CN113740145A

CN113740145A - 一种弹性体材料体积模量测试装置与方法

Info

Publication number: CN113740145A
Application number: CN202111041242.1A
Authority: CN
Inventors: 李想; 李悦芳; 张国亮; 刘鑫; 曾志斌; 钟华
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2021-09-06
Filing date: 2021-09-06
Publication date: 2021-12-03
Anticipated expiration: 2041-09-06
Also published as: CN113740145B

Abstract

针对弹性体体积模量测量设备结构复杂，测试方法不适用于低应力水平测试、数据处理繁杂、存在引入其他杂质影响测试精度的缺点，本发明提出了一种弹性体体积模量测试装置和测试方法。该装置主要由垫块、上底座、延长杆、紧固螺钉、压头、引伸计、下底座、套筒、导轨等组成，其结构简单、组装方便，能实现原位制备和原位测试；该测试方法通过设备组装、试样制备、原位测试加载、数据处理等步骤实现了材料静态体积模量的测试，其测试过程简单，能覆盖中低应力水平加载，数据处理方便，测试结果精度高，具备广阔的应用空间。

Description

一种弹性体材料体积模量测试装置与方法

技术领域

本发明属于弹性体材料参数测试领域，特别涉及一种弹性体材料体积模量测试装置和测试方法。

背景技术

有机硅和聚氨酯弹性体因具有灵活的灌封工艺、较低的杨氏模量、良好的绝缘特性、低收缩率、较大的延展率和较高的透明性，被广泛应用于电子产品的封装、减振和绝缘等领域。然而，当前面临的一个突出问题是，对于弹性体灌封的电子产品，在高温载荷条件下，易发生电子元器件和支撑结构开裂的问题，严重影响封装结构的绝缘可靠性和结构完整性。

产生上述现象的原因，一方面是热膨胀系数的不匹配，弹性体的热膨胀系数(约300 ppm)远远高于陶瓷(6ppm)、铝合金(23ppm)等，在高温条件下，弹性体的膨胀变形量较大，从而挤压电子元器件和支撑结构；另一方面是弹性体的不可压缩特性，尽管弹性体材料的杨氏模量较低，但由于体积模量K＝E/[3(1-2ν)]，而弹性体的泊松比与橡胶材料类似，接近0.5，因此弹性体的体积模量可达数百MPa甚至GPa量级。在高温条件下，弹性体较大的热膨胀系数以及较高的体积模量，导致在狭小空间以及受限约束空间采用弹性体灌封时，弹性体膨胀进而挤压电子元器件及其他支撑结构，并在局部产生拉伸应力，从而引起电子元器件和支撑结构发生开裂。要想从根本上解决封装结构中弹性体材料开裂的问题，必须对弹性体材料的力学性能要有清楚的认识，例如，热膨胀系数、体积模量等。

对于弹性体的热膨胀系数，一般可采用TMA的方法进行精确测量，但对于弹性体的体积模量，目前人们普遍认为弹性体的材料特性与橡胶类材料类似，是体积不可压缩的或近似不可压缩的。实际上，对于不同的弹性体类型，其体积模量可能存在较大的差异，另外，弹性体的体积模量是开展弹性体膨胀应力仿真的重要输入，因此，有必要设计一种方法对弹性体的体积模量进行准确的测量。

弹性体材料体积模量的测试方法分间接法和直接法两种。

对于间接法，考虑到材料的弹性常数如杨氏模量、剪切模量、体积模量和泊松比中，只需要两个独立的常数就可以推导出其余的参数。如以杨氏模量和泊松比为基准，则体积模量K＝E/[3(1-2ν)].由于弹性体的泊松比接近0.5，若采用杨氏模量和泊松比的组合对体积模量进行测试，则对泊松比的测试精度要求极高。泊松比极其微小的误差就能使体积模量的误差无限放大，例如，对于泊松比为0.4995的材料，假设其测试中出现0.1％的偏差，则推导的体积模量将偏离50％，因此，通过测量杨氏模量和泊松比间接获得体积模量，由于对泊松比的测量精度要求过高，使得该方法在工程中并不可行。

