要有：（1）冲击试验机和游标卡尺的误差引起的不确定度，称之为B类标准不确定度。（2）试样宽度、厚度以及冲击功的测量重复性引起的不确定度，称之为A类标准不确定度。

3 不确定度的评定

3.1 测量不确定度的评定方法

A类标准不确定度分量是用统计分析法来评定的，可用平均值的标准差与测量次数的开方n1/2的比值来计算，即

B类标准不确定度的分量不能用统计分析法评定，而是基于其它方法估计概率分布或分布假设来评定标准差并得到标准不确定度，若只是考虑仪器本身的误差，可以得到B类标准不确定度分量为

式中：a是指仪器本身的误差值，k的取值与仪器误差分布的特性有关。

当仪器在误差区间均匀分布时，则k=。

3.2 测量不确定度的评定

（1）试样宽度b测量不确定度

游标卡尺示值误差引起的不确定度u（b1），试验用游标卡尺示值误差为0.01mm，由此可得游标卡尺引起的标准不确定度为

宽度测量重复性引起的不确定度

故该宽度的合成标准不确定度为

宽度的相对标准不确定度为

u（b）=0.131%

（2）试样厚度d的测量不确定度

游标卡尺示值误差引起的不确定度u（d1），试验用游标卡尺示值误差为0.01mm，由此可得游标卡尺引起的标准不确定度为

厚度测量重复性引起的不确定度

故该厚度的合成标准不确定度为

厚度的相对标准不确定度为

u（d）=0.159%

（3）冲击功的不确定度

查阅仪器的说明书可知，该仪器的示值误差不确定度为0.15J，其包含因子为k=2，因此其标准不确定度为

冲击功测量重复性引起的不确定度

故该冲击功的合成标准不确定度为

冲击功的相对标准不确定度为

u（A）=0.912%

3.3 其它因素引起的不确定度

在实际测试中，还有很多因素对实验数据的不确定度造成了影响，比如材料试验的时机、实验室的温湿度环境，试样的摆放位置等，对冲击韧性的影响很小，因此可以忽略不计。

3.4 冲击韧性合成相对标准不确定度

根据测试结果，可知其合成标准不确定度为

u=Urel×ak=0.935%×151.96=1.42kJ/m2

3.5 不确定度报告

本次试样冲击韧性测试结果为：ak=151.96±2.84kJ/m2，包含因子k=2，这表明，可以期望在（151.96-2.84）～（151.96+2.84）区间内包含了冲击韧性测量结果可能值的95%。

结论

在置信概率为95%的情况下，本次试样冲击韧性的扩展不确定度为U=2.84kJ/m2，包含因子k=2。

从不确定度分量评定分析来看，冲击功的准确与否对冲击韧性结果影响较大，因此在质量体系运行过程中，要重视对试验仪器设备的维护保养，检定或校准要及时，保证其精度可靠；同时试验过程操作应准确一致，尽量减少因认为误差而引起的不确定度。

参考文献

[1]黎骏昭，敖卓炳，周肖枝.玻璃纤维增强塑料夹砂管初始环刚度不确定度评定[J].江西建材，2014（14）：6-7.