CN114624112B - 一种弹性模量测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种弹性模量测量方法及系统，用于测量超弹性薄膜，所述弹性模量测量方法包括：以待测薄膜的圆心为中心，对所述待测薄膜开孔；根据所述待测薄膜的孔的半径选择压头；将所述待测薄膜固定在底座上，使所述压头与所述待测薄膜的中心对齐；控制所述压头下压所述待测薄膜，记录所述待测薄膜所能承受的最大压头载荷；基于所述最大压头载荷计算获得所述待测薄膜的弹性模量，可以通过待测薄膜所能承受的最大压头载荷计算待测薄膜的弹性模量。

Description

一种弹性模量测量方法及系统
技术领域
本发明涉及压痕试验技术领域，具体而言，涉及一种弹性模量测量方法及系统。
背景技术
对弹性体施加一个外界作用力，弹性体会发生形状的改变，弹性模量是指单向应力状态下，应力除以该方向的应变，是用于描述物质弹性的物理量。当被测物是薄膜材料时，由于其模量小、厚度薄以及高度非线性等特点，难以用传统方法进行表征，用来测试的样件也难以加工，如何精准、便捷地表征其弹性模量已经成为制约柔性电子、4D打印、燃料电池等高新技术发展的关键瓶颈，在上述高新技术发展的浪潮下，表征薄膜材料的弹性模量成为仿真优化设计的关键。
发明内容
本发明解决的问题是如何准确表征薄膜材料的弹性模量。
为解决上述问题，本发明提供一种弹性模量测量方法，用于测量超弹性薄膜，所述弹性模量测量方法包括：
以待测薄膜的圆心为中心，对所述待测薄膜开孔；根据所述待测薄膜的孔的半径选择压头；将所述待测薄膜固定在底座上，使所述压头与所述待测薄膜的中心对齐；控制所述压头下压所述待测薄膜，记录所述待测薄膜所能承受的最大压头载荷；基于所述最大压头载荷计算获得所述待测薄膜的弹性模量。
相对于现有技术，本发明通过对待测薄膜开孔，然后根据孔的半径选择合适的压头，然后下压压头，对固定在底座的待测薄膜进行压痕试验，通过压头与开孔之间相互配合，通过压头下压进而构造出一个最大承载力，记录最大承载力即可计算待测薄膜的弹性模量，无需记录压痕试验中的载荷-位移曲线，设备工装简单、原理简洁易行。
可选地，所述基于所述最大压头载荷计算获得所述待测薄膜的弹性模量包括：
通过所述待测薄膜的孔的半径、所述压头的半径、所述待测薄膜的厚度和所述最大压头载荷反演计算所述待测薄膜的弹性模量。
由此，根据测量到的最大压头载荷和已知的孔的半径、压头半径、薄膜厚度可以准确计算待测薄膜的弹性模量。
可选地，所述通过所述待测薄膜的孔的半径、所述压头的半径、所述待测薄膜的厚度和所述最大压头载荷反演计算所述待测薄膜的弹性模量包括：
其中，μ表示所述待测薄膜的弹性模量，Fm表示所述待测薄膜的最大压头载荷，RI表示所述压头的半径，H0表示所述待测薄膜的厚度，fm(η)表示关于所述最大压头载荷和所述压头的半径的函数。
由此，保证仅需获取最大压头载荷即可计算待测薄膜的弹性模量。
可选地，所述通过所述待测薄膜的孔的半径、所述压头的半径、所述待测薄膜的厚度和所述最大压头载荷反演计算所述待测薄膜的弹性模量还包括：
fm(η)通过如下公式计算：
fm(η)＝8.27e-4.82η，
其中，η表示所述待测薄膜的孔的半径和所述压头的半径的比值。
由此，可以通过公式获得同一材料下，待测薄膜可受到的最大压头载荷、压头半径、孔的半径之间的关系。
可选地，所述控制所述压头下压所述待测薄膜，记录所述待测薄膜所能承受的最大压头载荷包括：
控制所述压头下压；
当所述待测薄膜受到所述压头的压力而失稳时，停止下压所述压头；
记录所述压头的下压力，将所述下压力作为所述待测薄膜的最大压头载荷。
由此，可通过压头测量待测薄膜的最大失稳载荷即可承受的最大压头载荷。
可选地，所述控制所述压头下压包括：
