深入粘彈性世界：柔性材料力學(xué)性能測(cè)試全解析

一、 核心挑戰(zhàn)與特點(diǎn)

在測(cè)試柔性材料時(shí)，我們需要特別關(guān)注以下幾點(diǎn)：

1. 大變形：柔性材料通常能承受百分之幾百甚至上千的應(yīng)變，而金屬通常在1%以內(nèi)就會(huì)屈服。這要求測(cè)試設(shè)備具有很大的行程和精確的大變形測(cè)量能力。

2. 非線性：其應(yīng)力-應(yīng)變曲線通常沒(méi)有明顯的線彈性階段，一開始很軟，隨后逐漸變硬（稱為“J-形曲線"）。

3. 超彈性與粘彈性：

超彈性：材料可恢復(fù)極大變形，但其行為不是線性的（如橡膠）。

粘彈性：其力學(xué)性能依賴于時(shí)間和速率。表現(xiàn)為蠕變（恒定應(yīng)力下，應(yīng)變隨時(shí)間增加）和應(yīng)力松弛（恒定應(yīng)變下，應(yīng)力隨時(shí)間衰減）。

4. 低模量：它們的彈性模量可能低至kPa到MPa量級(jí)，非常容易受夾具、試樣自重等因素影響。

5. 各向異性：一些柔性復(fù)合材料或生物組織在不同方向上表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能。

二、 主要測(cè)試類型與方法

以下是針對(duì)柔性材料最重要的力學(xué)性能測(cè)試方法：

1. 單軸拉伸測(cè)試

這是最基礎(chǔ)的測(cè)試。

目的：獲取應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從而得到楊氏模量（通常是切線模量或割線模量）、屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等。

關(guān)鍵點(diǎn)：

引伸計(jì)：必須使用非接觸式視頻引伸計(jì)或激光引伸計(jì)，因?yàn)榻佑|式引伸計(jì)可能會(huì)刺入或滑脫軟材料，且需要測(cè)量大變形。

夾具：使用氣動(dòng)平口夾具、卷繞式夾具或防止試樣打滑和夾傷的專用夾具。

輸出：典型的超彈性應(yīng)力-應(yīng)變曲線，用于擬合Mooney-Rivlin、Ogden等本構(gòu)模型參數(shù)。

2. 壓縮測(cè)試

目的：評(píng)估材料的抗壓性能、回彈性和緩沖性能。

應(yīng)用：泡沫坐墊、密封圈、凝膠墊等。

關(guān)鍵點(diǎn)：

需要防止屈曲。

上下壓板的平行度和摩擦力對(duì)結(jié)果影響很大，有時(shí)需要使用潤(rùn)滑劑來(lái)減小摩擦。

可進(jìn)行循環(huán)壓縮以研究變形和能量損耗。

3. 撕裂測(cè)試

柔性材料對(duì)缺口非常敏感，因此抗撕裂性能是關(guān)鍵指標(biāo)。

常見方法：

褲形撕裂

直角撕裂

新月形撕裂

目的：測(cè)量撕裂強(qiáng)度，評(píng)估材料對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻力。

4. 蠕變與應(yīng)力松弛測(cè)試

這是表征材料粘彈性的核心測(cè)試。

蠕變測(cè)試：對(duì)試樣施加一個(gè)恒定的力，測(cè)量其應(yīng)變隨時(shí)間的變化。

應(yīng)用：預(yù)測(cè)密封件在長(zhǎng)期壓力下的變形、纜繩的伸長(zhǎng)等。

應(yīng)力松弛測(cè)試：將試樣快速拉伸到一個(gè)固定的應(yīng)變并保持，測(cè)量其應(yīng)力隨時(shí)間衰減的過(guò)程。

應(yīng)用：評(píng)估O型圈密封力的保持能力、外科縫合線的張力保持等。

5. 動(dòng)態(tài)力學(xué)分析

這是研究柔性材料粘彈性的工具。

原理：對(duì)試樣施加一個(gè)微小振蕩的力（應(yīng)力），測(cè)量產(chǎn)生的振蕩位移（應(yīng)變）。通過(guò)分析應(yīng)力與應(yīng)變之間的相位差和振幅比，可以得到：

