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Ⅰ型和Ⅱ型材料撓曲強(qiáng)度檢測(cè)

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發(fā)布時(shí)間：2025-08-01 20:59:42 更新時(shí)間：2025-07-31 20:59:43

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測(cè)中心

Ⅰ型和Ⅱ型材料撓曲強(qiáng)度檢測(cè)

撓曲強(qiáng)度（或彎曲強(qiáng)度）是衡量材料抵抗彎曲變形和斷裂能力的關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)，廣泛應(yīng)用于塑料、復(fù)合材料、陶瓷、金屬等各類材料的質(zhì)量控制和研發(fā)評(píng)價(jià)中。對(duì)于Ⅰ型和Ⅱ型材料的區(qū)分（常見(jiàn)于特定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如醫(yī)療器械中依據(jù)預(yù)期用途或風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的分類），撓曲強(qiáng)度檢測(cè)尤為重要。Ⅰ型材料通常指預(yù)期與人體長(zhǎng)期接觸或植入體內(nèi)的關(guān)鍵材料（如骨科植入物、牙科材料），對(duì)生物相容性和長(zhǎng)期力學(xué)穩(wěn)定性要求極高；Ⅱ型材料則可能指與人體短期接觸或非植入的中等風(fēng)險(xiǎn)材料（如部分器械外殼、非承重部件）。精確評(píng)估其撓曲強(qiáng)度，直接關(guān)系到產(chǎn)品的安全性、可靠性與使用壽命。因此，建立科學(xué)、規(guī)范的檢測(cè)流程，選擇合適的項(xiàng)目、儀器、方法及嚴(yán)格遵循相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，是確保檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠、具有可比性的基石。

檢測(cè)項(xiàng)目

撓曲強(qiáng)度檢測(cè)的核心項(xiàng)目是測(cè)定材料在三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲載荷下發(fā)生斷裂或達(dá)到規(guī)定撓度時(shí)的最大彎曲應(yīng)力。主要參數(shù)包括：

撓曲強(qiáng)度 (Flexural Strength): 材料在彎曲載荷作用下斷裂前所能承受的最大表面應(yīng)力，通常以兆帕 (MPa) 表示。
撓曲模量 (Flexural Modulus): 反映材料在彈性彎曲變形階段抵抗變形的能力，即彎曲應(yīng)力與應(yīng)變的比例關(guān)系，是材料剛度的度量，單位通常為兆帕 (MPa) 或吉帕 (GPa)。
最大撓度 (Maximum Deflection): 試樣在斷裂或測(cè)試結(jié)束時(shí)所達(dá)到的最大彎曲位移量。
載荷-撓度曲線 (Load-Deflection Curve): 記錄整個(gè)彎曲過(guò)程中載荷與試樣中點(diǎn)撓度變化的曲線，用于分析材料的變形行為和可能的屈服點(diǎn)。

對(duì)于Ⅰ型植入材料，還需特別關(guān)注在模擬體液環(huán)境（如生理鹽水、PBS緩沖液）下進(jìn)行長(zhǎng)期或循環(huán)加載后的撓曲性能變化，以評(píng)估其體內(nèi)服役的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。Ⅱ型材料的檢測(cè)則更側(cè)重于常規(guī)條件下的基本力學(xué)性能達(dá)標(biāo)。

檢測(cè)儀器

撓曲強(qiáng)度檢測(cè)主要依賴萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī) (Universal Testing Machine, UTM) 進(jìn)行，并配備專用的彎曲夾具：

三點(diǎn)彎曲夾具 (Three-Point Bending Fixture): 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由兩個(gè)下支撐輥和一個(gè)上加載輥組成。試樣跨放在兩個(gè)固定支撐輥上，加載輥在試樣中心位置向下施加載荷。計(jì)算撓曲強(qiáng)度時(shí)主要考慮試樣中心的最大應(yīng)力。此方法操作簡(jiǎn)便，應(yīng)用最廣。
四點(diǎn)彎曲夾具 (Four-Point Bending Fixture): 由兩個(gè)下支撐輥和兩個(gè)上加載輥組成。兩個(gè)加載輥在試樣跨距內(nèi)對(duì)稱施加載荷。四點(diǎn)彎曲在加載輥之間的區(qū)域產(chǎn)生純彎曲（即恒定彎矩），無(wú)剪切力影響，更能真實(shí)反映材料的彎曲性能，尤其適用于評(píng)估材料均勻性或表面缺陷的影響。

試驗(yàn)機(jī)需具備精確的載荷傳感器（量程需覆蓋預(yù)期斷裂載荷）和高分辨率的位移測(cè)量裝置（如引伸計(jì)或光學(xué)編碼器）。對(duì)于Ⅰ型材料在模擬生理環(huán)境下的測(cè)試，還需配備環(huán)境箱，能夠精確控制測(cè)試介質(zhì)的溫度（通常為37±1°C）和可能的浸泡條件。