所述压头下压至接触待测薄膜后，均匀增加所述压头的下压力。
由此，可以准确获得待测薄膜可受到的最大压头载荷。
可选地，所述根据所述待测薄膜的孔的半径选择压头包括：
所述待测薄膜的孔的半径与所述压头的半径之间的比值大于0.1且小于0.5。
由此，使待测薄膜的孔的半径与压头半径处于一定比例之间，可以准确测得待测薄膜的弹性模量。
另一方面，本发明还提供一种弹性模量测量系统，用于实现上述的弹性模量测量方法，所述弹性模量测量系统包括底座、压头、第一垫片和第二垫片；所述压头包括连接部、延长部和接触部，其中，所述接触部为半球体；所述底座、所述第一垫片和所述第二垫片均包括至少两个相互配合的定位孔，用于配合螺栓固定待测薄膜。
可选地，所述弹性模量测量系统还包括磁性部，所述磁性部与所述连接部磁性连接，所述底座还包括镂空的观察窗。
可选地，所述弹性模量测量系统还包括控制装置，所述控制装置与所述压头电连接，所述控制装置用于控制所述压头下压所述待测薄膜，记录所述待测薄膜所能承受的最大压头载荷；所述控制装置还用于基于最大压头载荷计算获得待测薄膜的弹性模量。
本发明弹性模量测量系统相对于现有技术所具有的有益效果与上述弹性模量测量方法一致，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例的弹性模量测量方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的弹性模量测量方法步骤S400细化后的流程示意图；
图3为本发明实施例的弹性模量测量系统的示意图；
图4为本发明实施例的与η之间的关系趋势示意图。
附图标记说明：
1-磁性部；2-压头；3-第二垫片；4-底座。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。
应当理解，本发明的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/或省略执行示出的步骤。本发明的范围在此方面不受限制。
本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”；术语“可选地”表示“可选的实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模型或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模型或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
需要注意，本发明中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。
在柔性电子、4D打印、燃料电池等高新技术领域的高速发展下，常常需要测量薄膜材料的弹性模量。目前，薄膜弹性模量常用的表征方法主要有微拉伸法、压痕法、超声波速法、鼓膜法及利用膜-基系统失稳原理进行测量。
其中，单轴微拉伸试验是获得薄膜力学特性最直接的方法，通过记录试件单轴拉伸时的应力-应变曲线，斜率即为薄膜的弹性模量；超声波速法是基于超声波的传播速度由介质的弹性常数决定，通过测量薄膜的横波和纵波波速，结合波速公式计算出薄膜的弹性模量和泊松比；鼓膜法是用胶粘剂将膜粘贴于带孔基体上，或用微细加工技术在有膜的基体上加工出一个小孔，然后安装在设备的测试台上。在独立膜一侧逐渐增加均匀压力，并测量出独立膜中心的挠度，从而得到膜的挠度随压力的变化曲线，结合适当的力学理论模型，求得薄膜的应力-应变曲线以及弹性模量；还可以利用膜-基系统失稳原理进行测量，选取已知弹性模量的材料作为基体，用胶粘剂将薄膜粘贴于基体上，通过力学加载获得失稳波长，结合失稳波长公式，即可计算出薄膜的弹性模量；压痕法是对边缘固定的薄膜进行压痕试验，通过记录压头压入试样的位移和压头作用于试样的载荷，从而得到薄膜的弹性模量。
