專利名稱：一種線性粘彈材料泊松比的測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將納米壓痕蠕變和簡單拉伸蠕變試驗(yàn)相結(jié)合，測試線性粘彈材料泊松 比的方法，屬材料力學(xué)試驗(yàn)方法領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
泊松比(p)是一個非常重要的材料力學(xué)參數(shù)。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(jī)械法與電測法，后者則包括利用聲音傳播特性的聲學(xué)方法和全息干 涉法或云紋干涉法等的光學(xué)方法。在眾多的泊松比試驗(yàn)方法中，機(jī)械法因操作簡單、便捷而 廣為運(yùn)用。其中試件上施加拉伸載荷，基于材料在單一軸向應(yīng)力狀態(tài)下橫向變形和縱向變形 的比值的機(jī)械法測試彈性材料的泊松比已標(biāo)準(zhǔn)化。對聚合物而言，恒定外載作用下材料的松 弛或蠕變無法避免，其橫向應(yīng)變響應(yīng)與縱向變形往往非同步進(jìn)行。即粘彈性材料Y的試驗(yàn)測量 較彈性材料復(fù)雜得多。近年來泊松比新型試驗(yàn)方法與技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如通過壓痕載荷與壓痕 變形之間的非線性關(guān)系獲得p的壓入法(中國發(fā)明專利公開號CN101063646A)、基于材料 的載荷一相對體積曲線與載荷一應(yīng)變曲線的雙斜率計(jì)算法(中國發(fā)明專利公開號 CN101441151A)等。但上述試驗(yàn)方法僅適用于彈性材料泊松比的測定。迄今為止，尚無合適 的機(jī)械法評估線性粘彈聚合物薄膜的泊松比。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對己有技術(shù)存在的不足，提供一種適合于線性粘彈聚合物及其復(fù)合 材料泊松比的準(zhǔn)確與便捷的接觸式測試方法。
本發(fā)明的思路為①由連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法導(dǎo)出玻式(Berkovich)壓頭壓入線性粘彈聚合 物過程中，材料蠕變?nèi)崃侩S壓入深度變化的理論表達(dá)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?nèi)崃康难莼匠?；③?jù)試件單軸拉 伸蠕變試驗(yàn)，確定材料的拉伸蠕變?nèi)崃?；④利用線性材料壓入蠕變?nèi)崃颗c其拉伸蠕變?nèi)崃康?等效原理，可實(shí)現(xiàn)線性粘彈材料泊松比的準(zhǔn)確測量。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種線性粘彈材料泊松比的測試方法，用于對以聚合物及其復(fù)合材料制成的試樣進(jìn)行 測試，其特征在于測試步驟如下
a.將聚合物或聚合物基復(fù)合材料納米壓痕與拉伸試樣放入恒溫、恒濕箱加熱至高于玻璃化 轉(zhuǎn)變溫度(Tg) 5 —l(TC，靜置1—2小時以消除其預(yù)應(yīng)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:、濕度為50±2%的室內(nèi)環(huán)境中放置72小時后進(jìn)行測試。
b.采用半錐角為e的玻式(Berkovich)壓頭對壓痕試樣實(shí)施恒定加載速率(《(/)-v。"其 中F"(O為壓入載荷，v。、 f分別為加載速率和時間)或恒定荷載下(《(0 =尸0，式中尸。為 荷載大小)的動態(tài)納米壓痕試驗(yàn)，據(jù)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?nèi)崃?人(f))隨時間的演化分別為 4/22(0
恒定荷載模式
~~， 恒加載速率模式
c. 在通用試驗(yàn)機(jī)上(UTM)，對拉伸蠕變試樣施加恒定拉伸載荷巧，得到蠕變位移一時間曲 線(/(,)-,)，試樣的拉伸蠕變?nèi)崃?■/,(,))由此可得。即柳=丄/(,)，式中《為施加
載荷大小，/。為試樣的標(biāo)距長度，S為試樣橫截面積。
d. 基于上述動態(tài)納米壓痕與拉伸蠕變的試驗(yàn)結(jié)果，并據(jù)剪切柔量J力)與體(拉伸)柔量J,(O
的換算關(guān)系^(0 = ^%，線性粘彈材料泊松比(p)可由式(1)或式(2)確定。
2(1 + //)
^= 1——^恒定荷載模式 (1)
1—4柳, 恒加載速率模式 (2)
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，其突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)為己有的機(jī)械法、電測法、 光學(xué)法及聲學(xué)法等均無法測定非透明聚合物及其復(fù)合材料薄膜的泊松比，而本發(fā)明基于嚴(yán)格 的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論與方法，可為各類線性粘彈材料泊松比的定量提供準(zhǔn)確、便捷的試驗(yàn)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?nèi)崃侩S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?nèi)崃侩S時間變化曲線。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)將本發(fā)明的具體實(shí)施例詳述如下 實(shí)施例l