檢測(cè)方法

標(biāo)準(zhǔn)的撓曲強(qiáng)度測(cè)試方法主要依據(jù)三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲原理進(jìn)行：

試樣制備: 嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求裁切或注塑成型試樣（通常為矩形長(zhǎng)條）。精確測(cè)量試樣的寬度和厚度（關(guān)鍵尺寸），記錄平均值。
跨距設(shè)定: 根據(jù)試樣厚度和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（通?？缇郘是試樣厚度h的16倍左右，如ASTM D790中L=16h），精確調(diào)整支撐輥之間的距離（跨距L）。
裝樣: 將試樣水平放置在支撐輥上，確保試樣長(zhǎng)軸與支撐輥和加載輥垂直，試樣中心對(duì)準(zhǔn)加載點(diǎn)（三點(diǎn)彎曲）或位于加載輥對(duì)稱中心（四點(diǎn)彎曲）。
測(cè)試參數(shù)設(shè)置: 設(shè)定試驗(yàn)速度。關(guān)鍵參數(shù)是加載點(diǎn)的移動(dòng)速率。標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 178, ASTM D790）通常根據(jù)材料類型規(guī)定應(yīng)變速率（跨距中點(diǎn)外表面纖維的應(yīng)變速率）或等效的橫梁位移速率。常見(jiàn)范圍為1 mm/min 到 10 mm/min，脆性材料宜慢，韌性材料可稍快。設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率。
測(cè)試執(zhí)行: 啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，加載輥以恒定速度向下移動(dòng)，對(duì)試樣施加彎曲力。持續(xù)加載直至試樣斷裂（脆性材料）或達(dá)到規(guī)定的最大撓度（韌性材料，如5%應(yīng)變）。
數(shù)據(jù)記錄: 試驗(yàn)機(jī)軟件實(shí)時(shí)記錄載荷和撓度數(shù)據(jù)，并自動(dòng)繪制載荷-撓度曲線。
結(jié)果計(jì)算:
- 三點(diǎn)彎曲撓曲強(qiáng)度 (σ_f3): σ_f3 = (3 * F * L) / (2 * b * h2) (F: 最大載荷, L: 跨距, b: 試樣寬度, h: 試樣厚度)
- 四點(diǎn)彎曲撓曲強(qiáng)度 (σ_f4): σ_f4 = (F * L) / (b * h2) (對(duì)于跨距內(nèi)等彎矩情況，F(xiàn)為總載荷，L為外跨距)
- 撓曲模量 (E_f)): 通過(guò)載荷-撓度曲線的初始線性段斜率計(jì)算。E_f = (L3 * m) / (4 * b * h3) (三點(diǎn)彎曲, m: 線性段斜率即載荷/撓度) 或 E_f = (L3 * m) / (b * h3) (四點(diǎn)彎曲特定形式)。

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

進(jìn)行Ⅰ型和Ⅱ型材料撓曲強(qiáng)度檢測(cè)時(shí)，必須嚴(yán)格遵循國(guó)際、國(guó)家或行業(yè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。常用核心標(biāo)準(zhǔn)包括：

標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)	標(biāo)準(zhǔn)名稱	適用范圍/要點(diǎn)
ISO 178	Plastics - Determination of flexural properties	國(guó)際通用塑料撓曲性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定三點(diǎn)彎曲方法為主，詳細(xì)說(shuō)明試樣、步驟、計(jì)算。
ASTM D790	Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials	美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲（步驟A和步驟B），應(yīng)用廣泛。
ASTM F2606	Standard Guide for Three-Point Bending of Balloon Expandable Vascular Stents and Stent Systems	特定針對(duì)血管支架等Ⅰ型植入醫(yī)療器械的三點(diǎn)彎曲測(cè)試指南。
GB/T 9341	塑料彎曲性能的測(cè)定	中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，基本等同采用ISO 178。
ISO 5833	Implants for surgery - Acrylic resin cements	外科植入物用丙烯酸樹(shù)脂骨水泥標(biāo)準(zhǔn)，其中包含對(duì)其撓曲強(qiáng)度測(cè)試的具體要求和指標(biāo)。
YY/T 0346	外科植入物接骨板彎曲強(qiáng)度和剛度的測(cè)定	中國(guó)醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，專門(mén)規(guī)定骨科接骨板的彎曲性能測(cè)試方法。
ISO 20795-1	Dentistry - Base polymers - Part 1: Denture base polymers	牙科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)義齒基托聚合物（Ⅰ型口腔材料）的撓曲強(qiáng)度有明確規(guī)定和測(cè)試方法。