对于直接法，目前获取材料体积模量的主流方法有三种，动态被动围压(SHPB)方法、静态被动围压方法以及静态主动围压方法：

1)动态被动围压SHPB方法，又称为动态三轴被动加载试验方法，该方法通过在SHPB 试样外围套上高强度约束套筒，对试样的径向变形进行约束，并通过轴向载荷间接获得试样静水压的受力状态。试验中的静水压由SHPB试验测量的试样轴向应力和约束套筒中部表面环向应变片测量的径向应力(按照均匀厚壁套筒理论分析)计算得到；体积应变由SHPB 实验测量的试样轴向应变和约束套筒中部表面环向应变片测得的周向应变(按照弹性均匀厚壁筒理论分析)计算得到；

2)静态被动围压方法，该方法施加围压载荷的方式是将试样置于封闭的金属腔体中，利用试样在高温条件下膨胀变形的原理，间接在试样表面产生静水压力，由于该方法不是直接在试样表面施加压力，因此称为被动围压实验方法。通过载荷采集系统和百分表，分别测量高温试验过程中试样膨胀压力的变化和试样的变形量，从而获得试样的体积模量；

3)静态主动围压方法，该方法施加围压载荷的方式是通过液体直接对试样施加压力。首先利用金属腔体制造能够容纳液体的封闭空间，将试样置于其中，然后在金属腔体中充满液体，再通过外部装置对液体施加压力，从而达到压缩试样的目的。通过测量液体的压力和试样的体积变化量，来获得试样的体积模量。

但以上测试方法存在以下缺点：1.设备复杂，试验成本昂贵，加载应力水平过高，比如，动态被动围压SHPB试验方法的静水压力水平一般在数十MPa到数百MPa，远超弹性体体积模量测试的应力水平范围(约为数百kPa到数十MPa)，即该方法不适用于低应力水平；2. 数据处理复杂，比如，静态被动围压方法中需要首先获得试样的热膨胀系数，然后才能通过计算得到体积模量；另该测试方法中通过温度加载，其温度平衡时间长，测试效率低；3. 引入了其他的液体介质，如静态主动围压方法，弹性体具有吸水特性和油溶胀特性，将其置于液体中，会导致试样的性能发生变化，从而使得测试的模量无法反应试样的真实特性。可见，目前对于弹性体体积模量的测量依然缺乏简便有效的办法。

因此，亟需设计一种测试过程简单，适用于中低应力水平加载，且数据处理方便的弹性体材料体积模量测试装置与方法。

发明内容

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种弹性体材料体积模量测试装置，主要由垫块、上底座、延长杆、紧固螺钉、压头、引伸计、下底座、套筒组成；所述下底座中心位置配合开设有用于安装套筒的套筒安装槽，所述下底座的周向设置有通孔I，所述通孔I内安装有延长杆，所述通孔I侧面设置有螺纹孔I，所述螺纹孔I内设置有用于固定延长杆的紧固螺钉；所述套筒为圆筒状零件，所述套筒内部用于原位制备弹性体试样和和原位测试时用来约束弹性体试样的径向变形，所述套筒的材质为屈服强度≥550MPa的高强度钢；所述套筒内配合设置有可以上下移动并用来给弹性体试样加载的压头；所述压头上部设置有上底座，所述上底座底面中心位置设置有与压头顶端相配合的压头安装槽用于安装压头，所述上底座周向且与通孔I相对应的位置设置有通孔II，所述通孔II内安装有延长杆，所述通孔II侧面设置有螺纹孔II，所述螺纹孔II内设置有用于固定延长杆的紧固螺钉，所述上底座顶面中心位置开设有垫块安装槽，所述垫块安装槽内设置有垫块；所述上底座与下底座上的延长杆上设置有用于检测位移的引伸计。

