CN111351710A - 一种粘弹性材料泊松比的测量方法 - Google Patents

一种粘弹性材料泊松比的测量方法 Download PDF

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CN111351710A CN202010212162.7A CN202010212162A CN111351710A CN 111351710 A CN111351710 A CN 111351710A CN 202010212162 A CN202010212162 A CN 202010212162A CN 111351710 A CN111351710 A CN 111351710A
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Abstract

本发明提供了一种粘弹性材料泊松比的测量方法，所述方法包括：1)、所述方法采用球形压头对粘弹性材料进行原位压入测试，得到压入深度随时间变化关系的曲线，进而根据压入深度随时间变化关系的曲线拟合出蠕变柔量函数；2)、对粘弹性材料进行拉伸蠕变实验，获得材料蠕变位移‑时间曲线，根据材料蠕变位移‑时间曲线拟合出拉伸蠕变柔量函数；根据剪切蠕变柔量函数与拉伸蠕变柔量函数，通过剪切蠕变柔量的计算方法计算粘弹性材料的泊松比。应用本发明实施例，可以计算粘弹性材料泊松比且与宏观拉伸实验测得结果基本一致。

Description

一种粘弹性材料泊松比的测量方法
技术领域
本发明涉及材料力学性能的测试表征技术领域，具体涉及一种粘弹性材料泊松比的测量方法。
背景技术
粘弹性材料的与力学行为相关的参数对其工程应用极为重要，是工程设计与分析的重要依据。因此，确定粘弹性材料的力学参数是非常必要的。
目前，如申请号为200710098900.4的发明专利公开的那样，传统确定粘弹性材料力学性能的主要方法为拉伸/压缩测试，而该方法对测试试样尺寸要求较大且测试条件必须满足相关测试标准：拉伸实验测定泊松比时需要引伸计，其测量精度较高但量程小，安装时要求其纵向对称面与试样轴线处于同一平面内否则会引起较大的测量误差，且实际变形不能超过引伸计量程否则可能引起引伸计损坏；同时在使用时要与试样卡紧，保证试样变形时不发生滑动以免引起测试误差。总之，引伸计使用要求较高，在使用前要进行校准，其装夹、跟踪与取下时机均需认真对待，因此多数材料拉伸力学性能测试不采用引伸计。另外，许多通用材料万能试验机的通用配件也并不包括引伸计。
但是，随着工业的进步及其材料性能的多样化，如各种薄膜材料、功能材料、微电子材料等不断涌现，传统拉/压测试技术显然已经不能满足这些领域的测试需求。因此，如何实现小微/非规则构件力学性能测试是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何解决现有技术中存在的无法实现小微/非规则构件力学性能测试的技术问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
本发明实施例提供了一种粘弹性材料泊松比的测量方法，所述方法包括：
1)、所述方法采用球形压头对粘弹性材料进行原位压入测试，得到压入深度随时间变化关系的曲线，进而根据压入深度随时间变化关系的曲线拟合出蠕变柔量函数；
2)、对粘弹性材料进行拉伸蠕变实验，获得材料蠕变位移-时间曲线，根据材料蠕变位移-时间曲线拟合出拉伸蠕变柔量函数；根据剪切蠕变柔量函数与拉伸蠕变柔量函数，通过剪切蠕变柔量的计算方法计算粘弹性材料的泊松比。
应用本发明实施例，基根据球形压头原位压入粘弹性材料不同加载方式下的剪切蠕变柔量计算方法，结合材料拉伸柔量数据，给出了在原位压入阶跃加载蠕变测试和恒载荷速率测试时粘弹性材料泊松比的计算方法，经过实验验证，本发明实施例结果准确性较高，与宏观拉伸实验测得结果基本一致。
可选的，所述步骤1)，包括：