压痕试验利用压头压入被测材料，通过分析被测材料与压头的压痕载荷-压入深度曲线获得被测材料的相关力学性质，被广泛应用与宏观及微纳观尺度下材料的线弹性、塑性及粘弹性性质力学表征。1881年，Hertz发展了接触理论，Hertz解也被广泛应用于球压头压痕试验中的弹性接触问题。Lee和Radok将Hertz接触理论扩展至粘弹性材料，通过蠕变函数预测粘弹性材料对外加载荷的响应。Johnson等将Hertz解扩展至粘附接触的情况。在连续介质力学框架下，高分子聚合物材料可以用线弹性、超弹性、线性粘弹性、非线性粘弹性、多孔弹性或其它双相、多相本构关系来描述，需要根据材料表现出的力学响应选择合适的本构模型。
上述表征薄膜弹性模量的方法均存在局限性。在微拉伸法中，试样加工、夹持和安装比较困难，应力和应变测量的误差比较大，难以准确测得弹性模量；由于波速难以被准确和精密地测定，故超声波速法也难以获得准确的结果；鼓膜法的理论模型前提是假定薄膜的凸起形状是球冠，要满足此假设条件就需要求薄膜内的应变均匀分布，不符合所有已知材料的特性；共振频率法和基于膜-基系统失稳原理的方法，均涉及到薄膜与基体的粘接以及基体本身的力学性质的影响，干扰因素有很多；而现有的压痕法难点在于测量结果的分析，在压入深度较小时，压头载荷与压入深度呈三次方的关系，在初始加载段，压头载荷-压入深度曲线受外界扰动较大，易造成较大误差。
由此可见，目前表征评价薄膜弹性模量的方法的准确度、可靠性都具有不同程度的缺陷，需要进一步加以完善和改进。
如图1所示，本发明实施例提供一种弹性模量测量方法，用于测量超弹性薄膜，所述弹性模量测量方法包括：
步骤S100，以待测薄膜的圆心为中心，对所述待测薄膜开孔。
在一实施例中，通过压痕试验测量待测薄膜的弹性模量，因压痕试验仅在压入深度较小时，压头载荷和压入深度呈三次方的关系，但是在压头刚刚接触薄膜的初始加载段，难以判断压头是否已经压入待测薄膜。另外，初始加载段的压头载荷与压入深度均处于一个较小的阶段，容易被外界因素干扰，此特点也导致压头载荷和压入深度之间的关系难以被准确获取。
为了排除初始加载段的干扰，在一实施例中，以待测薄膜的圆心为中心，对待测薄膜开孔，待测薄膜的孔为比压头半径小的圆，在进行压痕试验时，通过半球形的压头下压待测薄膜，通过压头和待测薄膜的孔构造出一个待测薄膜的最大承载力，用该点的数据，即薄膜的最大承载力的数值来计算弹性模量，而不需要记录加载历程的力和压入深度曲线。
步骤S200，根据所述待测薄膜的孔的半径选择所述压头。
当待测薄膜的孔的半径过小，压头的半径过大时，在初始加载端，压头需要具有更大的压力穿透待测薄膜，即需要较大的压入深度，使测得的弹性模量误差较大；当待测薄膜的孔的半径过大、压头的半径过小时，压头只需较小的压入深度即可穿透待测薄膜，与未打孔的待测薄膜具有相同的问题，载荷-压入深度曲线受外界扰动比较大，同样导致测得的弹性模量误差较大。
可选地，待测薄膜的孔的半径与压头的半径的比值大于0.1小于0.5。
在待测薄膜的孔的半径与压头半径的比值在0.1和0.5之间时，根据公式计算出的待测薄膜的弹性模量最准确。
在一实施例中，半球形压头的半径为5mm，待测薄膜中心的开孔的半径为2mm，在本实施例中，待测薄膜的孔的半径与压头半径的比值为0.4，大于0.1小于0.5。在本实施例中，待测薄膜的孔的直径为2mm时，半球形压头的直径可在4mm-20mm之间选取。
步骤S300，将所述待测薄膜固定在所述底座上，使所述压头与所述待测薄膜的中心对齐。