①將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)分別制成幾何尺寸(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的恒溫、恒 濕箱，靜置2小時以消除其預(yù)應(yīng)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、濕度為50±2%的室內(nèi)環(huán)境中放置72小時后進(jìn)行測試；③通過Hysitron-Tribo Indentation納米壓痕儀，采用半錐角為70.32°的玻式(Berkovich)壓頭對壓痕試樣實(shí)施如圖
1所示的恒定荷載的動態(tài)納米壓痕試驗(yàn)，據(jù)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(yàn)機(jī)上，對拉伸試樣施加恒定拉伸載荷作用下的蠕變試
驗(yàn)，根據(jù)蠕變位移一時間測試曲線(/( )—)，計(jì)算所得試樣的拉伸蠕變?nèi)崃咳鐖D3
所示；⑤據(jù)上述恒荷載模式下線性粘彈材料泊松比的計(jì)算式(1)，可得PMMA泊松比(p)。 在納米壓痕試驗(yàn)的時間尺度內(nèi)(小于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(shí)施例2
①將聚碳酸酯(PC)分別制成幾何尺寸(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的恒溫、恒濕箱， 靜置1小時以消除其預(yù)應(yīng)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、濕度為50±2%的室內(nèi)環(huán)境中放置72小時后進(jìn)行測試；③通過Hysitron-Tribo Indentation 納米壓痕儀，采用半錐角為70.32°的玻式(Berkovich)壓頭對壓痕試樣實(shí)施如圖4所示的
恒加載速率的動態(tài)納米壓痕試驗(yàn)，據(jù)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(yàn)機(jī)上，對拉伸試樣施加恒定拉伸載荷作用下的蠕變試驗(yàn)，根據(jù)
蠕變位移一時間測試曲線(/(0一)，計(jì)算所得試樣的拉伸蠕變?nèi)崃?J,W)如圖6所示；⑤
據(jù)上述恒荷載模式下線性粘彈材料泊松比的計(jì)算式(2)，可得PC泊松比。因在納米壓痕試 驗(yàn)的時間尺度內(nèi)(小于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(tǒng)電測法獲得的材料泊松比分別為0.24和0.34，與本發(fā)明方法試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差均小于10%，由此可見本發(fā)明的基于納米壓痕蠕變和簡單拉伸蠕變試驗(yàn)相結(jié)合，在納米壓痕試驗(yàn)的時間尺度內(nèi)(小于300秒)，線性粘彈材料泊松比的測試方法具有較高的精度。
權(quán)利要求
1.一種線性粘彈材料泊松比的測試方法，其特征在于其測試步驟如下a.將聚合物或聚合物基復(fù)合材料納米壓痕與拉伸試樣放入恒溫、恒濕箱加熱至高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度5-10℃，靜置1-2小時以消除其預(yù)應(yīng)力，再以5℃/hr的速度慢速冷卻至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下；試樣在溫度為25±0.5℃、濕度為50±2％的室內(nèi)環(huán)境中放置72小時后進(jìn)行測試；b.采用半錐角為θ的玻式壓頭對壓痕試樣實(shí)施恒定加載速率(Fn(t)＝v0t，其中Fn(t)為壓入載荷，v0、t分別為加載速率和時間)或恒定荷載下(Fn(t)＝P0，式中P0為荷載大小)的動態(tài)納米壓痕試驗(yàn)，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?nèi)崃?Js(t))隨時間的演化分別為c.在通用試驗(yàn)機(jī)上，對拉伸蠕變試樣施加恒定拉伸載荷Ft，得到蠕變位移-時間曲線(l(t)-t)，試樣的拉伸蠕變?nèi)崃?Jt(t))為<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>J</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mi>S</mi> <mrow><msub> <mi>F</mi> <mi>t</mi></msub><msub> <mi>l</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow></mfrac><mi>l</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2009101957330002C2.tif" wi="27" he="10" top= "151" left = "115" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>式中Ft為施加載荷大小，l0為試樣的標(biāo)距長度，S為試樣橫截面積；d.