專利名稱：微觀薄膜材料力學(xué)雙軸測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料力學(xué)測(cè)試設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種能對(duì)不同環(huán)境下薄膜材料 在雙軸應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂失效模式進(jìn)行測(cè)試的微觀薄膜材料力學(xué)雙軸測(cè)試試驗(yàn)
臺(tái)
背景技術(shù)：
薄膜材料是一種興起于上世紀(jì)六七十年代的新型材料，其種類功能多樣，一 些薄膜材料隔熱，密封，防輻射，抗氧化等特性更是其他材料無(wú)法替代的。目前， 薄膜材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用到航天器熱控，建筑，紡織工業(yè)，微電子、光電子行業(yè)， 太陽(yáng)能利用，食品包裝與保鮮，汽車工業(yè)等等很多領(lǐng)域中，正發(fā)揮著越來(lái)越重要 的作用。隨著應(yīng)用的日漸廣泛，對(duì)薄膜材料的開(kāi)發(fā)研究已經(jīng)打破學(xué)科的界限，成 為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)，其力學(xué)性能的研究則是薄膜結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)研究的前提和基礎(chǔ)。
在制造過(guò)程中，例如在于其他聚合物薄膜層疊期間，很多材料要經(jīng)受加熱冷 卻循環(huán)，其可以近似成為雙向應(yīng)力狀態(tài)。另外，汽車用防炫，抗霧等薄膜材料在 隨玻璃熱塑成型時(shí)，所進(jìn)行的操作幾乎都是雙軸應(yīng)力狀態(tài)，在此過(guò)程中膜結(jié)構(gòu)極 易破壞導(dǎo)致失效。可以說(shuō)，薄膜材料的可靠性很大程度上取決于涂層與基底的力 學(xué)行為，特別是薄膜材料破碎的起始應(yīng)力。而這時(shí)的應(yīng)力轉(zhuǎn)換和單軸的破裂過(guò)程 不同，從而其導(dǎo)致的破壞過(guò)程也可能不同。所以，由常規(guī)破裂試驗(yàn)分析得到的結(jié) 果不能很好的反映材料在實(shí)際制造過(guò)程中的力學(xué)性能。因此對(duì)薄膜材料的受力特 性，特別是在雙軸應(yīng)力作用下的強(qiáng)度特性的研究是必要的。
Y. LETERRIER等人(JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE, 2001， Vol.36: 2213-2225)設(shè)計(jì)的薄膜試驗(yàn)機(jī)精度很高，容易觀察記錄薄膜涂層的破碎模式，但相應(yīng)其成本很高，只能專門(mén)對(duì)某些較薄試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且拉伸狀態(tài)比較單一， 只能完成等軸拉伸。
專利號(hào)為200620158423.7的靜電梳原理的薄膜拉伸機(jī)對(duì)中性不能進(jìn)行調(diào)節(jié)， 對(duì)于稍微有大變形的材料就是不可用的，因?yàn)楫a(chǎn)生的就不是正交的雙向應(yīng)力。另 外產(chǎn)生的拉力也不會(huì)很大。
專利號(hào)為87205653的機(jī)械式雙軸拉伸試驗(yàn)儀，是搭建在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上使用 的，不能夠獨(dú)立地加載，受到一定的限制，并且它只能完成固定1: 1的雙軸比 例的拉伸，且不可調(diào)。
專利號(hào)為03127674.1的設(shè)計(jì)是可編程控制的，其成本相對(duì)較高，并且只能限 制于薄膜進(jìn)行拉伸，對(duì)于厚一些的材料測(cè)試則不適用。
專利號(hào)為200520067081.3的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并且也存在對(duì)中性的問(wèn)題，對(duì) 試件尺寸耍求過(guò)大，不易于研究微觀小尺度的情況。
以上提到的設(shè)備均不能放在環(huán)境箱當(dāng)中進(jìn)行高低溫情況下的測(cè)試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)在對(duì)薄膜進(jìn)行雙軸拉伸測(cè)試時(shí)的不足，提供了一 種微觀薄膜材料力學(xué)雙軸測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于，兩根不在同一平面上垂直的 上絲杠31和下絲杠32分別固定在箱體9的上下側(cè)壁和左右側(cè)壁上，上絲杠31 的兩側(cè)各安置一根與之平行的上導(dǎo)軌41，下絲杠32的兩側(cè)各安置-根與之平行 的下導(dǎo)軌42;上絲杠31和下絲杠32的兩端分別穿過(guò)箱體9的上下側(cè)壁和左右側(cè) 壁， 一端用雙螺母8固定，另一端安裝手輪7并用雙螺母8固定；在上絲杠31 上安裝兩個(gè)上滑塊11，下絲杠32上安裝兩個(gè)下滑塊12;每個(gè)上滑塊11和下滑 塊12均通過(guò)力傳感器5各連接一個(gè)夾具6。
所述上滑塊11兩端套于上導(dǎo)軌41上，沿上導(dǎo)軌41做徑向運(yùn)動(dòng)；所述下滑塊12兩端套于下導(dǎo)軌42上，沿下導(dǎo)軌42做徑向運(yùn)動(dòng)。