优选的，所述下底座上的通孔I有两组且为对称分布。

优选的，所述弹性体材料体积模量测试装置还包括导轨，所述下底座上周向还设置有通孔III，所述上底座上与通孔III对应位置设置有通孔IV，所述导轨位于通孔III和通孔IV内起导向作用。

优选的，下底座上通孔III有两组且为对称分布。

优选的，所述压头外径与套筒内径的配合公差为H7/g6；所述导轨与通孔III、通孔IV的配合公差均为H7/g6；所述套筒通过粗牙螺纹安装于套筒安装槽内，所述压头通过粗牙螺纹安装于压头安装槽内。

一种使用前述的弹性体材料体积模量装置的弹性体材料体积模量测试方法，包括如下步骤：

步骤一：弹性体材料体积模量装置的组装

用紧固螺钉将延长杆固定安装在通孔I内，将套筒组装在套筒安装槽内；用紧固螺钉将延长杆固定安装在通孔II内；将压头5组装到压头安装槽21内；

步骤二：弹性体试样的原位制备

按弹性体灌封工艺将待测材料固化于套筒内形成弹性体试样，将弹性体试样的自由表面整形成与套筒安装槽底面平行的平面，从而制备出初始高度为L的弹性体试样，要求初始高度L小于套筒的高度H；

步骤三：弹性体试样的原位加载

将压头置于套筒内并与弹性体试样自由表面贴合，将导轨置于通孔III和通孔IV内，将垫块置于垫块安装槽，将引伸计分别连接在每对延长杆上；使用电子万能试验机对垫块进行加载，载荷大小为F，同时利用引伸计测量弹性体试样的压缩变形量ΔL。

步骤四：数据处理

设弹性体试样的横截面积为A，根据施加的载荷计算静水压力σ＝F/A；因弹性体试样径向变形被刚性约束，故体积变形量公式可简化为ε_v＝ΔL/L，从而计算出体积变形量ε_v，根据连续加载的测试结果绘制静水压力随体积应变变化曲线图，根据体积模量公式ΔK＝Δσ/ Δεv计算出体积模量ΔK。

优选的，所述步骤二中弹性体试样的初始高度L小于套筒的高度H至少3mm。

优选的，所述步骤一中，套筒内壁均匀涂抹有硫化钼润滑剂。

本发明的有益效果：本发明所述装置利用被动围压的工作原理，分别采用电子万能试验机和引伸计对处于围压状态的试样进行机械式加载并测试试样的体积变形量，与其他的测试方法相比，本发明采用的测试装置简单，组装方便，试验成本低，且适用于数百kPa到数十 MPa量级的中低应力水平，能很好满足弹性体材料参数的测试需求，如电子封装中的硅凝胶、硅橡胶、硅基复合泡沫等。本发明所述方法基于被动围压原理，严格约束被测试样的径向变形，将体积变形量的测试简化为轴向变形量的测试，从而使试验数据处理更为简单；另外数据处理时，所需数据均源于试验中单步直接测取的数值，无需额外引入其他参数，如热膨胀系数，避免引入更多的误差因素；本方案中被测试样的径向约束和轴向载荷均由测试装置直接约束或加载，无需引入液体介质来达到静水压环境，不存在试样吸水和油溶胀，能反映试样的真实特性。

附图说明

图1弹性体材料体积模量测试装置；

图2弹性体材料体积模量测试装置B-B剖面图；

图3弹性体材料体积模量测试装置立体图；

图4弹性体材料体积模量测试装置立体图半剖视图；

图5某弹性体材料测试曲线；

图中：1.垫块 2.上底座 3.延长杆 4.紧固螺钉 5.压头 6.引伸计 7.下底座 8.弹性体试样 9.套筒 10.导轨 21.压头安装槽 22.通孔II 23.螺纹孔II 24.垫块安装槽25.通孔IV 71.套筒安装槽 72.通孔I 73.螺纹孔I 74.通孔III。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

