摘 要：文章介紹了非金屬材料球壓試驗(yàn)方法，具體對(duì)非金屬材料球壓試驗(yàn)的測量依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)過程進(jìn)行了介紹，就其中影響非金屬材料球壓試驗(yàn)以及測量不確定度值最為關(guān)鍵的測量儀器、測量人員兩個(gè)因素進(jìn)行了計(jì)算和評(píng)定，并計(jì)算合成出了標(biāo)準(zhǔn)不確定度及擴(kuò)展不確定度等值，從而最終評(píng)定出非金屬材料球壓試驗(yàn)的測量結(jié)果。

關(guān)鍵詞：非金屬材料；球壓試驗(yàn)；測量不確定度評(píng)定

引言

非金屬材料各種性能對(duì)溫度承受的能力都有一定界限。如在強(qiáng)高溫下，非金屬材料的電氣性能、機(jī)械強(qiáng)度及硬度等性能極容易被影響，從而失去其原有的特性。尤其當(dāng)非金屬材料所處溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正?？刂品秶鷷r(shí)，有些產(chǎn)品的絕緣特性有可能逐漸被瓦解，甚至可能完全喪失殆盡，最終被高溫軟化或完全融化成液態(tài)糊狀。往往日常生活中的一系列火災(zāi)、觸電等安全事故都是因非金屬材料因所處溫度太高，導(dǎo)致其自身固有的機(jī)械強(qiáng)度、硬度以及電器性能等逐漸喪失而引發(fā)的。目前，我國衡量非金屬材料耐熱性能最主要的方法之一就是進(jìn)行球壓試驗(yàn)。為此，文章力圖對(duì)非金屬材料進(jìn)行球壓試驗(yàn)，以及測量不確定度評(píng)定來論證非金屬材料的生產(chǎn)是否合乎國家安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，從而保障好人們的日常安全。

1 實(shí)驗(yàn)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)過程

此次球壓試驗(yàn)的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T5169.21-2006《電工電子產(chǎn)品著火危險(xiǎn)試驗(yàn)第21部分：非正常熱球壓試驗(yàn)》中對(duì)非金屬材料耐熱性球壓試驗(yàn)的規(guī)定。試驗(yàn)過程：（1）試驗(yàn)前將被試樣片在溫度20～35℃之間，相對(duì)濕度50～75%之間的恒溫恒濕裝置內(nèi)至少放置24h。（2）球壓置于烘箱中，烘箱溫度設(shè)為80±2℃，在此狀態(tài)下穩(wěn)定24h或達(dá)到熱平衡，取二者間小者。（3）從恒溫恒濕箱內(nèi)取出樣片，置于球壓裝置中，保持表面水平，并向被試樣片表面施加20N的壓力，烘箱溫度保持80±2℃，時(shí)間60±2min。（4）把球壓裝置從烘箱移開，取出被試樣片，浸入到水溫為20±5℃的水中2～5s，冷卻6±2mim后從烘箱取出，在2～3min內(nèi)測量由球面引起的壓痕直徑，并如實(shí)做好記錄。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 評(píng)定條件和方法

據(jù)研究，影響壓痕直徑評(píng)定的因素主要有：測量儀器、測量人員、材料的材質(zhì)、溫度、材料厚度等。本次測量人員是由專業(yè)知識(shí)扎實(shí)，儀器設(shè)備使用熟練、科學(xué)，以及測量經(jīng)驗(yàn)豐富、高效的試驗(yàn)人員進(jìn)行測定。本次采用的測試樣品是無色條狀的聚碳酸酯樣片，標(biāo)稱尺寸讀取為80×40mm的長度，厚度則為3.0mm且可切割。本次球壓轉(zhuǎn)置所使用的鋼珠球直徑為5mm，將模擬一定條件下的強(qiáng)高溫環(huán)境，并對(duì)試驗(yàn)樣品施加一個(gè)垂直其水平表面的20N的壓力，1小時(shí)后使用測量儀器觀察鋼珠壓力球在無色透明聚碳酸酯樣片表面的壓痕直徑大小，同時(shí)計(jì)算出其測量不確定度值，最終評(píng)定出非金屬材料聚碳酸酯樣片在強(qiáng)高溫性能的變化。

