CN105784928B - 一种测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性材料的性能测试领域，具体涉及一种测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的装置和方法，可针对各类柔性材料进行测量。该装置包括多个不同半径的管状或柱状材料，可以为柔性材料提供一组按梯度变化的弯折曲率半径。利用上述测量装置测量柔性材料在不同弯折变形下，性能随曲率半径增减的变化规律。通过本发明可以针对多种柔性材料、针对同一样品，在对样品无损的条件下，可以较快捷地无损测量同一样品在不同弯折变形程度下各种性能的变化规律，不受材料形状和种类的限制，测量重复性好，精度高。

Description

一种测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的装置和方法

技术领域

本发明涉及柔性材料的性能测试领域，具体涉及一种测量柔性材料在弯折变形下性能随弯曲半径增减变化规律的装置和方法，可针对各类柔性材料进行测量。

背景技术

柔性材料在当代人们生活、工业和工程上的应用日益广泛，柔性材料也可以称为柔性复合材料。柔性复合材料是由纤维增强材料和韧性聚合物基体组成，它与热固性或热塑性聚合物基体复合材料相比有较大的变形范围，有较高的承载能力和良好的疲劳性能，这种材料在低应力作用时材料呈低刚度性能，而在高应力作用时却有相当高的强度和刚度。同时通过特殊的制备技术，将一些功能材料复合在柔性基底上，实现具有某些功能的柔性材料，如：柔性换能材料、柔性储能材料、柔性隔热材料等等，广泛运用于电子制造行业、汽车行业、医疗领域、能源领域等等。是一种极具应用前景的功能材料。

近年来，物联网的快速发展，使得市场对可以应用于各种工作环境的各类微型、柔性传感器需求很大。目前的数码电子产品正在向可以实现微型、柔性、可穿戴的目标发展，柔性发电技术、柔性显示技术、柔性电子电路等在近几年发展迅速。但是现如今，对于研发出的柔性材料性能的测试往往是在材料不发生形变的条件下进行的，与实际应用环境存在一定差距。因此，亟待发明一种装置和方法，可以有效地模拟材料在之后加工成器件时的工作环境，并可以实现在此环境下对材料的性能进行测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量柔性材料在弯折变形下性能随弯曲半径增减变化规律的装置和方法，可以针对多种柔性材料、针对同一样品，在对样品无损的条件下，测量其在不同的弯折半径下，各种性能随曲率半径的变化规律。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的装置，该装置包括一组半径不同的管状或柱状材料，用于为柔性材料提供按梯度变化的曲率半径；该装置包括多个片状(两个以上)多边形材料，用于固定和支撑管状或柱状体，以及对各管状或柱状材料的曲率半径进行标注。

所述的测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的装置，根据所需测量材料的应用环境，选择管状或柱状材料的曲率半径进行测量。

所述的测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的装置，管状或柱状材料的材质为任意形状满足要求的材料。

所述的测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的装置，管状或柱状材料与支架通过胶粘、焊接或机械连接方式连接固定。

所述的测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的装置，其测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的方法包括：

1)将样品固定在管材或柱状材料表面；

2)管材或柱状材料为样品提供弯曲半径，与相应的性能测试仪器结合，对样品性能进行测量。

所述的测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的方法，通过胶粘、焊接或机械连接方法，使样品背面与管材或柱状材料外表面全接触，以保证测量的可靠性。

所述的测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的方法，将样品固定在管材或柱状材料表面和从管材或柱状材料上取下样品，对样品无损伤，实现测量同一样品不同曲率半径的性能变化。

所述的测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的方法，固定在该装置上的样品通过金线或银胶方法与相应的测试仪器连接，或直接将装置放置于样品台上进行测量。

所述的测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的方法，对于薄片状、板状或纤维状柔性材料，测量其在不同弯曲变形下性能的变化规律；对于纤维状柔性材料，将纤维的两端固定在等长的、不同半径的管材或棒材的两端，测量其螺旋变形下性能的变化规律。

本发明设计思路如下：

首先，根据材料科学原理，对于柔性材料，其未来的使用环境大多是处于一定弯折变形的，而对于一维或二维材料，其发生弯折变形和自由状态下性能的变化和差异是需要更深入的探索。为了使测量结果更接近实际的使用情况，选取一直直径的、外壁较为光滑的管材或棒材，将柔性材料背面与管材或棒材外表面全贴合接触，以保证其弯曲半径与管外径一致。其次，更希望探索同种材料的某种性能随着弯曲变形的加剧，其性能的变化规律，进一步的探究弯曲变形对材料内部的显微结构的影响，所以将不同曲率半径的管材或棒材以合理的方式集成在两块或两块以上板材间。

正是基于以上两点主要的设计指导思想，本发明成功的实现了针对同一柔性材料，可以分析出其弯折性能随弯曲半径增减的变化规律，既可以运用于材料科学方面的研究，探究不同弯折变形程度对材料内部的影响；又可直接用于测量柔性材料发生弯折变形时性能的变化，很好地与实际的使用情况相吻合，作为材料最终实际运用的一个重要参数。