实施例一

一种弹性体材料体积模量测试装置，如图1所示，主要由垫块1、上底座2、延长杆3、紧固螺钉4、压头5、引伸计6、下底座7、套筒9组成。

下底座7的中心位置配合开设有用于安装或放置套筒9的套筒安装槽71，为了保证套筒与底座紧密接触，同时能控制套筒的水平位移，套筒9和套筒安装槽71通过螺纹进行连接安装，为了提高安装效率可以选择粗牙螺纹。所述下底座的上表面周向设置有通孔I 72，通孔I内安装有延长杆；为了便于固定延长杆，在通孔I 72的侧面设置有螺纹孔I 73，并在螺纹孔I 73内设置有用于固定延长杆3的紧固螺钉4。套筒9为圆筒状零件，其内部是用来原位制备并在原位测试时用来约束性体试样8的径向位移以实现静水围压的效果，这种原位制备试样、原位加载测试的方式，其测试精度更高；位于套筒9内配合设置有可以上下移动的压头5，用来给试弹性体试样8施加载荷；所述压头5上部设置有上底座2，上底座2底面中心位置设置有与压头5顶端相配合的压头安装槽21，同样压头5顶端与压头安装槽21 通过粗牙螺纹进行连接安装，这样便于压头5在加载过程中稳定，不易发生偏载。为了便于精确测量测试过程中的变形量，在上底座2周向且与通孔I 72相对应的位置也设置了用于安装延长杆3的通孔II 22，同样通孔II 22侧面也设置有螺纹孔II 23，螺纹孔II 23内设置了用于固定延长杆3的紧固螺钉4，这样上底座2和下底座7在相同位置处都设置了延长杆3。为了精确测试弹性体试样8在加载过程中的被压缩的情况，在上、下底座的相对应的一对延长杆3上连接有用于检测位移的引伸计6。为了确保加载过程中弹性体试样8高度方向上变形测试的准确性，也为了检测加载是否存在偏载，上底座2上的通孔II 22以及下底座7上的通孔I 72、对应的延长杆3、紧固螺钉4等都设置了两组，且对称布置。

为了减小压头5和套筒9的偏心，所述弹性体材料体积模量测试装置还包括导轨10，所述下底座7上周向还设置有通孔III74，所述上底座2上与通孔III74对应位置设置有通孔IV25，所述导轨10位于通孔III74和通孔IV25内起导向作用，使压头5与套筒9能在空间结构上对中且在加载过程中能使载荷能对中地施加到弹性体试样8上。为了保障效果，图1中所示装置对称设置了两组，当然也可设置更多组。为了确保导轨10能真正起到导向作用，导轨10 与通孔III74和通孔IV25应为小间隙配合，例如采用H7/g6。

为了保障试验机压盘下移加载过程中，上底座2下移，避免导轨10突出上底座2冲撞试验机压盘或试验机其他部件，在上底座顶面设置了垫块1，该垫块1的尺寸远小于上底座。若不设置小垫块，为了确保导轨的导向作用，则上底座则必须设计厚，或者至少要把上底座 2通孔IV25处设计的比较厚，故垫块的设置减小了上底座的厚度，使整个设备向轻便化发展。为了确保垫块1在加载过程中稳定不滑移，在上底座2顶面中心位置开设有垫块安装槽24，垫块1放置在垫块安装槽24内。

为了确保弹性体试样8的密封加载效果，提高实验结果的可靠性以及静水压加载水平，压头5的外径与约束套筒9的内径采用小间隙配合公差H7/g6，确保弹性体试样8不会在实验过程中沿着压头5和套筒9之间的间隙被压出压头5和套筒9封闭的空间。另外，压头5与弹性体试样8相接触的这一端的倒角应尽量小点，例如倒角尺寸为0.5mm，