在一实施例中，底座用于固定待测薄膜，在底座上具有至少两个分布均匀的定位孔，用于配合螺栓固定待测薄膜。至少两个分布均匀的定位孔保证待测薄膜可以准确固定在底座上而不会与底座发生相对位移，也进一步保证待测薄膜的中心与底座的中心对齐。压头的轴心与底座的轴心同轴，保证固定好待测薄膜后，压头可以与待测薄膜的中心对齐。
步骤S400，控制所述压头下压所述待测薄膜，记录所述待测薄膜所能承受的最大压头载荷。
控制压头下压待测薄膜，在待测薄膜受到最大承载力而失稳后，记录最大承载力值。因本发明通过改变试件外形，即在待测薄膜中心开孔，通过选取特定半径的半球形压头下压待测薄膜，通过构造出一个最大承载力，使用最大承载力的数值来计算待测薄膜的弹性模量。避免在初始加载段时，薄膜可能出现的未张紧情况而导致的载荷值波动以及试验曲线中不好判断压头与待测薄膜何时开始接触的情况。
步骤S500，基于所述最大压头载荷计算获得所述待测薄膜的弹性模量。
最大压头载荷，即待测薄膜受到的最大承载力，在本发明实施例中，也可以称为最大失稳载荷。
基于最大压头载荷可以进而计算待测薄膜的弹性模量，在本发明实施例中，通过打孔的待测薄膜与半球形压头共同构造最大承载力，只需获得最大压头载荷即可计算待测薄膜的弹性模量。
可选地，步骤S500包括：
通过所述待测薄膜的孔的半径、所述压头的半径、所述待测薄膜的厚度和所述最大压头载荷反演计算所述待测薄膜的弹性模量。
在一实施例中，通过计算待测薄膜的孔的半径与压头半径的比值，然后记录薄膜厚度、最大压头载荷，进而反演计算待测薄膜的弹性模量。
可选地，如图1、图4所示，所述通过所述待测薄膜的孔的半径、所述压头的半径、所述待测薄膜的厚度和所述最大压头载荷反演计算所述待测薄膜的弹性模量包括：
其中，μ表示所述待测薄膜的弹性模量，Fm表示所述待测薄膜的最大压头载荷，RI表示所述压头的半径，H0表示所述待测薄膜的厚度，fm(η)表示关于所述最大压头载荷和所述压头的半径的函数。
可选地，所述通过所述待测薄膜的孔的半径、所述压头的半径、所述待测薄膜的厚度和所述最大压头载荷反演计算所述待测薄膜的弹性模量还包括：
fm(η)通过如下公式计算：
fm(η)＝8.27e-4.82η，
其中，η表示所述待测薄膜的孔的半径和所述压头的半径的比值。
可选地，如图2所示，步骤S400包括：
步骤S401，控制所述压头下压。
步骤S402，当所述待测薄膜受到所述压头的压力而失稳时，停止下压所述压头。
步骤S403，记录所述压头的下压力，将所述下压力作为所述待测薄膜的最大压头载荷。
在本发明实施例中，需要记录最大压头载荷，在计算待测薄膜的弹性模量时，不用记录整个加载历程的力和压入深度曲线，故可以直接下压压头，无需考虑加载初始段压头载荷-压入深度的关系，只需在待测薄膜受到压头压力而失稳时记录此时压头的下压力作为待测薄膜的最大压头载荷，然后通过本发明提供的公式进行反演计算最终获得待测薄膜的弹性模量。
可选地，步骤S401包括：所述压头下压至接触待测薄膜后，均匀增加所述压头的下压力。
压头下压至接触待测薄膜后，需要均匀增加下压力向下压，使待测薄膜受到的压力稳定增长，保证获得准确的压头载荷。
另一方面，如图3所示，本发明还提供一种弹性模量测量系统，包括底座4、压头2、第一垫片和第二垫片3；
所述压头2包括连接部、延长部和接触部，其中，所述接触部为半球体；
所述底座4、所述第一垫片和所述第二垫片3均包括至少两个相互配合的定位孔，用于配合螺栓固定待测薄膜。
在一实施例中，压头2的连接部为圆柱体结构，延长部同样为圆柱体结构且延长部的半径小于连接部，接触部为半球形结构，压头2由连接部、延长部和接触部组合而成。
