回彈系數測定：材料彈性性能的關鍵評價

引言
在材料科學與工程領域，準確評估材料的彈性恢復能力至關重要?；貜椣禂担ɑ蚍Q恢復系數）作為衡量材料在碰撞或沖擊后能量恢復效率的核心物理參數，廣泛應用于橡膠、塑料、金屬、運動器材、包裝材料及結構設計等多個領域。其測定對于產品設計優化、質量控制和性能預測具有不可替代的意義。

一、 基本原理與定義

回彈系數（通常用符號 e 表示）定義為碰撞后兩物體相對分離速度與碰撞前相對接近速度的比值。對于材料試樣與剛性平面的碰撞（這是最常見的測試場景），其計算公式簡化為：

e = √(h? / h?)

其中：

• h?： 試樣自由下落時的初始高度
• h?： 試樣碰撞后反彈達到的最大高度

該系數取值范圍在0到1之間：

• e = 0： 代表完全非彈性碰撞，碰撞后物體粘在一起，無反彈。
• e = 1： 代表完全彈性碰撞，碰撞后動能完全恢復（理想情況）。
• 0 < e < 1： 代表實際材料普遍存在的部分彈性碰撞，部分動能轉化為其他形式能量（如熱能、內摩擦）。

二、 標準測定方法

目前應用最廣泛的標準測定方法是落球回彈法或沖擊擺錘法。其核心在于精確測量碰撞前后的高度或角度變化。

1. 主要設備：

   • 釋放裝置： 用于在指定高度無初速釋放沖擊體（鋼球或擺錘）。
   • 沖擊體： 通常為標準尺寸和質量的實心鋼球，或特定形狀的擺錘頭。其質量遠大于試樣。
   • 剛性砧座/基座： 放置試樣的剛性平臺，需具有足夠質量和剛度以避免自身振動。
   • 高度/角度測量裝置：
     • 機械標尺/光柵尺： 直接讀取初始高度和反彈高度。
     • 光電傳感器/高速攝像機： 非接觸式精確捕捉沖擊體軌跡，確定最高點位置或計算速度。
     • 角度傳感器（擺錘法）： 測量擺錘初始釋放角度和反彈最大角度。

2. 試樣準備：

   • 根據相關標準（如ISO, ASTM, GB等）切割或制備規定尺寸和形狀的試樣（通常為片狀或塊狀）。
   • 試樣表面需平整、清潔、無缺陷。
   • 試樣應在標準溫濕度環境下（如23±2°C, 50±5%RH）狀態調節規定時間（通常≥24小時）。

3. 測試步驟：

   • 將狀態調節后的試樣平整放置在剛性砧座上。
   • 設置并精確測量沖擊體的初始下落高度 (h?) 或初始釋放角度。
   • 釋放沖擊體，使其自由下落撞擊試樣中心位置。
   • 精確測量沖擊體反彈后達到的最大高度 (h?) 或最大回擺角度。
   • 同一試樣通常在規定位置重復測試多次（如3-5次），舍棄異常值后取平均值作為該點的回彈高度。
   • 更換新試樣，在不同位置或不同批次試樣上重復測試，以獲取代表性數據。

4. 數據處理：

   • 根據測量得到的 h? 和 h?，代入公式 e = √(h? / h?) 計算回彈系數。
   • 若使用擺錘法，則需將角度轉換為等效高度進行計算：e = √(1 - cosθ?) / √(1 - cosθ?) （其中 θ? 為初始角，θ? 為回彈角）。
   • 報告測試條件（溫度、濕度、沖擊體規格、初始高度/角度）、平均值、標準差（或變異系數）。

三、 影響測定結果的關鍵因素及誤差控制

準確測定回彈系數需嚴格控制以下變量：

• 溫度： 高分子材料的彈性模量對溫度極其敏感。溫度升高，材料變軟，回彈系數通常降低。必須在恒溫條件下測試并記錄溫度。
• 試樣狀態： 材料的老化程度、內部缺陷、殘余應力、表面狀態（如劃痕、污染）均顯著影響結果。需使用狀態調節好的、無損傷的試樣。
• 沖擊體參數： 沖擊體的質量、尺寸、材質（硬度）需嚴格符合標準規定。不同規格沖擊體結果不可直接比較。
• 沖擊速度/初始高度： 某些材料（尤其橡膠）的回彈系數具有速率依賴性。應明確規定和統一初始下落高度。
• 測試環境： 濕度對吸濕性材料有影響。空氣阻力在高精度測量中可能引入誤差，需考慮或修正。
• 設備精度與校準： 釋放裝置、高度/角度測量裝置的精度至關重要。設備需定期校準。
• 操作規范性： 試樣放置、沖擊點定位、讀數準確性等操作需規范統一。

四、 應用場景與意義

回彈系數的測定服務于多種重要目的：

• 材料研發與篩選： 快速比較不同配方、工藝或老化條件下材料的彈性性能優劣。
• 產品質量控制： 作為關鍵指標監控生產批次的一致性，確保產品（如輪胎胎面、鞋底、密封件、減震墊、運動場地板、包裝緩沖材料）滿足彈性要求。
• 性能預測與設計： 為涉及碰撞、沖擊能量吸收或恢復的產品（如運動器材、防護設備、機械部件）設計提供關鍵輸入參數。
• 科學研究： 探究材料微觀結構（如分子鏈活動性、交聯密度、填料分布）與宏觀力學性能（粘彈性）之間的關系。
• 標準化與貿易： 提供統一的、可比較的性能評價方法。

五、

回彈系數測定是一項基礎且重要的材料力學性能測試技術。通過標準化的落球法或擺錘法，在嚴格控制溫度、濕度、試樣狀態、沖擊參數和操作規范的前提下，能夠獲得反映材料彈性恢復能力的可靠數據。深入理解測試原理、影響因素及控制方法，是確保測定結果準確、可比、有意義的關鍵。該參數為材料研發、生產制造、質量保證及產品設計提供了不可或缺的科學依據。

注意事項：

• 測試前務必查閱并嚴格遵守適用的國家或國際標準（如ASTM D7121, ISO 4662, GB/T 1681等）。
• 針對特殊材料（如泡沫、超彈性材料）或極端條件（高低溫、真空），可能需要專門的測試裝置和方法。
• 報告結果時需清晰注明測試條件、方法和使用的沖擊體規格。