在利用上述测试装置进行体积模量测试时，按如下步骤进行：

步骤一：弹性体材料体积模量装置的组装

用紧固螺钉4将延长杆3固定安装在通孔I72内，将套筒9组装在套筒安装槽71内；用紧固螺钉4将延长杆3固定安装在通孔II22内；将压头5组装到压头安装槽21内；

步骤二：弹性体试样8的原位制备

按弹性体灌封工艺将待测材料固化于套筒9内制备出弹性体试样8，其中弹性体试样上表面在加载过程中能移动，故称之为自由表面，该自由表面固化后一般为凹面。为保证变形量测试的准确性，需要将凹面整形成与套筒安装槽71底面平行的平面。使最终用来测试的弹性体试样8的初始高度为L，要求固化后的弹性体试样8的初始高度L小于套筒9的高度 H一定高度，本实施例中压头5下端的外径为25mm，套筒9内径25mm，二者为小间隙配合，制备出的试样要低于套筒高度3mm及以上为宜；

步骤三：弹性体试样8的原位加载

将导轨10置于通孔III74内，将上底座2上通孔IV25对正导轨10，然后让上底座2沿导轨向下移动，使压头5置于套筒9内并与弹性体试样8自由表面贴合，将垫块1置于垫块安装槽24，将引伸计6分别连接在每对延长杆3上；使用电子万能试验机对垫块1进行连续加载，同时利用引伸计6测量弹性体试样8的压缩变形量ΔL。

步骤四：数据处理

设弹性体试样8的横截面积为A，载荷大小为F，根据施加的载荷计算静水压力σ＝F/A；由于弹性体试样8的横向变形被限制，则体积变形量的计算可简化为ε_v＝ΔL/L。根据连续加载的测试结果绘制静水压力随体积应变变化曲线图，根据体积模量公式ΔK＝Δσ/Δε_v计算出体积模量ΔK。

针对某硅凝胶弹性体，利用弹性体体积模量测试装置进行连续加载，获得的静水压力随体积应变变化曲线如图5所示，在曲线上选取C、D两点，D点为(0.00499，3.002)和C点为(0.00750，5.689)，则体积应变增量ε_v＝ε_vC-ε_vD＝0.00251，静水压力增量Δσ＝σ_C- σ_D＝2.687MPa，则体积模量根据公式得ΔK＝Δσ/Δε_v＝2.687/0.00251＝1071MPa。

为了严格限制弹性体试样8的径向变形，套筒9采用了屈服强度≥550MPa的高强度钢且采用了大壁厚的设计，本实施例中套筒9的壁厚≥10mm。

Claims

1.一种弹性体材料体积模量测试装置，其特征在于，所述弹性体材料体积模量测试装置主要由垫块(1)、上底座(2)、延长杆(3)、紧固螺钉(4)、压头(5)、引伸计(6)、下底座(7)、套筒(9)组成；所述下底座(7)中心位置配合开设有用于安装套筒(9)的套筒安装槽(71)，所述下底座(7)的周向设置有通孔I(72)，所述通孔I(72)内安装有延长杆(3)，所述通孔I(72)侧面设置有螺纹孔I(73)，所述螺纹孔I(73)内设置有用于固定延长杆(3)的紧固螺钉(4)；所述套筒(9)为圆筒状零件，所述套筒(9)内部用于原位制备弹性体试样(8)和原位测试时用来约束弹性体试样(8)的径向变形，所述套筒(9)的材质为屈服强度≥550MPa的高强度钢；所述套筒(9)内配合设置有可以上下移动并用来给弹性体试样加载的压头(5)；所述压头(5)上部设置有上底座(2)，所述上底座(2)底面中心位置设置有与压头(5)顶端相配合的压头安装槽(21)用于安装压头(5)，所述上底座(2)周向且与通孔I(72)相对应的位置设置有通孔II(22)，所述通孔II(22)内安装有延长杆(3)，所述通孔II(22)侧面设置有螺纹孔II(23)，所述螺纹孔II(23)内设置有用于固定延长杆(3)的紧固螺钉(4)，所述上底座(2)顶面中心位置开设有垫块安装槽(24)，所述垫块安装槽(24)内设置有小于上底座(2)的垫块(1)；所述上底座(2)与下底座(7)上的延长杆(3)上设置有用于检测位移的引伸计(6)。