本发明的优点及有益效果如下：

1、本发明所使用的装置和方法适用于各种柔性材料，如薄片状、纤维状、板状等。

2、本发明所使用的装置和方法对测试的柔性材料形状要求很少，应用范围广。

3、本发明通过胶粘或机械固定的方法将样品于管材或棒材表面固定，既保证了材料弯曲变形与管外壁半径的一致，又可以实现对同一样品测试不同的弯折半径，对测试样品无损伤。

4、本发明所用装置集成了一组多个不同半径的管材或棒材，可以用于分析同一样品其性能随弯曲半径增减的变化规律。

5、本发明所使用的装置和方法可以与相应的测量仪器结合，用于测量柔性材料在弯折状态下的各种性能变化，适用于材料的电学性能、磁学、热学等性能的测量。

6、本发明还针对纤维状材料在发生螺旋变形时，其性能随螺旋的直径，螺距等参数的改变的变化规律。

附图说明

图1为本发明所做的实验装置示意整体图。图中，1多边形板材；2管材或棒材。

图2为本发明所做的实验装置示意分解图。图中，1多边形板材；2管材或棒材。

图3为本发明测量纤维素纸/Bi₂Te₃热电薄膜复合材料的电学性能随弯曲半径增减的变化规律实验装置示意图。图中，1多边形板材；3柔性材料；4四探针法测试电极连线；5四探针法电导率测试仪。

图4为本发明测量纤维素纸/Bi₂Te₃热电薄膜复合材料的电学性能随弯曲半径增减的变化规律实验结果折线图。图中，横坐标代表电阻(Ω)，纵坐标代表弯曲半径(cm)。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明提供一种实验装置，该装置集成一组半径按一定梯度变化的管材或棒材，用于向待测柔性材料样品提供相应的曲率半径。并且，在装置上进行对曲率半径进行标注，方便测量时数据记录。进一步的，本发明提供一种制作实验装置的方法，将同等高度不同曲率半径管材或棒材采用胶粘、焊接、机械固定等方法，固定在两层或两层以上多边形板材间，实现多个半径下性能测试过程的一体化。

本发明提供一种测试方法，该方法通过把上述实验装置与相应性能测试仪器结合，达到测试薄片状、板状或纤维状等柔性材料在不同弯折变形下性能的变化规律，具体包括以下步骤：

1、把待测柔性材料用胶粘或机械固定等的方式将柔性材料样品固定在实验装置上。

2、用金线、银胶等将柔性材料样品与测试仪器连接，或直接将装置置于样品台上，使柔性材料样品处于测试区域。

3、使用相应的测量仪器进行性能的测试。

4、将柔性材料样品取下，固定在另一曲率半径的管材或棒材上，重复步骤3。

5、经过多次改变柔性材料样品的曲率半径，绘制以曲率半径为横坐标，性能测试值为纵坐标的折线图，通过观察，拟合出柔性材料样品性能随曲率半径的变化规律。

本发明提供一种测量纤维状柔性材料螺旋变形下性能的变化规律，包括以下步骤：

1、将纤维状柔性材料一头固定在管材或棒材的一端，将纤维状柔性材料均匀地绕在管外壁，最后将纤维状柔性材料的另一头也固定在管材或棒材外表面。

2、用金线、银胶等将纤维状柔性材料与测试仪器连接，或直接将装置置于样品台上，使纤维状柔性材料处于测试区域。

3、使用相应的测量仪器进行性能的测试。

4、将纤维状柔性材料取下，用同样的方法把纤维固定在另一曲率半径的管材或棒材上，重复步骤3。

5、经过多次改变纤维状柔性材料的曲率半径，绘制以曲率半径为横坐标，性能测试值为纵坐标的折线图，通过观察，拟合出长度一定的纤维，两端固定在等长的、不同半径的管材或棒材的两端，其螺旋状态下性能的变化规律。

以下通过实施例进一步解释或说明本发明内容，但实施例不应被理解为对本发明保护范围的限制。

在实施例中，需要将样品用胶粘或机械固定的方法将样品固定于管材外表面，再使用金线、银胶等将其于性能测试的设备相连。测试记录性能后，再更换至另一半径的管材外表面，进行测量。最后绘制出该柔性材料的某种性能随弯折半径的变化规律折线图，经后期对数据及折线图的拟合处理，得出其性能随弯曲半径增减的变化规律。

实施例1 纤维素纸/Bi₂Te₃热电薄膜复合材料的电学性能随弯曲半径增减的变化规律。

测试方法：复合纤维素纸样品放置于弹性的聚苯酰胺基底上，用导热导电银胶将纤维固定并引出四端测试引线，用于测量时监测温度和电压。银胶引线与纤维素纸表面接触的面积应尽量的小，以免引入不必要的测量误差。再将带有样品的聚苯酰胺片放置于具有不同曲率半径的玻璃管上，用玻璃管的曲率半径表征复合纤维的弯折半径，同时记录相对应的电阻值变化。