根据微压入保载蠕变测试拟合得到的第一剪切蠕变柔量函数与拉伸蠕变实验拟合得到的蠕变柔量函数，或者，
根据恒载荷速率测试拟合得到的第二剪切蠕变柔量函数与拉伸蠕变实验拟合得到的蠕变柔量函数。
可选的，所述根据微压入保载蠕变测试拟合得到的第一剪切蠕变柔量函数与拉伸蠕变实验拟合得到的蠕变柔量函数，包括：
采用球形压头对粘弹性材料进行微压入保载蠕变测试，得到第一时间 -位移曲线h(t1)，并根据第一时间-位移曲线h(t1)拟合出材料的第一剪切蠕变柔量函数：
Figure BDA0002423202010000031
其中，
Js(t1)为一剪切蠕变柔量函数；μ为粘弹性材料的泊松比；P0为保载载荷；R为球形压头的压头半径。
可选的，所述对粘弹性材料进行拉伸蠕变实验，获得材料蠕变位移- 时间曲线，根据材料蠕变位移-时间曲线拟合出拉伸蠕变柔量函数，包括：
对粘弹性材料进行拉伸蠕变实验，获得材料蠕变位移-时间曲线，并根据蠕变位移-时间曲线拟合出拉伸蠕变柔量函数Jt(t)：
Figure BDA0002423202010000032
其中，
Ft为蠕变拉力；l0为初始标距长度；l(t)为蠕变位移；t为时间变量。
可选的，所述根据剪切蠕变柔量函数与拉伸蠕变柔量函数，通过剪切蠕变柔量的计算方法计算粘弹性材料的泊松比，包括：
根据第一蠕变柔量函数与拉伸蠕变柔量函数，利用公式，
Figure BDA0002423202010000073
计算粘弹性材料的泊松比，其中，
μ为粘弹性材料的泊松比；R为球形压头的压头半径；h(t1)为第一蠕变柔量函数对应的第一时间-位移曲线；P0为保载载荷；t为时间变量，且 t＝t1。
可选的，根据恒载荷速率测试拟合得到的第二剪切蠕变柔量函数与拉伸蠕变实验拟合得到的蠕变柔量函数，包括：
采用球形压头对粘弹性材料进行微压入恒载荷速率测试，得到第二时间位移曲线h(t2)，并根据第二时间-位移曲线h(t2)拟合出材料的第一剪切蠕变柔量函数：
Figure BDA0002423202010000041
其中，
Js(t2)为一剪切蠕变柔量函数；μ为粘弹性材料的泊松比；P0为保载载荷；R为球形压头的压头半径；
Figure BDA0002423202010000042
可选的，所述对粘弹性材料进行拉伸蠕变实验，获得材料蠕变位移- 时间曲线，根据材料蠕变位移-时间曲线拟合出拉伸蠕变柔量函数，包括：
对粘弹性材料进行拉伸蠕变实验，获得材料蠕变位移-时间曲线，并根据蠕变位移-时间曲线拟合出拉伸蠕变柔量函数Jt(t)：
Figure BDA0002423202010000043
其中，
Ft为蠕变拉力；l0为初始标距长度；l(t)为蠕变位移；t为时间变量。
可选的，所述根据剪切蠕变柔量函数与拉伸蠕变柔量函数，通过剪切蠕变柔量的计算方法计算粘弹性材料的泊松比，包括：
根据第二蠕变柔量函数与拉伸蠕变柔量函数，利用公式，
Figure BDA0002423202010000092
计算粘弹性材料的泊松比，其中，
μ为粘弹性材料的泊松比；R为球形压头的压头半径；h(t2)为第二剪切蠕变柔量函数对应的第一时间-位移曲线，且
Figure BDA0002423202010000051
P0为保载载荷；t为时间变量，且t＝t2。
本发明的优点在于：
应用本发明实施例，基根据球形压头原位压入粘弹性材料不同加载方式下的剪切蠕变柔量计算方法，结合材料拉伸柔量数据，给出了在原位压入阶跃加载蠕变测试和恒载荷速率测试时粘弹性材料泊松比的计算方法，经过实验验证，本发明实施例结果准确性较高，与宏观拉伸实验测得结果基本一致。
另外，在去除了粘弹性材料率相关效应的影响，不使用引伸计就可得到粘弹性材料的泊松比，从而推广了原位压入技术在粘弹性材料测试方面的应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种粘弹性材料泊松比的测量方法的流程示意图；
图2为原位压入保载蠕变实验中蠕变位移随保载时间变化的曲线；
图3为原位压入不同载荷速率条件下压入深度随时间变化的曲线；