所述上絲杠31和下絲杠32中段光滑，并以絲杠光滑段的中心為對(duì)稱點(diǎn)，兩 邊分別加工左旋和右旋細(xì)牙螺紋，使絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候套在相應(yīng)位置的上滑塊11 或下滑塊12能夠反向運(yùn)動(dòng)。
所述雙螺母8的作用是限制上絲杠31和下絲杠32相對(duì)箱體9不滑動(dòng)，以及 通過(guò)調(diào)節(jié)雙螺母8的位置，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前調(diào)節(jié)對(duì)中性。
所述手輪7為扳手加載塊式手輪，通過(guò)銷釘同定在絲杠匕手輪7的調(diào)節(jié)精 度為3~10pm。
所述夾具6的數(shù)量為4個(gè)，且在同一水平面上。
本發(fā)明的有益效果為能夠?qū)Ρ∧げ牧鲜┘硬煌碾p軸應(yīng)力，并可以置于溫
度箱中對(duì)薄膜材料在不同溫度下的力學(xué)行為進(jìn)行研究。為了研究該裝置的可行 性，利用該裝置對(duì)橡膠基底上的硝化纖維薄膜在不同拉力比情況雙向應(yīng)力狀態(tài)的 破裂行為進(jìn)行了研究，研究表明，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定可靠的雙軸加載，并能方 便地控制雙軸應(yīng)力比，并得到不同應(yīng)力比下的薄膜破裂形貌。 附閣說(shuō)明
圖1為本發(fā)明所述試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖2為手輪結(jié)構(gòu)示意圖3為小載荷傳感器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為大載荷傳感器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為夾具結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中標(biāo)號(hào)
ll-上滑塊;12-下滑塊;31-上絲杠;32-下絲杠;41-上導(dǎo)軌;42-下導(dǎo)軌; 5-力傳感器；6-夾具；61-夾具主體；62-墊片；63--彈簧；64-固定螺絲；65-加緊螺絲；7-手輪；8-雙螺母；9-箱體。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了種微觀薄膜材料力學(xué)雙軸測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，下面通過(guò)


和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
兩根不在同'平面上垂直的上絲杠31和卜絲杠32分別固定在箱體9的上下 側(cè)壁和左右側(cè)壁上，上絲杠31和下絲杠32中間光滑，并以絲杠光滑段的中心為 對(duì)稱點(diǎn)，兩邊分別加工左旋和右旋細(xì)牙螺紋，使絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候套在相應(yīng)位置的 上滑塊11或下滑塊12能夠反向運(yùn)動(dòng)；上絲杠31的兩側(cè)各安置一根與之平行的 上導(dǎo)軌41 ，下絲杠32的兩側(cè)各安置一根與之平行的下導(dǎo)軌42;
在上絲杠31上安裝兩個(gè)上滑塊11，下絲杠32上安裝兩個(gè)下滑塊12;上滑 塊11兩端套于上導(dǎo)軌41上，沿上導(dǎo)軌41做徑向運(yùn)動(dòng)；下滑塊12兩端套于下導(dǎo) 軌42上，沿下導(dǎo)軌42做徑向運(yùn)動(dòng)
上絲杠31和卜絲杠32的兩端分別穿過(guò)箱體9的_卜.下側(cè)壁和左右側(cè)壁，在一 端用雙螺母8固定，另一端安裝手輪7并用雙螺母8固定；雙螺母8的作用是限 制上絲杠31和卜絲杠32相對(duì)箱體9不滑動(dòng)，以及通過(guò)調(diào)節(jié)雙螺母8的位置，在 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前調(diào)節(jié)對(duì)中性；手輪7為扳手加載塊式手輪，通過(guò)銷釘固定在絲杠上， ^以手動(dòng)或使用扳手實(shí)現(xiàn)加載；手輪7圓周h刻有300等分線，絲杠上細(xì)螺紋螺 距是1.5mm，因此手輪轉(zhuǎn)動(dòng)每小格對(duì)應(yīng)每個(gè)滑塊移動(dòng)5pm距離。
毎個(gè)上滑塊11和下滑塊12均通過(guò)力傳感器5各連接一個(gè)夾具6。
力傳感器5采用硬鋁材料制成，彈性模量是70GPa左右，目的是提高傳感器 測(cè)量的靈敏度。小載荷傳感器采用如下結(jié)構(gòu)，在圖3的4-l、 4-2、 4-3、 4-4位置 粘貼4片應(yīng)變片，應(yīng)變片可以是常溫的，高溫的或者低溫的，四枚應(yīng)變片組成惠 更斯電橋，采用全橋進(jìn)行測(cè)量，這樣能夠提高靈敏度及線性度，及消除彎矩扭矩的影響和溫度效應(yīng)。傳感器受軸向拉力時(shí)，4-1、 4-3處的應(yīng)變片受壓，接在惠更 斯電橋的一對(duì)對(duì)臂上，4-2、 4-4處的應(yīng)變片受拉，接在惠更斯電橋的另一對(duì)對(duì)臂 上。在常溫下標(biāo)定后，四片應(yīng)變片組全橋連接在YJR-5A型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀上組 成全橋并進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定結(jié)果為傳感器在豎向方向上，每牛頓力產(chǎn)生3.418個(gè)微 應(yīng)變，精度為0.3牛頓，量程為245牛頓；傳感器在水平方向上，每牛頓力產(chǎn)生 2.916個(gè)微應(yīng)變，精度為0.35牛頓，量程為245牛頓。