底座4为包含一个圆柱体空腔的圆柱体，底座4的上端具有开口，用于配合压头2压入空腔。第一垫片和第二垫片3为铝合金材质，用于夹持待测薄膜，第一垫片与第二垫片3上具有至少两个相互配合的定位孔，在底座4上同样具有两个相互配合的定位孔，用于配合螺栓固定第一垫片和第二垫片3，其中第一垫片与第二垫片3用于夹持待测薄膜。
可选地，定位孔为六个3mm的圆孔。
可选地，所述弹性模量测量系统还包括磁性部1，所述磁性部1与所述连接部磁性连接，所述底座(4)还包括镂空的观察窗。
在一实施例中，磁性部1与压头2的连结部磁性连接，方便压头2的安装和拆卸。镂空的观察窗便于观察试验中的薄膜变形。
可选地，所述弹性模量测量系统还包括控制装置，所述控制装置与所述压头2电连接，所述控制装置用于控制所述压头2下压所述待测薄膜，记录所述待测薄膜所能承受的最大压头载荷；所述控制装置还用于基于最大压头载荷计算获得待测薄膜的弹性模量。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种弹性模量测量方法，其特征在于，用于测量超弹性薄膜，所述弹性模量测量方法包括：
以待测薄膜的圆心为中心，对所述待测薄膜开孔；
根据所述待测薄膜的孔的半径选择压头；
将所述待测薄膜固定在底座上，使所述压头与所述待测薄膜的中心对齐；
控制所述压头下压所述待测薄膜，记录所述待测薄膜所能承受的最大压头载荷；
基于所述最大压头载荷计算获得所述待测薄膜的弹性模量，包括：通过所述待测薄膜的孔的半径、所述压头的半径、所述待测薄膜的厚度和所述最大压头载荷反演计算所述待测薄膜的弹性模量，表示为：
其中，μ表示所述待测薄膜的弹性模量，Fm表示所述待测薄膜的最大压头载荷，RI表示所述压头的半径，H0表示所述待测薄膜的厚度，fm(η)表示关于所述最大压头载荷和所述压头的半径的函数。
2.根据权利要求1所述的弹性模量测量方法，其特征在于，所述通过所述待测薄膜的孔的半径、所述压头的半径、所述待测薄膜的厚度和所述最大压头载荷反演计算所述待测薄膜的弹性模量还包括：
fm(η)通过如下公式计算：
fm(η)＝8.27e-4.82η，
其中，η表示所述待测薄膜的孔的半径和所述压头的半径的比值。
3.根据权利要求1-2任一项所述的弹性模量测量方法，其特征在于，所述控制所述压头下压所述待测薄膜，记录所述待测薄膜所能承受的最大压头载荷包括：
控制所述压头下压；
当所述待测薄膜受到所述压头的压力而失稳时，停止下压所述压头；
记录所述压头的下压力，将所述下压力作为所述待测薄膜的最大压头载荷。
4.根据权利要求3所述的弹性模量测量方法，其特征在于，所述控制所述压头下压包括：
所述压头下压至接触待测薄膜后，均匀增加所述压头的下压力。
5.根据权利要求3所述的弹性模量测量方法，其特征在于，所述根据所述待测薄膜的孔的半径选择压头包括：
所述待测薄膜的孔的半径与所述压头的半径之间的比值大于0.1且小于0.5。
6.一种弹性模量测量系统，其特征在于，用于实现权利要求1-5任一所述的弹性模量测量方法，所述弹性模量测量系统包括底座(4)、压头(2)、第一垫片和第二垫片(3)；
所述压头(2)包括连接部、延长部和接触部，其中，所述接触部为半球体；
所述底座(4)、所述第一垫片和所述第二垫片(3)均包括至少两个相互配合的定位孔，用于配合螺栓固定待测薄膜。
7.根据权利要求6所述的弹性模量测量系统，其特征在于，还包括磁性部(1)，所述磁性部(1)与所述连接部磁性连接，所述底座(4)还包括镂空的观察窗。
8.根据权利要求6所述的弹性模量测量系统，其特征在于，还包括控制装置，所述控制装置与所述压头(2)电连接，所述控制装置用于控制所述压头(2)下压所述待测薄膜，记录所述待测薄膜所能承受的最大压头载荷；所述控制装置还用于基于最大压头载荷计算获得待测薄膜的弹性模量。
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