图4为拉伸蠕变实验中蠕变位移和保载载荷与时间的关系曲线；
图5为拉伸蠕变实验中的蠕变柔量曲线；
图6为拉伸试样测得的PA12横向应变和泊松比；
图7为原位压入保载实验中的泊松比计算结果；
图8为原位压入不同载荷速率条件下的泊松比计算结果。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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
图1为本发明实施例提供的一种粘弹性材料泊松比的测量方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括：
1)、所述方法采用球形压头对粘弹性材料进行原位压入测试，得到压入深度随时间变化关系的曲线，进而根据压入深度随时间变化关系的曲线拟合出蠕变柔量函数；
采用球形压头对粘弹性材料进行微压入保载蠕变测试，得到第一时间 -位移曲线h(t1)，并根据第一时间-位移曲线h(t1)拟合出材料的第一剪切蠕变柔量函数：
Figure BDA0002423202010000061
其中，
Js(t1)为一剪切蠕变柔量函数；μ为粘弹性材料的泊松比；P0为保载载荷；R为球形压头的压头半径。
2)、对粘弹性材料进行拉伸蠕变实验，获得材料蠕变位移-时间曲线，根据材料蠕变位移-时间曲线拟合出拉伸蠕变柔量函数；根据剪切蠕变柔量函数与拉伸蠕变柔量函数，通过剪切蠕变柔量的计算方法计算粘弹性材料的泊松比。
对粘弹性材料进行拉伸蠕变实验，获得材料蠕变位移-时间曲线，并根据蠕变位移-时间曲线拟合出拉伸蠕变柔量函数Jt(t)：
Figure BDA0002423202010000071
其中，
Ft为蠕变拉力；l0为初始标距长度；l(t)为蠕变位移；t为时间变量。
而Jt＝1/E，Js＝1/G，故
Figure BDA0002423202010000072
其中，
E为弹性模量；G为剪切弹性模量。
然后，根据第一蠕变柔量函数与拉伸蠕变柔量函数，利用公式，
Figure BDA0002423202010000073
计算粘弹性材料的泊松比，其中，
μ为粘弹性材料的泊松比；R为球形压头的压头半径；h(t1)为第一蠕变柔量函数对应的第一时间-位移曲线；P0为保载载荷；t为时间变量，且 t＝t1。
本发明采用球形压头对粘弹性材料进行测试，结合蠕变实验，根据蠕变柔量与泊松比的关系，经过公式推导和实验数据的求解，得到两种不同加载模式下泊松比的计算方法。
另外，本发明实施例提供的仪器化原位压入测试技术是目前解决小微/ 非规则构件力学性能测试的主要手段，可以广泛应用于薄膜材料、微机电系统及生物力学等领域，该测试方法对测试样品尺寸形状无太多严苛要求，使用具有不同几何形状的硬质压头对样品表面进行原位压入测试，设备自动实时记录压入过程中的相关数据。因此仪器化原位压入技术可满足材料多方面的测试需求，是特定材料测试的有效手段。目前基于原位压入技术对材料进行测试的研究，主要包括获得材料表面硬度、弹性模量，反演推导材料的弹塑性本构关系等。而本发明实施例基于原位压入测试技术可以实现不同的压入加载方式，该方式可实现保载蠕变测试、恒载荷速率测试和恒应变率测试等测试手段，进而实现了利用原位压入测试技术测定材料的其他特性。
实施例2
图1为本发明实施例提供的一种粘弹性材料泊松比的测量方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括：
1)、所述方法采用球形压头对粘弹性材料进行原位压入测试，得到压入深度随时间变化关系的曲线，进而根据压入深度随时间变化关系的曲线拟合出蠕变柔量函数；
采用球形压头对粘弹性材料进行微压入恒载荷速率测试，得到第二时间位移曲线h(t2)，并根据第二时间-位移曲线h(t2)拟合出材料的第一剪切蠕变柔量函数：
Figure BDA0002423202010000081
其中，
Js(t2)为一剪切蠕变柔量函数；μ为粘弹性材料的泊松比；P0为保载载荷；R为球形压头的压头半径；