大載荷傳感器如圖4所示。貼片位置在4-5、 4-6和在背面的4-7、 4-8。當(dāng)傳 感器受拉時(shí)，4-5、 4-7位置的應(yīng)變片受壓，接在惠更斯電橋的一對(duì)對(duì)臂上，4-6、 4-8位置的應(yīng)變片受拉，接在惠更斯電橋的另一對(duì)對(duì)臂上，組成全橋。
圖5為夾具結(jié)構(gòu)示意圖。夾具由主體61，墊片62，兩個(gè)彈簧63，兩個(gè)固定 螺絲64， 一個(gè)裝卸試件加緊螺絲65組成。裝卡試件時(shí)，將螺母65松開(kāi)，墊片 62在彈簧63的作用下彈起，放入試件，用六角螺扳擰緊螺母65，壓住下面的墊 片，夾緊試件。墊片和試件的接觸面刻有與拉力方向垂直的條紋，增大摩擦力。
權(quán)利要求
1. 微觀薄膜材料力學(xué)雙軸測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于，兩根不在同一平面上垂直的上絲杠(31)和下絲杠(32)分別固定在箱體(9)的上下側(cè)壁和左右側(cè)壁上，上絲杠(31)的兩側(cè)各安置一根與之平行的上導(dǎo)軌(41)，下絲杠(32)的兩側(cè)各安置一根與之平行的下導(dǎo)軌(42)；上絲杠(31)和下絲杠(32)的兩端分別穿過(guò)箱體(9)的上下側(cè)壁和左右側(cè)壁，一端用雙螺母(8)固定，另一端安裝手輪(7)并用雙螺母(8)固定；在上絲杠(31)上安裝兩個(gè)上滑塊(11)，下絲杠(32)上安裝兩個(gè)下滑塊(12)；每個(gè)上滑塊(11)和下滑塊(12)均通過(guò)力傳感器(5)各連接一個(gè)夾具(6)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微觀薄膜材料力學(xué)雙軸測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于， 所述上滑塊(11)兩端套于上導(dǎo)軌(41)上，沿上導(dǎo)軌(41)做徑向運(yùn)動(dòng)；所述 下滑塊(12)兩端套于下導(dǎo)軌(42)上，沿下導(dǎo)軌(42)做徑向運(yùn)動(dòng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微觀薄膜材料力學(xué)雙軸測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于， 所述上絲杠(31)和下絲杠(32)中段光滑，并以絲杠光滑段的中心為對(duì)稱點(diǎn)， 兩邊分別加工左旋和右旋細(xì)牙螺紋，使絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候套在相應(yīng)位置的上滑塊(11)或下滑塊(12)能夠反向運(yùn)動(dòng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微觀薄膜材料力學(xué)雙軸測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于， 所述雙螺母(8)的作用是限制上絲杠(31)和下絲杠(32)相對(duì)箱體(9)不滑 動(dòng)，以及通過(guò)調(diào)節(jié)雙螺母(8)的位置，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前調(diào)節(jié)對(duì)中性。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微觀薄膜材料力學(xué)雙軸測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于， 所述手輪(7)為扳手加載塊式手輪，通過(guò)銷釘固定在絲杠上，手輪(7)的調(diào)節(jié) 精度為3~10^im。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微觀薄膜材料力學(xué)雙軸測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，其特征在亍，所述夾具(6)的數(shù)量為4個(gè)，且在同一水平面上,
全文摘要
本發(fā)明屬于材料力學(xué)測(cè)試設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種微觀薄膜材料力學(xué)雙軸測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)為矩形箱體的側(cè)壁設(shè)置兩根異面垂直的絲杠，每根絲杠的兩側(cè)各安置一根與之平行的導(dǎo)軌；絲杠的兩端均穿過(guò)箱體的側(cè)壁，一端用雙螺母固定，另一端安裝手輪；在每根絲杠上分別安裝兩個(gè)滑塊；每個(gè)滑塊均通過(guò)力傳感器各連接一個(gè)夾具。使用本發(fā)明能夠?qū)Ρ∧げ牧鲜┘硬煌碾p軸應(yīng)力，并可以置于溫度箱中對(duì)薄膜材料在不同溫度下的力學(xué)行為進(jìn)行研究，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。
文檔編號(hào)G01N3/00GK101504342SQ200910076650
公開(kāi)日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2009年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月12日
發(fā)明者施惠基, 政 段, 牛莉莎, 王天罡 申請(qǐng)人:清華大學(xué)