2.根据权利要求1所述的弹性体材料体积模量测试装置，其特征在于，所述下底座(7)上的通孔I(72)有两组且为对称分布。

3.根据权利要求2所述的弹性体材料体积模量测试装置，其特征在于，所述弹性体材料体积模量测试装置还包括导轨(10)，所述下底座(7)上周向还设置有通孔III(74)，所述上底座(2)上与通孔III(74)对应位置设置有通孔IV(25)，所述导轨(10)位于通孔III(74)和通孔IV(25)内起导向作用。

4.根据权利要求3所述的弹性体材料体积模量测试装置，其特征在于，下底座(7)上通孔III(74)有两组且为对称分布。

5.根据权利要求4所述的弹性体材料体积模量测试装置，其特征在于，所述压头(5)外径与套筒(9)内径的配合公差为H7/g6；所述导轨(10)与通孔III(74)、通孔IV(25)的配合公差均为H7/g6；所述套筒(9)通过粗牙螺纹安装于套筒安装槽(71)内，所述压头(5)通过粗牙螺纹安装于压头安装槽(21)内。

6.一种使用如权利要求3-5任意一项所述的弹性体材料体积模量装置的弹性体材料体积模量测试方法，其特征在于，所述弹性体材料体积模量测试方法包括如下步骤：

步骤一：弹性体材料体积模量装置的组装

用紧固螺钉(4)将延长杆(3)固定安装在通孔I(72)内，将套筒(9)组装在套筒安装槽(71)内；用紧固螺钉(4)将延长杆(3)固定安装在通孔II(22)内；将压头(5)组装到压头安装槽(21)内；

步骤二：弹性体试样(8)的原位制备

按弹性体灌封工艺将待测材料固化于套筒(9)内形成弹性体试样(8)，将弹性体试样(8)的自由表面整形成与套筒安装槽(71)底面平行的平面，从而制备出初始高度为L的弹性体试样(8)，要求初始高度L小于套筒(9)的高度H；

步骤三：弹性体试样(8)的原位加载

将导轨(10)置于通孔III(74)内，将上底座(2)上通孔IV(25)对正导轨(10)，然后让上底座(2)沿导轨(10)向下移动，使压头(5)置于套筒(9)内并与弹性体试样(8)自由表面贴合，将垫块(1)置于垫块安装槽(24)内，将引伸计(6)分别连接在每对延长杆(3)上；使用电子万能试验机对垫块(1)进行连续加载，同时利用引伸计(6)测量连续加载过程中弹性体试样(8)的压缩变形量ΔL；

步骤四：数据处理

设弹性体试样(8)的横截面积为A、载荷为F，计算静水压力σ＝F/A；因弹性体试样(8)径向变形被刚性约束，故体积变形量公式可简化为ε_v＝ΔL/L，从而计算出体积变形量ε_v，根据连续加载的测试结果绘制静水压力随体积应变变化曲线图，根据体积模量公式ΔK＝Δσ/Δε_v计算出体积模量ΔK。

7.根据权利要求6所述弹性体材料体积模量测试方法，其特征在于，所述步骤二中弹性体试样(8)的初始高度L小于套筒(9)的高度H至少3mm。

8.根据权利要求6所述弹性体材料体积模量测试方法，其特征在于，所述步骤一中，套筒(9)内壁均匀涂抹有硫化钼润滑剂。