如图1-图3所示，测试用的实验装置结构如下：

两层或两层以上多边形板材1平行设置，相邻两层多边形板材1之间安装梯度变化的管材或棒材2，管材或棒材2与多边形板材1垂直，薄片状、板状或纤维状等柔性材料3固定于管材或棒材2外表面。同等高度不同曲率半径管材或棒材2采用胶粘、焊接或机械固定等方法，固定在两层或两层以上多边形板材1间。柔性材料3上设置四探针法测试电极连线4，柔性材料3通过四探针法测试电极连线4与四探针法电导率测试仪5相连。

本实施例中，多边形板材1采用五边形玻璃片，管材或棒材2采用玻璃管。采用胶粘的方法，将十个不同曲率半径的玻璃管分两层固定在三块等大小的五边形玻璃片间，得到了集成十个不同曲率半径的实验装置。再将柔性材料3(如：纤维素纸/Bi₂Te₃热电薄膜复合材料样品)固定在玻璃管表面，用金线将柔性材料3四个角分别和四探针法电导率测试仪5四个触点连接。

如图4所示，本发明纤维素纸/Bi₂Te₃热电薄膜复合材料的电学性能随弯曲半径增减的变化规律，测试结果：复合纤维素纸热电材料具有良好的柔性，弯折半径为1cm时，电阻值的相对变化小于10％，弯折半径为2cm时，电阻值的相对变化小于3％，热电系数无明显改变。不同弯曲半径下，柔性性能测试实验装置如图3所示。

实施例2 玻璃纤维/Bi₂Te₃薄膜复合材料电学性能随弯曲半径增减的变化规律。

同实施例1的测试方法，将复合纤维样品放置于弹性的聚苯酰胺基底上，用导热导电银胶将纤维固定并引出四端测试引线，用于测量时监测温度和电压。银胶引线与纤维素纸表面接触的面积应尽量的小，以免引入不必要的测量误差。将带有样品的聚苯酰胺片放置于具有不同曲率半径的玻璃管上，用玻璃管的曲率半径表征复合纤维的弯折半径，同时记录相对应的电阻值变化。

测试结果：用以上方法测试复合纤维材料无弯折时的轴向电导率为1500～2500S/cm。复合纤维材料具有良好的柔性，弯折半径为1cm时，电阻值的相对变化小于10％，弯折半径为2cm时，电阻值的相对变化小于3％，热电系数无明显改变。

实施例结果表明，本发明装置包括多个不同半径的管材或棒材，可以为柔性材料提供一组按梯度变化的弯折曲率半径，利用上述测量装置测量柔性材料在不同弯折变形下，性能随曲率半径增减的变化规律。通过本发明，可以较快捷地无损测量同一样品在不同弯折变形程度下各种性能的变化规律，不受材料形状和种类的限制，测量重复性好，精度高。

Claims (9)

1.一种测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的装置，其特征在于，该装置集成一组半径按梯度变化的管状或柱状材料，用于为柔性材料提供按梯度变化的曲率半径；同等高度不同曲率半径按梯度变化的管状或柱状材料，固定在两层或两层以上多边形板材间，实现多个半径下性能测试过程的一体化，用于固定和支撑管状或柱状体，以及对各管状或柱状材料的曲率半径进行标注；

为了使测量结果更接近实际的使用情况，选取外壁光滑的管材或棒材，将柔性材料背面与管材或棒材外表面全贴合接触，以保证其弯曲半径与管材或棒材外径一致；为了探索同种材料的某种性能随着弯曲变形的加剧，其性能的变化规律，进一步的探究弯曲变形对材料内部的显微结构的影响，将不同曲率半径的管材或棒材集成在两块或两块以上板材间。

2.根据权利要求1所述的测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的装置，其特征在于，根据所需测量材料的应用环境，选择管状或柱状材料的曲率半径进行测量。

3.根据权利要求1所述的测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的装置，其特征在于，管状或柱状材料的材质为任意形状满足要求的材料。

4.根据权利要求1所述的测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的装置，其特征在于，管状或柱状材料与支架通过胶粘、焊接或机械连接方式连接固定。

5.一种权利要求1所述装置的测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的方法，其特征在于，测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的方法包括：

1)将样品固定在管材或柱状材料表面；

2)管材或柱状材料为样品提供弯曲半径，与相应的性能测试仪器结合，对样品性能进行测量。

6.根据权利要求5所述的测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的方法，其特征在于，通过胶粘、焊接或机械连接方法，使样品背面与管材或柱状材料外表面全接触，以保证测量的可靠性。

7.根据权利要求5所述的测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的方法，其特征在于，将样品固定在管材或柱状材料表面和从管材或柱状材料上取下样品，对样品无损伤，实现测量同一样品不同曲率半径的性能变化。

8.根据权利要求5所述的测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的方法，其特征在于，固定在该装置上的样品通过金线或银胶方法与相应的测试仪器连接，或直接将装置放置于样品台上进行测量。

9.根据权利要求5所述的测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的方法，其特征在于，对于薄片状、板状或纤维状柔性材料，测量其在不同弯曲变形下性能的变化规律；对于纤维状柔性材料，将纤维的两端固定在等长的、不同半径的管材或棒材的两端，测量其螺旋变形下性能的变化规律。