[发明专利]通过压痕测试确定材料或组织的杨氏模量和泊松比的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用台式或便携式装置通过压痕测试来测量工程材料、生物材料和包括关节软骨、皮肤和骨骼等的生物组织的机械性能的方法，尤其涉及一种通过压痕测试同时确定材料或组织的杨氏模量和泊松比的方法。

背景技术

杨氏模量也被称为弹性模量，杨氏模量是反映材料形变与内应力关系的物理量，其具体是指在加载平面上沿加载方向的应力与应变的比率，并且常被用于描述材料的弹性。泊松比是横向应变和轴向应变之比值。各向同性的弹性材料的机械性能可以用彼此独立的杨氏模量和泊松比来描述。

弹性模量的测试可分为静态法和动态法两种。静态法是在试样上施加一恒定的拉伸(或压缩)应力，测定其弹性变形量；或在试样上施加一恒定的弯曲应力，测定其弹性弯曲挠度，根据应力和应变计算弹性模量。动态法又有共振法和超声法。共振法是以一个连续可变的振动波激发试样来测定试样在纵向或弯曲振动时本身固有的共振频率。20世纪70年代，共振方法就已经被用于测量杨氏模量和泊松比。该方法将压电材料应用于传感器中，以产生具有一定频率的振动。当使用传感器接触其它材料时，频率将会变化。通过振动频率与模量之间的相互关系可以测量得到杨氏模量和剪切模量，进而可以计算泊松比。超声法是给试样一定频率的超声波，通过测定超声波在试样中纵波和横波的速度来分别计算杨氏模量和剪切模量，然后再进一步计算出泊松比。

在静态法中，压痕测试方法特别适合于测量材料或组织的杨氏模量。

如图1所示，其示出了用端部为平面的圆柱体压头对生物组织进行施压所获得的压痕示意图。由于压痕测试可以以无损的方式和在组织活体的状态下进行使用，所以其可以广泛地用于工程材料和诸如软骨、皮肤和皮下组织的生物组织的测量。还可广泛地使用压痕方法以微米压痕或纳米压痕的形式利用微米尺寸或纳米尺寸的压头来测量材料特性。

在1972年，海斯等人基于关节软骨与关节面骨结合的结构获得了侧向无限尺寸的薄弹性层的压痕测试的精确数学解答(HAYES，W.C.，KEER，L.M.，HERRMANNG.，和MOCKROS L.F.(1972年)：“关节软骨压痕测试的数学分析(A mathematical analysis for indentation tests of articularcartilage)”，J.Biomech.，第5期，541页)。其中，杨氏模量可以通过等式(1)来确定：

E = ( 1 - v 2 ) 2 · a · κ ( v , a / h ) · P w - - - ( 1 ) ]]>

在等式(1)中，E为杨氏模量，P为印压力，v为泊松比，w为压痕变形，a是压头尺寸，h是测试组织的厚度，κ是取决于纵横比a/h和泊松比v的比例因子，其中比例因子κ(a/h，v)为1972年由海斯等人用数值分析的方法计算出来的函数，在此不再详细说明。由于在图1中采用的压头是端部为平面的圆柱体压头，所以压头尺寸a在此为压头半径，压痕变形w在此为压痕深度。利用等式(1)，当通过其它方法测定或假定泊松比之后即可以计算杨氏模量。