薄膜材料雙軸力學性能研究進展

一、測試方法——目前主流四類

1. 十字形試樣雙軸拉伸

- 適用：PET、PI、PTFE、ETFE、PVC 涂層織物等

- 標準：ISO 527-3、ASTM D638 引申做法；建工行業《膜結構檢測技術標準》征求意見稿已給出比例加載 1:1、2:1、1:2、1:0、0:1 五組荷載步及最小二乘擬合流程。

- 關鍵：應變測量建議用視頻引伸計或云紋干涉，避免刀口滑移；厚度需實測，因涂層面內各向異性顯著。

2. 圓片鼓包（Bulge Test）

- 適用：超薄 (<10 µm) 金屬/氧化物/聚合物薄膜，無法夾持十字形時。

- 公式：p = 2σt/R → σ = pR/2t，ε = (8w2)/(3a2)（半球假設）

- 注意：需同步測壓強 p 與中心撓度 w，厚度 t 必須原位測；鼓包狀態為等雙軸 σ?=σ?，無法做非比例加載。

3. 非接觸納米壓痕+背彎（Substrate Bending）

- 適用：晶圓級 Si、GaAs、CIGS 等脆性薄膜，不剝離基底。

- 輸出：雙軸彈性模量 E/(1-ν)、硬度；但無法給出屈服/斷裂應變。

4. 微型雙軸疲勞機（如 IPBF-）

- 適用：柔性電子、水凝膠、生物軟組織；可做 0.01–20 Hz 比例/非比例循環、蠕變-疲勞交互。

- 擴展：可配 37 °C PBS 浴槽、光學顯微鏡，實現原位裂紋觀測。

二、典型本構特征與參數范圍

1. 非線性 + 正交各向異性

多數建筑膜材（PVC/PVDF 涂層織物）經、緯向彈性模量相差 1.5–2.5 倍；應力-應變曲線在低應力區（<10 % 抗拉強度）可線性近似，用于規范取值。

2. 雙軸/單軸對比

- ETFE 透明膜：雙軸彈性模量 650–750 MPa，與單軸 600–800 MPa 接近，泊松比 0.45–0.50，滿足 Mises 屈服；厚度 100–250 µm，5 組應力比試驗斷裂應變 200–300 %。

- PTFE 涂層玻璃纖維：雙軸模量經向 1200–1500 N/mm、緯向 800–1000 N/mm，泊松比 0.3–0.4；雙軸比 1:1 時折算強度比單軸提高 15–25 %。

- PET 工業膜（BOPET, 12–50 µm）：雙軸等比例拉伸模量 4.0–5.2 GPa，泊松比 0.38–0.45；非比例 2:1 時經向模量下降 8–12 %，緯向上升 5–8 %。

三、加載路徑效應速覽

四、常用薄膜雙軸力學參數速查表（室溫 23 ±2 °C，50 %RH）

（注：表中“雙軸"一欄如無特別說明均為比例 1:1 加載結果；建筑膜材單位 N/mm 已換算為 GPa 便于對比。）

五、工程應用提示

1. 設計取值

對建筑膜結構，規范建議直接采用雙軸試驗的 1/4 抗拉強度區間線性擬合模量，并按荷載組合 1:1、2:1、1:2 取最小值作為剛度輸入，避免用單軸數據導致撓度低估 10–30 %。

2. 數值模擬

- 正交各向異性殼單元（Abaqus *ORIENTATION）+ 表列非線性應力-應變曲線，可較好復現雙軸軟化。

- 若僅做彈性階段，可用前述 E?、E?、ν??、G?? 四常數，但剪切模量 G 需單獨測 45° 拉伸或方板扭轉試驗給出。

3. 破壞準則

ETFE、PE 類延性膜可用 Mises；PVC/PVDF 涂層織物因基材編織易撕，需用 Tsai-Hill 或 Yarn-level 模型，并校核撕裂強度≥300 N/cm。

4. 加速老化

雙軸模量對紫外+濕熱敏感：PET 在 85 °C/85 %RH 500 h 后雙軸模量下降 15–20 %；PI 僅下降 5 %，更適合高溫柔性電子。

通過以上數據與方法，可對常規薄膜在雙軸應力下的剛度、強度、破壞行為做出快速評估，并據此選擇試驗路線或輸入仿真參數，減少“單軸-雙軸"誤差導致的結構安全風險。