Figure BDA0002423202010000082
2)、使用材料万能试验机对粘弹性材料进行拉伸蠕变实验，获得材料蠕变位移-时间曲线，根据材料蠕变位移-时间曲线拟合出拉伸蠕变柔量函数；根据剪切蠕变柔量函数与拉伸蠕变柔量函数，通过剪切蠕变柔量的计算方法计算粘弹性材料的泊松比。
对粘弹性材料进行拉伸蠕变实验，获得材料蠕变位移-时间曲线，并根据蠕变位移-时间曲线拟合出拉伸蠕变柔量函数Jt(t)：
Figure BDA0002423202010000091
其中，
Ft为蠕变拉力；l0为初始标距长度；l(t)为蠕变位移；t为时间变量。
然后，类似的，根据第二蠕变柔量函数与拉伸蠕变柔量函数，利用公式，
Figure BDA0002423202010000092
计算粘弹性材料的泊松比，其中，
μ为粘弹性材料的泊松比；R为球形压头的压头半径；h(t2)为第二剪切蠕变柔量函数对应的第一时间-位移曲线，且
Figure BDA0002423202010000093
P0为保载载荷；t为时间变量，且t＝t2。
实施例3
本实施例是对瑞士EMS L25W20X高分子材料尼龙12(PA12)泊松比的求解，包括如下步骤：
(1)采用半径为250nm的球形金刚石压头对半晶态高分子材料PA12 进行微压入测试，包括保载蠕变测试和恒载荷速率测试两种。图2为原位压入保载蠕变实验中蠕变位移随保载时间变化的曲线，如图2所示，保载蠕变测试是在压力为30mN，时间为1000秒的条件下测试的。图3为原位压入不同载荷速率条件下压入深度随时间变化的曲线，如图3所示，恒载荷速率测试分别在15mN/s、0.6mN/s、0.3mN/s以及0.06mN/s。
(2)图4为拉伸蠕变实验中蠕变位移和保载载荷与时间的关系曲线，进行拉伸蠕变实验之后，可以得到如图4所示的蠕变位移和保载时间的关系曲线，然后利用实施例1或者实施例2中的粘弹性理论公式计算拉伸蠕变柔量。
图5为拉伸蠕变实验中的拉伸蠕变柔量曲线，在Ft为16N、S0为 6,64平方毫米、I0为9.53毫米的条件下测试的拉伸蠕变柔量如图5所示。
(3)进行拉伸实验，测定拉伸过程中纵向和横向位移，图6为拉伸试样测得的PA12横向应变和泊松比，结果如图6所示。
(4)图7为原位压入保载实验中的泊松比计算结果，如图6所示，将由保载蠕变测试得到的载荷位移数据和蠕变柔量带入公式
Figure BDA0002423202010000101
可计算得到保载蠕变测试下的泊松比(图6)。
(5)图8为原位压入不同载荷速率条件下的泊松比计算结果，如图8 所示，将由恒载荷速率测试得到的载荷位移数据和蠕变柔量带入公式
Figure BDA0002423202010000102
可计算得到恒载荷速率测试下的泊松比(图7)。
表1为三种测试方式计算得到的泊松比，如表1所示，
表1
Figure BDA0002423202010000103
如表1所示，在表1中拉伸实验是使用英斯特朗5544拉伸设备在 ASTM(AmericanSociety of Testing Materials，美国材料实验协会) 标准D638-03下测试的结果，可看出三种方式测量出的泊松比结果较为接近，因此，本发明实施例可以较好的测量出泊松比。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种粘弹性材料泊松比的测量方法，其特征在于，所述方法包括：
1)、所述方法采用球形压头对粘弹性材料进行原位压入测试，得到压入深度随时间变化关系的曲线，进而根据压入深度随时间变化关系的曲线拟合出蠕变柔量函数；
2)、对粘弹性材料进行拉伸蠕变实验，获得材料蠕变位移-时间曲线，根据材料蠕变位移-时间曲线拟合出拉伸蠕变柔量函数；根据剪切蠕变柔量函数与拉伸蠕变柔量函数，通过剪切蠕变柔量的计算方法计算粘弹性材料的泊松比。
2.根据权利要求1所述的一种粘弹性材料泊松比的测量方法，其特征在于，所述步骤1)，包括：
