非金属材料球压试验及测量不确定度评定

摘 要：文章介绍了非金属材料球压试验方法，具体对非金属材料球压试验的测量依据标准和试验过程进行了介绍，就其中影响非金属材料球压试验以及测量不确定度值最为关键的测量仪器、测量人员两个因素进行了计算和评定，并计算合成出了标准不确定度及扩展不确定度等值，从而最终评定出非金属材料球压试验的测量结果。

关键词：非金属材料；球压试验；测量不确定度评定

引言

非金属材料各种性能对温度承受的能力都有一定界限。如在强高温下，非金属材料的电气性能、机械强度及硬度等性能极容易被影响，从而失去其原有的特性。尤其当非金属材料所处温度远远超过正常控制范围时，有些产品的绝缘特性有可能逐渐被瓦解，甚至可能完全丧失殆尽，最终被高温软化或完全融化成液态糊状。往往日常生活中的一系列火灾、触电等安全事故都是因非金属材料因所处温度太高，导致其自身固有的机械强度、硬度以及电器性能等逐渐丧失而引发的。目前，我国衡量非金属材料耐热性能最主要的方法之一就是进行球压试验。为此，文章力图对非金属材料进行球压试验，以及测量不确定度评定来论证非金属材料的生产是否合乎国家安全生产标准，从而保障好人们的日常安全。

1 实验依据的标准和试验过程

此次球压试验的依据标准有GB/T5169.21-2006《电工电子产品着火危险试验第21部分：非正常热球压试验》中对非金属材料耐热性球压试验的规定。试验过程：（1）试验前将被试样片在温度20～35℃之间，相对湿度50～75%之间的恒温恒湿装置内至少放置24h。（2）球压置于烘箱中，烘箱温度设为80±2℃，在此状态下稳定24h或达到热平衡，取二者间小者。（3）从恒温恒湿箱内取出样片，置于球压装置中，保持表面水平，并向被试样片表面施加20N的压力，烘箱温度保持80±2℃，时间60±2min。（4）把球压装置从烘箱移开，取出被试样片，浸入到水温为20±5℃的水中2～5s，冷却6±2mim后从烘箱取出，在2～3min内测量由球面引起的压痕直径，并如实做好记录。

2 试验数据分析

2.1 评定条件和方法

据研究，影响压痕直径评定的因素主要有：测量仪器、测量人员、材料的材质、温度、材料厚度等。本次测量人员是由专业知识扎实，仪器设备使用熟练、科学，以及测量经验丰富、高效的试验人员进行测定。本次采用的测试样品是无色条状的聚碳酸酯样片，标称尺寸读取为80×40mm的长度，厚度则为3.0mm且可切割。本次球压转置所使用的钢珠球直径为5mm，将模拟一定条件下的强高温环境，并对试验样品施加一个垂直其水平表面的20N的压力，1小时后使用测量仪器观察钢珠压力球在无色透明聚碳酸酯样片表面的压痕直径大小，同时计算出其测量不确定度值，最终评定出非金属材料聚碳酸酯样片在强高温性能的变化。

2.2 测量仪器引入的不确定度

测量仪器是由制造商标注为PEAK，型号规格2034-20的测量显微镜。该款显微镜刻度放大倍数为20倍，能清晰确定压痕尺距；根据厂商提供的校准证书不确定度标明为U=0.01mm，k=2的包含因子以及95%置信水平，适用测量不确定度B类方法进行评定。

根据扩展不确定度U=0.01mm，包含因子k=2，计算出标准不确定度：

UE1=0.01/2=0.005mm

2.3 测量人员测量引起的标准不确定度

在满足重复性条件下，按照以往的球压试验经验，对人员测量的不确定度评定采用A类不确定度方法分量。人员测量不确定度误差主要是因测量时多次调焦以及频繁十字线卡边界时导致，因此要求在同等条件下多次测量数据进行统计评定。本次试验选择同一材料，按照标准要求切割为10个样品，读取数据测量，得到如下数值：0.882，0.857，0.872，0.843，0.860，0.872，0.855，0.857，0.864，0.862（单位mm）。

10次独立测量数据平均值计算为：X=0.862

由贝塞尔公式可得：s==0.011mm

实际工作中，要求每个样品各测量3次取平均值，由以上条件得出人员测量引起的标准不确定度为：

UE2=S/3=0.004mm

3 试验数据的讨论

由于测量显微镜仪器与测量人员不确定度等两个不确定度分量不存在相关性，故两者测量读取数据的合成标准不确定度计算为：

Uc=（UE12+UE22）1/2=0.00640mm

合成标准不确定度可估计为正态分布，取包含因子k=2，对应于包含概率约为95%的压痕直径测量的扩展标准不确定度计算为：

U（d）=Uc×k=0.013mm

本次非金属材料聚碳酸酯样片球压试验结果通过压痕直径d的显微镜测量结果来进行评定，本次压痕直径的测量结果由10次不同方向测量数据计算平均值给出：

d=1.76<2mm

通过以上球压试验压痕直径测量结果不确定度的分析、计算表明，影响非金属材料球压试验结果的两个主要因素是测量人员和测量仪器。然而，经过最终分析，影响测量结果不确定度的因素主要是测量人员对样片的重复性读取误差以及显微镜刻度误差所导致。因此，注重规范对球压试验仪器的操作和人员的操作，对于球压试验有科学性指导意义。必要时可加强对试验人员试验操作培训和相应的练习，以减小球压直径测量结果的不确定度，从而提高非金属材料耐热性能评定的精确度。

4 结束语

对非金属材料进行球压试验，如测量数值经评定后在科学合理范围内，则说明此非金属材料合乎国家安全生产标准，其在异常高温下不会因电压问题导致性能改变，以及引起火灾等危险事故。虽然球压试验看上去形式简单，环节不多，然而要得出一个科学、有效的试验测试结果必须要做到严格按照实验标准，谨遵实验步骤，彻

底避免试验过程的任何失误，以确保试验完满成功。

参考文献

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