儲(chǔ)能模量 (E‘)：代表材料的彈性成分，即儲(chǔ)存能量的能力。

損耗模量 (E’‘)：代表材料的粘性成分，即耗散能量（轉(zhuǎn)化為熱）的能力。

損耗因子 (tan δ)： = E’‘ / E’，代表材料的阻尼性能。

測(cè)試模式：拉伸、壓縮、彎曲、剪切。

可變量：

溫度：繪制DMTA圖譜，可得到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），對(duì)橡膠和塑料至關(guān)重要。

頻率：模擬不同加載速率下的材料行為。

應(yīng)變/應(yīng)力：評(píng)估Payne效應(yīng)（填料增強(qiáng)橡膠的應(yīng)變依賴性）。

6. 硬度測(cè)試

硬度是衡量材料抵抗局部壓入能力的指標(biāo)，對(duì)于柔性材料是一種快速、無(wú)損的質(zhì)檢方法。

常用標(biāo)尺：

邵氏硬度：分為A（較軟）、D（較硬）、C、OO等標(biāo)尺。用彈簧加載的壓針測(cè)量。

國(guó)際橡膠硬度：比邵氏硬度更精確，通過(guò)測(cè)量壓頭在特定力下的壓入深度得出。

球壓痕硬度：適用于軟塑料和彈性體。

7. 雙軸拉伸測(cè)試

目的：模擬材料在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的行為，如氣球膨脹、橡膠膜受力。

方法：十字形試樣在兩個(gè)垂直方向上同時(shí)拉伸，或圓柱形試樣的內(nèi)壓膨脹。

8. 剪切測(cè)試

目的：評(píng)估材料的抗剪切性能，如粘合劑、彈性體軸承。

方法：塊狀剪切、lap剪切等。

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三、 關(guān)鍵測(cè)試考量因素

1. 試樣制備：必須使用標(biāo)準(zhǔn)裁刀精確切割，避免缺口和缺陷。

2. 環(huán)境控制：溫度對(duì)柔性材料（尤其是高分子材料）的性能影響巨大，需要在恒溫恒濕條件下測(cè)試。

3. 數(shù)據(jù)采集頻率：由于大變形和粘彈性，需要較高的數(shù)據(jù)采集速率以捕捉真實(shí)的曲線形態(tài)。

4. 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：必須遵循相關(guān)的國(guó)際、國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如ASTM, ISO等，以確保結(jié)果的可比性和可靠性。

四、 應(yīng)用領(lǐng)域

醫(yī)療器械：導(dǎo)管的柔順性、球囊的擴(kuò)張性能、人工軟骨和皮膚的力學(xué)匹配、縫合線的強(qiáng)度。

汽車工業(yè)：輪胎的耐久性和滾動(dòng)阻力、密封條的密封性能、減震墊的阻尼。

電子行業(yè)：柔性顯示屏和可穿戴設(shè)備中薄膜、導(dǎo)電油墨的拉伸和彎曲性能。

體育用品：跑鞋中底的緩震和回彈、運(yùn)動(dòng)地板的能量吸收。

包裝材料：軟包裝薄膜的撕裂強(qiáng)度和穿刺強(qiáng)度。

總結(jié)

柔性材料力學(xué)性能測(cè)試是一個(gè)專業(yè)且復(fù)雜的領(lǐng)域，其核心在于理解并精確測(cè)量材料的非線性、大變形和粘彈性行為。選擇合適的測(cè)試方法、精密的儀器、嚴(yán)格的制樣和測(cè)試流程，是獲得可靠數(shù)據(jù)并指導(dǎo)材料研發(fā)、質(zhì)量控制和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA） 在其中扮演著尤為重要的角色，它能揭示材料的本質(zhì)粘彈性。