一種線性粘彈材料泊松比的測試方法
2023-09-16 22:06:15
專利名稱：一種線性粘彈材料泊松比的測試方法
技術領域：
本發明涉及一種將納米壓痕蠕變和簡單拉伸蠕變試驗相結合，測試線性粘彈材料泊松 比的方法，屬材料力學試驗方法領域。
背景技術：
泊松比(p)是一個非常重要的材料力學參數。目前泊松比的測試方法分為接觸式和非接 觸式兩類。前者主要有機械法與電測法，後者則包括利用聲音傳播特性的聲學方法和全息幹 涉法或雲紋幹涉法等的光學方法。在眾多的泊松比試驗方法中，機械法因操作簡單、便捷而 廣為運用。其中試件上施加拉伸載荷，基於材料在單一軸向應力狀態下橫向變形和縱向變形 的比值的機械法測試彈性材料的泊松比已標準化。對聚合物而言，恆定外載作用下材料的松 弛或蠕變無法避免，其橫向應變響應與縱向變形往往非同步進行。即粘彈性材料Y的試驗測量 較彈性材料複雜得多。近年來泊松比新型試驗方法與技術不斷湧現，如通過壓痕載荷與壓痕 變形之間的非線性關係獲得p的壓入法(中國發明專利公開號CN101063646A)、基於材料 的載荷一相對體積曲線與載荷一應變曲線的雙斜率計算法(中國發明專利公開號 CN101441151A)等。但上述試驗方法僅適用於彈性材料泊松比的測定。迄今為止，尚無合適 的機械法評估線性粘彈聚合物薄膜的泊松比。
發明內容
本發明的目的在於針對己有技術存在的不足，提供一種適合於線性粘彈聚合物及其複合 材料泊松比的準確與便捷的接觸式測試方法。
本發明的思路為①由連續介質力學方法導出玻式(Berkovich)壓頭壓入線性粘彈聚合 物過程中，材料蠕變柔量隨壓入深度變化的理論表達式；②通過納米壓痕儀獲得特定載荷下 壓痕深度一載荷曲線，由此可得到材料泊松比隨壓入蠕變柔量的演化方程；③據試件單軸拉 伸蠕變試驗，確定材料的拉伸蠕變柔量；④利用線性材料壓入蠕變柔量與其拉伸蠕變柔量的 等效原理，可實現線性粘彈材料泊松比的準確測量。
根據上述發明構思，本發明採用下述技術方案
一種線性粘彈材料泊松比的測試方法，用於對以聚合物及其複合材料製成的試樣進行 測試，其特徵在於測試步驟如下
a.將聚合物或聚合物基複合材料納米壓痕與拉伸試樣放入恆溫、恆溼箱加熱至高於玻璃化 轉變溫度(Tg) 5 —l(TC，靜置1—2小時以消除其預應力，再以5。C/hr的速度慢速冷卻 至Tg以下。試件在溫度為25土0.5t:、溼度為50±2%的室內環境中放置72小時後進行測試。
b.採用半錐角為e的玻式(Berkovich)壓頭對壓痕試樣實施恆定加載速率(《(/)-v。"其 中F"(O為壓入載荷，v。、 f分別為加載速率和時間)或恆定荷載下(《(0 =屍0，式中屍。為 荷載大小)的動態納米壓痕試驗，據此獲得壓入深度(A(O)隨時間("的變化曲線。 兩種加載方式下，線性粘彈材料壓入剪切蠕變柔量(人(f))隨時間的演化分別為 4/22(0
恆定荷載模式
~~， 恆加載速率模式
c. 在通用試驗機上(UTM)，對拉伸蠕變試樣施加恆定拉伸載荷巧，得到蠕變位移一時間曲 線(/(,)-,)，試樣的拉伸蠕變柔量(■/,(,))由此可得。即柳=丄/(,)，式中《為施加
載荷大小，/。為試樣的標距長度，S為試樣橫截面積。
d. 基於上述動態納米壓痕與拉伸蠕變的試驗結果，並據剪切柔量J力)與體(拉伸)柔量J,(O
的換算關係^(0 = ^%，線性粘彈材料泊松比(p)可由式(1)或式(2)確定。
2(1 + //)
^= 1——^恆定荷載模式 (1)
1—4柳, 恆加載速率模式 (2)
本發明與現有技術相比較，其突出實質性特點和顯著優點為己有的機械法、電測法、 光學法及聲學法等均無法測定非透明聚合物及其複合材料薄膜的泊松比，而本發明基於嚴格 的連續介質力學理論與方法，可為各類線性粘彈材料泊松比的定量提供準確、便捷的試驗解 決方案。
圖l為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)納米壓痕過程中荷載一時間曲線。 圖2為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)納米壓痕過程中壓入深度一時間曲線。圖3為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)拉伸蠕變柔量隨時間變化曲線。
圖4為聚碳酸酯(PC)納米壓痕過程中荷載一時間曲線。
圖5為聚碳酸酯(PC)納米壓痕過程中壓入深度一時間曲線。
圖6為聚碳酸酯(PC)拉伸蠕變柔量隨時間變化曲線。
具體實施例方式
現將本發明的具體實施例詳述如下 實施例l
①將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)分別製成幾何尺寸(長x寬x厚)為8mmx8mmxlmm 的納米壓痕試樣和200mmxl0mmximm的拉伸試樣；②將試件放入溫度為ll(TC的恆溫、恆 溼箱，靜置2小時以消除其預應力，再以5tVhr的速度慢速冷卻至室溫以下。試件在溫度為 25土0.5。C、溼度為50±2%的室內環境中放置72小時後進行測試；③通過Hysitron-Tribo Indentation納米壓痕儀，採用半錐角為70.32°的玻式(Berkovich)壓頭對壓痕試樣實施如圖