2.2 測量儀器引入的不確定度

測量儀器是由制造商標(biāo)注為PEAK，型號(hào)規(guī)格2034-20的測量顯微鏡。該款顯微鏡刻度放大倍數(shù)為20倍，能清晰確定壓痕尺距；根據(jù)廠商提供的校準(zhǔn)證書不確定度標(biāo)明為U=0.01mm，k=2的包含因子以及95%置信水平，適用測量不確定度B類方法進(jìn)行評(píng)定。

根據(jù)擴(kuò)展不確定度U=0.01mm，包含因子k=2，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

UE1=0.01/2=0.005mm

2.3 測量人員測量引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

在滿足重復(fù)性條件下，按照以往的球壓試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)人員測量的不確定度評(píng)定采用A類不確定度方法分量。人員測量不確定度誤差主要是因測量時(shí)多次調(diào)焦以及頻繁十字線卡邊界時(shí)導(dǎo)致，因此要求在同等條件下多次測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)定。本次試驗(yàn)選擇同一材料，按照標(biāo)準(zhǔn)要求切割為10個(gè)樣品，讀取數(shù)據(jù)測量，得到如下數(shù)值：0.882，0.857，0.872，0.843，0.860，0.872，0.855，0.857，0.864，0.862（單位mm）。

10次獨(dú)立測量數(shù)據(jù)平均值計(jì)算為：X=0.862

由貝塞爾公式可得：s==0.011mm

實(shí)際工作中，要求每個(gè)樣品各測量3次取平均值，由以上條件得出人員測量引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

UE2=S/3=0.004mm

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的討論

由于測量顯微鏡儀器與測量人員不確定度等兩個(gè)不確定度分量不存在相關(guān)性，故兩者測量讀取數(shù)據(jù)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算為：

Uc=（UE12+UE22）1/2=0.00640mm

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可估計(jì)為正態(tài)分布，取包含因子k=2，對(duì)應(yīng)于包含概率約為95%的壓痕直徑測量的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算為：

U（d）=Uc×k=0.013mm

本次非金屬材料聚碳酸酯樣片球壓試驗(yàn)結(jié)果通過壓痕直徑d的顯微鏡測量結(jié)果來進(jìn)行評(píng)定，本次壓痕直徑的測量結(jié)果由10次不同方向測量數(shù)據(jù)計(jì)算平均值給出：

d=1.76<2mm

通過以上球壓試驗(yàn)壓痕直徑測量結(jié)果不確定度的分析、計(jì)算表明，影響非金屬材料球壓試驗(yàn)結(jié)果的兩個(gè)主要因素是測量人員和測量儀器。然而，經(jīng)過最終分析，影響測量結(jié)果不確定度的因素主要是測量人員對(duì)樣片的重復(fù)性讀取誤差以及顯微鏡刻度誤差所導(dǎo)致。因此，注重規(guī)范對(duì)球壓試驗(yàn)儀器的操作和人員的操作，對(duì)于球壓試驗(yàn)有科學(xué)性指導(dǎo)意義。必要時(shí)可加強(qiáng)對(duì)試驗(yàn)人員試驗(yàn)操作培訓(xùn)和相應(yīng)的練習(xí)，以減小球壓直徑測量結(jié)果的不確定度，從而提高非金屬材料耐熱性能評(píng)定的精確度。

4 結(jié)束語

對(duì)非金屬材料進(jìn)行球壓試驗(yàn)，如測量數(shù)值經(jīng)評(píng)定后在科學(xué)合理范圍內(nèi)，則說明此非金屬材料合乎國家安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，其在異常高溫下不會(huì)因電壓問題導(dǎo)致性能改變，以及引起火災(zāi)等危險(xiǎn)事故。雖然球壓試驗(yàn)看上去形式簡單，環(huán)節(jié)不多，然而要得出一個(gè)科學(xué)、有效的試驗(yàn)測試結(jié)果必須要做到嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，謹(jǐn)遵實(shí)驗(yàn)步驟，徹

底避免試驗(yàn)過程的任何失誤，以確保試驗(yàn)完滿成功。

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