冷热原位拉伸测试系统在柔性材料力学性能测试中的应用
时间：2021-08-11 阅读：1846
1、应用背景介绍
PI膜(聚酰亚胺膜)指主链上含有酰亚胺环(-CO-N-CO-)的一类聚合物，是综合性能最佳的有机高分子材料之一。其耐高温达400°C以上，长期使用温度范围-200～300°C，部分无明显熔点，高绝缘性能，103赫兹下介电常数4.0，介电损耗仅0.004～0.007，属F至H级绝缘。PI加热片可提供各种形状、规格和功率大小的挠性电加热板,厚度仅0.25mm,可以根据工件的形状任意弯曲，确保与工件接触紧密，保证的热能传递。
聚酰亚胺作为一种特种工程材料，已广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。上世纪60年代，各国都在将聚酰亚胺的研究、开发及利用列入 21世纪最有希望的工程塑料之一。聚酰亚胺，因其在性能和合成方面的突出特点，不论是作为结构材料或是作为功能性材料，其巨大的应用前景已经得到充分的认识，被称为是"解决问题的能手"(problem solver)，并认为"没有聚酰亚胺就不会有今天的微电子技术"。
如何测试PI膜在一定温度环境下的屈服强度、延伸率、泊松比、杨氏模量等力学性能，并且在测试过程可以观察到PI膜的断裂过程，这些参数是制定柔性电子制造过程工艺关键参数。一般情况下，该类测试载荷精度要求较高，且样品小，在进行屈服、强度、延伸率等力学性能测试时，更重要的是保证温度的冷热环境，且还需配备DIC或视觉引伸计。文天精策仪器科技(苏州)有限公司研发的冷热原位拉伸测试系统可以解决该类小尺度变温环境的的测试。
2、冷热原位拉伸显微测试系统介绍
冷热原位拉伸测试系统主要应用于小尺度的相关的生物、金属、陶瓷、涂层、玻璃、有机聚合物、纤维等各种材料科学研究，可实现温度范围-190~600℃，温控精度±0.1℃，最大载荷5kN。冷热原位拉伸测试系统通过实时获取材料动态载荷下，形变和温度等数据，并结合DIC或视频引伸计联用进行材料微观结构分析数据，实现了定量分析材料微观力学性质、相变行为、取向变化、裂纹萌生和扩展、材料疲劳和断裂机制、材料弯曲、高温蠕变性、分层、形成滑移面以及脱落等现象，实现各种材料性能的研究。
a.可适应多种材料测试，可用于金属、半导体、陶瓷、高分子、纤维复合涂层等多个学科的材料科学研究；
b.变温范围宽，可实现-190~600℃，温控精度±0.1℃；
c.载荷加载功能多，可更换多种专用夹具，可实现测试样品的拉伸、挤压、弯曲测试等；最大拉伸载荷5kN，载荷精度0.5%；
d.视觉系统非接触测量，避免接触对测量的影响；
e.亚像素级精度，图像相关法，计算精度高；
f.多方向同测，对纵、横向应变同时计算；
g.多点对共测，适用于多试样、多标段测试。
图1视频引伸计(显微版)
视频引伸计采用非接触式测量方式，对于试样的大小、材质等限制较小，非常适合用于小尺寸试样测量中使用。
3、使用方法步骤
在柔性小尺寸试样测试过程中，冷热原位拉伸测试系统的使用方法及步骤如下：(1)通过专用的小试样散斑喷涂装置，制作散斑涂层。当然，也可以通过画线等方式制作标记，视频引伸计均可支持，但制作散斑涂层后面还可以扩展到其他用途，所以我们建议处理为散斑涂层。制作完成的试样类似下图。
图2 小尺寸试样散斑喷涂效果
(2)夹持试样，将小试样正常放在对应的试验机上夹持住。
图3 冷热原位拉伸测试系统加载试样
图4 小尺寸试样使用原位台夹持
(3)架设视频引伸计，保证视频引伸计和试样的对中。在视频引伸计的软件中，可通过快捷键调出对中辅助线，帮助方便快捷的调节对中。同时，视频引伸计软件内置的算法，也有消除部分对中偏差的功能。
图5 视频引伸计对中辅助界面
(4)选择标距。通过视频引伸计将变形数值实时传输到试验机上，
图6 配合试验机得到应力应变曲线
(5)设置温度值、拉伸速度，开始测试。一般情况下，通过温控界面输入目标温度，保持一段时间后，等待温度稳定后开始加载测试。冷热原位拉伸测试系统会得到应力应变曲线，最后计算得到弹性模量、断裂延伸率等参数。
图7 升温曲线
图8 温度波动曲线
图9 应力应变曲线
4、冷热原位拉伸测试系统测试优势
冷热原位拉伸测试系统在小尺寸试样测试中，优势如下：
(1)冷热温控范围大，精度高，从-190~600℃范围可保持任意温度值，温度波动±0.1℃；
(2)冷热块紧贴测试样品，样品温差小；
(3)可更换多种专用夹具，可实现测试样品的拉伸、挤压、弯曲、疲劳测试等；拉伸载荷200N~5000N，可更换测试量程；
(4)系统软件提供多种模式的材料检测模式，温度、载荷、位移阈值设置，曲线生成、三维图像生成，数据自动采集、多种格式输出。
(5)测试系统结构设计紧凑，占用空间小；
(6)视觉引伸计最高分辨力0.2μm，精度高于1μm。
(7)可扩展应变、位移云图分析。
图10 计算得到的位移场(上)和应变场(下)
5、总结
冷热原位拉伸测试系统可在柔性小尺寸试样中，高精度实时获取不同温度下的应力应变数据，是解决柔性小尺寸试样变温环境应力应变测量问题的较佳方案。文天精策仪器科技(苏州)有限公司针对小尺寸试样力学试验中的测量难题，可为用户提供成套解决方案，在小试样的加载装置、夹具设计、环境控制等方面均有相关解决方案。