1所示的恆定荷載的動態納米壓痕試驗，據此獲得壓入深度隨時間(O的變化曲線
(如圖2); 在Zwick/Rodl通用試驗機上，對拉伸試樣施加恆定拉伸載荷作用下的蠕變試
驗，根據蠕變位移一時間測試曲線(/( )—)，計算所得試樣的拉伸蠕變柔量如圖3
所示；⑤據上述恆荷載模式下線性粘彈材料泊松比的計算式(1)，可得PMMA泊松比(p)。 在納米壓痕試驗的時間尺度內(小於300秒)，因n隨時間變化極小，故可取其平均值0.22作 為PMMA的泊松比。 實施例2
①將聚碳酸酯(PC)分別製成幾何尺寸(長x寬x厚)為8mmx8mmx0.5mm的納米壓 痕試樣和150mmxl0mmx0.5mm的拉伸試樣；②將試件放入溫度為150'C的恆溫、恆溼箱， 靜置1小時以消除其預應力，再以5°C/hr的速度慢速冷卻至室溫以下。試件在溫度為25±0.5 °C、溼度為50±2%的室內環境中放置72小時後進行測試；③通過Hysitron-Tribo Indentation 納米壓痕儀，採用半錐角為70.32°的玻式(Berkovich)壓頭對壓痕試樣實施如圖4所示的
恆加載速率的動態納米壓痕試驗，據此獲得壓入深度(/7(0)隨時間("的變化曲線(如圖
5);④在Zwick/Roell通用試驗機上，對拉伸試樣施加恆定拉伸載荷作用下的蠕變試驗，根據
蠕變位移一時間測試曲線(/(0一)，計算所得試樣的拉伸蠕變柔量(J,W)如圖6所示；⑤
據上述恆荷載模式下線性粘彈材料泊松比的計算式(2)，可得PC泊松比。因在納米壓痕試 驗的時間尺度內(小於300秒)，n隨時間變化也極小，取其平均值0.32即為PC的泊松比。上述PMMA、 PC兩種試樣由傳統電測法獲得的材料泊松比分別為0.24和0.34，與本發明方法試驗數據相差均小於10%，由此可見本發明的基於納米壓痕蠕變和簡單拉伸蠕變試驗相結合，在納米壓痕試驗的時間尺度內(小於300秒)，線性粘彈材料泊松比的測試方法具有較高的精度。
權利要求
1.一種線性粘彈材料泊松比的測試方法，其特徵在於其測試步驟如下a.將聚合物或聚合物基複合材料納米壓痕與拉伸試樣放入恆溫、恆溼箱加熱至高於玻璃化轉變溫度5-10℃，靜置1-2小時以消除其預應力，再以5℃/hr的速度慢速冷卻至玻璃化轉變溫度以下；試樣在溫度為25±0.5℃、溼度為50±2％的室內環境中放置72小時後進行測試；b.採用半錐角為θ的玻式壓頭對壓痕試樣實施恆定加載速率(Fn(t)＝v0t，其中Fn(t)為壓入載荷，v0、t分別為加載速率和時間)或恆定荷載下(Fn(t)＝P0，式中P0為荷載大小)的動態納米壓痕試驗，獲得壓入深度(h(t))隨時間的變化曲線；兩種加載方式下，線性粘彈材料壓入剪切蠕變柔量(Js(t))隨時間的演化分別為c.在通用試驗機上，對拉伸蠕變試樣施加恆定拉伸載荷Ft，得到蠕變位移-時間曲線(l(t)-t)，試樣的拉伸蠕變柔量(Jt(t))為<![CDATA[ J t ( t )= S F t l 0 l ( t ), ]]> top= "151" left = "115"/>式中Ft為施加載荷大小，l0為試樣的標距長度，S為試樣橫截面積；d.根據剪切蠕變柔量Js(t)與拉伸蠕變柔量Jt(t)的換算關係<![CDATA[ J s ( t )= J t ( t ) 2 ( 1 + ) , ]]> top= "178" left = "136"/>線性粘彈材料泊松比(μ)可由式(1)或式(2)確定。<![CDATA[ = 1 - 2 h2 (t) Jt (t) P0 c tan ]]> top= "202" left = "58"/>恆定荷載模式(1)<![CDATA[ = 1 - 4 h (t) Jt (t) c tan dh (t) dt ]]> top= "219" left = "56"/>恆加載速率模式(2).
全文摘要
本發明涉及一種線性粘彈材料泊松比的測試方法。該方法是將聚合物或聚合物基複合材料納米壓痕與拉伸試樣放入恆溫、恆溼箱加熱至高於玻璃化轉變溫度5-10℃，靜置，再慢速冷卻至玻璃化轉變溫度以下；試樣室內放置72小時；採用玻式壓頭對壓痕試樣實施恆定加載速率或恆定荷載下的動態納米壓痕試驗，獲得壓入深度隨時間的變化曲線；由此獲得兩種加載方式下壓入剪切蠕變柔量；在通用試驗機上對拉伸蠕變試樣施加恆定拉伸載荷，得到蠕變位移-時間曲線，由此獲得拉伸蠕變柔量；根據剪切蠕變柔量與拉伸蠕變柔量的換算關係，確定線性粘彈材料泊松比。本發明為各類線性粘彈材料泊松比的定量提供準確、便捷的試驗解決方案。
文檔編號G01N3/08GK101655434SQ20091019573
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月16日 優先權日2009年9月16日
發明者周沙漵, 朱文書, 潔 李, 李達開, 胡宏玖, 賀耀龍 申請人:上海大學