根據(jù)剪切蠕變?nèi)崃縅s(t)與拉伸蠕變?nèi)崃縅t(t)的換算關(guān)系<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>J</mi> <mi>s</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>J</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mn>2</mn><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>&mu;</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0003" file="A2009101957330002C3.tif" wi="29" he="10" top= "178" left = "136" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>線性粘彈材料泊松比(μ)可由式(1)或式(2)確定。<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>&mu;</mi><mo>=</mo><msqrt> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><mrow> <msup><mrow> <mn>2</mn> <mi>h</mi></mrow><mn>2</mn> </msup> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow></mrow><mrow> <msub><mi>J</mi><mi>t</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <msub><mi>P</mi><mn>0</mn> </msub> <mi>&pi;</mi> <mi>c</mi> <mi>tan</mi> <mi>&theta;</mi></mrow> </mfrac></msqrt> </mrow>]]></math> id="icf0004" file="A2009101957330002C4.tif" wi="39" he="12" top= "202" left = "58" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>恒定荷載模式(1)<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>&mu;</mi><mo>=</mo><msqrt> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><mrow> <mn>4</mn> <mi>h</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow></mrow><mrow> <msub><mi>J</mi><mi>t</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <mi>&pi;</mi> <mi>c</mi> <mi>tan</mi> <mi>&theta;</mi></mrow> </mfrac> <mfrac><mrow> <mi>dh</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow></mrow><mi>dt</mi> </mfrac></msqrt> </mrow>]]></math> id="icf0005" file="A2009101957330002C5.tif" wi="46" he="11" top= "219" left = "56" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>恒加載速率模式(2).
全文摘要
本發(fā)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復(fù)合材料納米壓痕與拉伸試樣放入恒溫、恒濕箱加熱至高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度5-10℃，靜置，再慢速冷卻至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下；試樣室內(nèi)放置72小時；采用玻式壓頭對壓痕試樣實(shí)施恒定加載速率或恒定荷載下的動態(tài)納米壓痕試驗(yàn)，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?nèi)崃?；在通用試?yàn)機(jī)上對拉伸蠕變試樣施加恒定拉伸載荷，得到蠕變位移-時間曲線，由此獲得拉伸蠕變?nèi)崃?；根?jù)剪切蠕變?nèi)崃颗c拉伸蠕變?nèi)崃康膿Q算關(guān)系，確定線性粘彈材料泊松比。本發(fā)明為各類線性粘彈材料泊松比的定量提供準(zhǔn)確、便捷的試驗(yàn)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(yōu)先權(quán)日2009年9月16日
發(fā)明者周沙溆, 朱文書, 潔 李, 李達(dá)開, 胡宏玖, 賀耀龍 申請人:上海大學(xué)