CN108225911A - 一种薄膜材料泊松比及杨氏弹性模量的几何测量法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄膜材料泊松比及杨氏弹性模量的几何测量法，其步骤如下：S1：薄膜剪切：通过精密裁刀将薄膜材料剪切成工型，薄膜材料的尺寸为150mm*15mm，且薄膜材料无缺陷；S2：测量薄膜材料的厚度：使用刻度尺测量薄膜材料的后，测量时，分别去薄膜材料的三个点进行测量，得出平均的厚度；S3：调节万能拉力机：将万能拉力机调整拉力机的夹板的初始距离为50‑100mm；S4：将薄膜材料具夹板成一条直线固定夹在夹板中，使薄膜材料处在不受力的状态；S5：启动万能拉力机，观察计算机上试验曲线，得到拉力‑变形曲线图，以及测量的数据，测量的参数少，仅需要测量工型薄膜上的拉力和位移的距离，这对提高薄膜泊松比的测量精度而言，无疑是有益的。

Description

一种薄膜材料泊松比及杨氏弹性模量的几何测量法
技术领域
本发明属于薄膜材料泊松比及杨氏弹性模量的几何测量法技术领域，更具体地说，尤其涉及一种薄膜材料泊松比及杨氏弹性模量的几何测量法。
背景技术
薄膜广泛应用于机械、微电子、航空，仪表，医疗器械等众多领域，例如，设备、仪器、元器件表面的包衣薄膜，用来提高耐磨性、抗氧化性和耐腐蚀性等。通常由薄膜和基层组成的薄层结构简称“膜基结构”或“膜基系统”，该类结构的可靠性和安全性评价，首当其冲地涉及到薄膜的力学性质表征，其中薄膜材料的杨氏弹性模量和泊松比扮演着重要角色。电子和生物材料的飞速发展，需要对许多超薄膜给出精细的力学表征，以便对膜-基系统的力学行为有一个更好的理解，从而确保薄层结构的可靠性、结构稳定性以及耐久性等，这些柔软的超薄薄膜表征工作难度更大。因此，各种试验技术，被广泛用来测试独立薄膜及膜基系统中的包衣薄膜的力学特性。然而，这些技术目前还不同程度地存在着一些尚未完善的地方，它们影响着对薄层结构力学性能的正确评价，迫切需要解决其中的一些关键科技问题。
薄膜弹性模量和泊松比的常用测试方法有：弯曲法、表面波法、声学显微法和纳米压痕结合法、X射线衍射与激光曲率结合测量法等。其中，独立薄膜的表征通常借助于膨胀试验。然而在这些方法中很少有可以同时测得薄膜杨氏弹性模量和泊松比的。通常是先假定杨氏弹性模量或者泊松比其中之一为已知参量以测得另一个。一般情况下是先假定泊松比为已知参量，然后求得杨氏弹性模量。目前，有两种方法可以同时测得衣薄膜的杨氏弹性模量和泊松比：一种是站于Hertz接触理论河的球而压痕法；另一种是基于面内应力均匀和各向同性的假定所得的X射线衔射与激光曲率结合测量法。然而川痕试验自身只能提供有关砸度和弹性模量的信息，通常基层所支撑着的薄膜非常薄，因此一个不依赖于基层的薄膜特性测量，受到薄膜厚度及测量手段的影响。此外，基于赫兹弹性接触理论的压痕试验分析，不仅要假定接触体的尺度及其曲率半径远大于接触圆的半径、接触面是连续的、非一致性的，而且还要忽略摩擦和动力影响。接触问题通常难以精确地数值和解析建模，这些都是压痕试验分析不尽人意的地方。X射线衔射与激光曲率结合测量法的不足之处是，所测得的弹性模量和泊松比缺乏宏观力学的直观性。比较而言，轴对称的鼓泡几何形状、以及包衣薄膜从基层脱层时较小的撕裂角、直观的加载构造和力学关系等，都是鼓泡试验技术的最吸引人的地方，这些优点使得我们更容易查找和分析带来测量误差的根本原因，从而修改和完善测量技术方案。
薄膜在许多先进技术中有着广泛的应用。电子和生物材料的飞速发展，需要对许多超薄膜给出精细的力学表征，以便对薄层结构的力学行为有一个更好的理解，从而确保结构的可靠性、结构稳定性以及耐久性等。因此，各种试验技术，被广泛用来测试薄膜的力学特性。然而，这些技术目前还不同程度地存在着一些尚未完善的地方，它们影响着对薄层结构力学性能的正确评价，迫切需要解决其中的一些关键科技问题。因此，进一步的研究工作是有意义的。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种薄膜材料泊松比及杨氏弹性模量的几何测量法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种薄膜材料泊松比及杨氏弹性模量的几何测量法，该薄膜材料泊松比及杨氏弹性模量的几何测量法具体步骤如下：
S1：薄膜剪切：通过精密裁刀将薄膜材料剪切成工型，薄膜材料的尺寸为150mm*15mm，且薄膜材料无缺陷；
S2：测量薄膜材料的厚度：使用刻度尺测量薄膜材料的后，测量时，分别去薄膜材料的三个点进行测量，得出平均的厚度；
S3：调节万能拉力机：将万能拉力机调整拉力机的夹板的初始距离为50-100mm；
S4：将薄膜材料具夹板成一条直线固定夹在夹板中，使薄膜材料处在不受力的状态；
S5：启动万能拉力机，观察计算机上试验曲线，得到拉力-变形曲线图，以及测量的数据；