根据微压入保载蠕变测试拟合得到的第一剪切蠕变柔量函数与拉伸蠕变实验拟合得到的蠕变柔量函数，或者，
根据恒载荷速率测试拟合得到的第二剪切蠕变柔量函数与拉伸蠕变实验拟合得到的蠕变柔量函数。
3.根据权利要求2所述的一种粘弹性材料泊松比的测量方法，其特征在于，所述根据微压入保载蠕变测试拟合得到的第一剪切蠕变柔量函数与拉伸蠕变实验拟合得到的蠕变柔量函数，包括：
采用球形压头对粘弹性材料进行微压入保载蠕变测试，得到第一时间-位移曲线h(t1)，并根据第一时间-位移曲线h(t1)拟合出材料的第一剪切蠕变柔量函数：
Figure FDA0002423201000000011
其中，
Js(t1)为一剪切蠕变柔量函数；μ为粘弹性材料的泊松比；P0为保载载荷；R为球形压头的压头半径。
4.根据权利要求3所述的一种粘弹性材料泊松比的测量方法，其特征在于，所述对粘弹性材料进行拉伸蠕变实验，获得材料蠕变位移-时间曲线，根据材料蠕变位移-时间曲线拟合出拉伸蠕变柔量函数，包括：
对粘弹性材料进行拉伸蠕变实验，获得材料蠕变位移-时间曲线，并根据蠕变位移-时间曲线拟合出拉伸蠕变柔量函数Jt(t)：
Figure FDA0002423201000000021
其中，
Ft为蠕变拉力；l0为初始标距长度；l(t)为蠕变位移；t为时间变量。
5.根据权利要求4所述的一种粘弹性材料泊松比的测量方法，其特征在于，所述根据剪切蠕变柔量函数与拉伸蠕变柔量函数，通过剪切蠕变柔量的计算方法计算粘弹性材料的泊松比，包括：
根据第一蠕变柔量函数与拉伸蠕变柔量函数，利用公式，
Figure DEST_PATH_BDA0002423202010000073
计算粘弹性材料的泊松比，其中，
μ为粘弹性材料的泊松比；R为球形压头的压头半径；h(t1)为第一蠕变柔量函数对应的第一时间-位移曲线；P0为保载载荷；t为时间变量，且t＝t1。
6.根据权利要求2所述的一种粘弹性材料泊松比的测量方法，其特征在于，根据恒载荷速率测试拟合得到的第二剪切蠕变柔量函数与拉伸蠕变实验拟合得到的蠕变柔量函数，包括：
采用球形压头对粘弹性材料进行微压入恒载荷速率测试，得到第二时间位移曲线h(t2)，并根据第二时间-位移曲线h(t2)拟合出材料的第一剪切蠕变柔量函数：
Figure FDA0002423201000000031
其中，
Js(t2)为一剪切蠕变柔量函数；μ为粘弹性材料的泊松比；P0为保载载荷；R为球形压头的压头半径；
Figure FDA0002423201000000032
7.根据权利要求6所述的一种粘弹性材料泊松比的测量方法，其特征在于，所述对粘弹性材料进行拉伸蠕变实验，获得材料蠕变位移-时间曲线，根据材料蠕变位移-时间曲线拟合出拉伸蠕变柔量函数，包括：
对粘弹性材料进行拉伸蠕变实验，获得材料蠕变位移-时间曲线，并根据蠕变位移-时间曲线拟合出拉伸蠕变柔量函数Jt(t)：
Figure FDA0002423201000000033
其中，
Ft为蠕变拉力；l0为初始标距长度；l(t)为蠕变位移；t为时间变量。
8.根据权利要求7所述的一种粘弹性材料泊松比的测量方法，其特征在于，所述根据剪切蠕变柔量函数与拉伸蠕变柔量函数，通过剪切蠕变柔量的计算方法计算粘弹性材料的泊松比，包括：
根据第二蠕变柔量函数与拉伸蠕变柔量函数，利用公式，
Figure 326306DEST_PATH_BDA0002423202010000092
计算粘弹性材料的泊松比，其中，
μ为粘弹性材料的泊松比；R为球形压头的压头半径；h(t2)为第二剪切蠕变柔量函数对应的第一时间-位移曲线，且
Figure FDA0002423201000000041
P0为保载载荷；t为时间变量，且t＝t2。
CN202010212162.7A 2020-03-24 2020-03-24 一种粘弹性材料泊松比的测量方法 Pending CN111351710A (zh)

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