应力(MPa)：
应变：
弹性模量：应力σ2-σ1的差值与对应的应变力ε2-ε1的比值；
泊松比：μ1＝μ2+(E1H/E2h)*(μ2-μ2)。
优选的，所述万能拉力机上安装有光学引伸计，所述光学引伸计方便进行测量非接触变形测量。
优选的，所述万能拉力机上安装有拉力传感器，所述拉力传感器用以测量薄膜所受的拉力F。
优选的，所述万能拉力机上安装有位移传感器，所述位移传感器用以测量薄膜的位移距离。
本发明的技术效果和优点：本发明提供的一种薄膜材料泊松比及杨氏弹性模量的几何测量法，与传统技术相比，本发明测量的参数少，仅需要测量工型薄膜上的拉力和位移的距离，这对提高薄膜泊松比的测量精度而言，无疑是有益的，测量都会带有一定的测量误差，因此测量的参数越少，就越有利于消除误差积累和误差放大；力学物理意义明确，本发明薄膜泊松比及杨氏弹性模量的计算表达式是由著名的Hencky精确解推导而来，满足了力学结构，测量方便快捷，提高测量的效率，通过一次性少数参数的测量，能够同时求得薄膜的泊松比和杨氏弹性模量，而现有技术中仅有少数技术能够实现泊松比和杨氏弹性模量的同时测量，但都存在着技术复杂、测量参数多、力学物理意义不够明确等缺点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种薄膜材料泊松比及杨氏弹性模量的几何测量法，该薄膜材料泊松比及杨氏弹性模量的几何测量法具体步骤如下：
S1：薄膜剪切：通过精密裁刀将薄膜材料剪切成工型，薄膜材料的尺寸为150mm*15mm，且薄膜材料无缺陷；
S2：测量薄膜材料的厚度：使用刻度尺测量薄膜材料的后，测量时，分别去薄膜材料的三个点进行测量，得出平均的厚度；
S3：调节万能拉力机：将万能拉力机调整拉力机的夹板的初始距离为50-100mm；
S4：将薄膜材料具夹板成一条直线固定夹在夹板中，使薄膜材料处在不受力的状态；
S5：启动万能拉力机，观察计算机上试验曲线，得到拉力-变形曲线图，以及测量的数据；
应力(MPa)：
应变：
弹性模量：应力σ2-σ1的差值与对应的应变力ε2-ε1的比值；
泊松比：μ1＝μ2+(E1H/E2h)*(μ2-μ2)。
具体的，所述万能拉力机上安装有光学引伸计，所述光学引伸计方便进行测量非接触变形测量。
具体的，所述万能拉力机上安装有拉力传感器，所述拉力传感器用以测量薄膜所受的拉力F。
具体的，所述万能拉力机上安装有位移传感器，所述位移传感器用以测量薄膜的位移距离。
本发明提供的一种薄膜材料泊松比及杨氏弹性模量的几何测量法，本发明测量的参数少，仅需要测量工型薄膜上的拉力和位移的距离，这对提高薄膜泊松比的测量精度而言，无疑是有益的，测量都会带有一定的测量误差，因此测量的参数越少，就越有利于消除误差积累和误差放大；力学物理意义明确，本发明薄膜泊松比及杨氏弹性模量的计算表达式是由著名的Hencky精确解推导而来，满足了力学结构，测量方便快捷，提高测量的效率，通过一次性少数参数的测量，能够同时求得薄膜的泊松比和杨氏弹性模量，而现有技术中仅有少数技术能够实现泊松比和杨氏弹性模量的同时测量，但都存在着技术复杂、测量参数多、力学物理意义不够明确等缺点。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种薄膜材料泊松比及杨氏弹性模量的几何测量法，其特征在于：该薄膜材料泊松比及杨氏弹性模量的几何测量法具体步骤如下：
S1：薄膜剪切：通过精密裁刀将薄膜材料剪切成工型，薄膜材料的尺寸为150mm*15mm，且薄膜材料无缺陷；
S2：测量薄膜材料的厚度：使用刻度尺测量薄膜材料的后，测量时，分别去薄膜材料的三个点进行测量，得出平均的厚度；
S3：调节万能拉力机：将万能拉力机调整拉力机的夹板的初始距离为50-100mm；
S4：将薄膜材料具夹板成一条直线固定夹在夹板中，使薄膜材料处在不受力的状态；
S5：启动万能拉力机，观察计算机上试验曲线，得到拉力-变形曲线图，以及测量的数据；
弹性模量：应力σ2-σ1的差值与对应的应变力ε2-ε1的比值；
泊松比：μ1＝μ2+(E1H/E2h)*(μ2-μ2)。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜材料泊松比及杨氏弹性模量的几何测量法，其特征在于：所述万能拉力机上安装有光学引伸计，所述光学引伸计方便进行测量非接触变形测量。
3.根据权利要求1所述的一种薄膜材料泊松比及杨氏弹性模量的几何测量法，其特征在于：所述万能拉力机上安装有拉力传感器，所述拉力传感器用以测量薄膜所受的拉力F。
4.根据权利要求1所述的一种薄膜材料泊松比及杨氏弹性模量的几何测量法，其特征在于：所述万能拉力机上安装有位移传感器，所述位移传感器用以测量薄膜的位移距离。
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