[发明专利]一种有机材料的韧性、强度和弹性的测算方法

说明书

本发明属于材料特性测量技术领域，具体为一种有机材料的韧性、强度和弹性的测算方法。本发明方法包括：利用纳米压痕仪对有机材料进行单次加载‑卸载测试，测试所用的载荷大小和应变必须在合适的范围内，得到该有机材料的单次载荷曲线；利用纳米压痕卸载曲线拟合公式，对卸载曲线进行最优化的数据拟合，计算得到三个拟合参数；利用这三个参数代入韧性、强度、和弹性参数的计算公式，即得到材料的韧性、强度、和伸缩性等力学特性参数。本发明方法适用于测试比较疏松的有机材料的力学参数，尤其适用于测试具有范德华力（分子力）相互作用的材料的力学参数。可以建立一种使用方便、测量准确、应用范围广泛的材料力学标准化测试方法和测试工具。

技术领域

本发明属于材料特性测量技术领域，具体涉及材料的韧性，强度和伸缩性(或弹性)的测算方法。

背景技术

随着有机电子学的应用，有机发光二极管、有机太阳能电池、印制电路、可穿戴设备和智能机器人的发展，有机薄膜材料的机械性能越来越受到关注。目前，纳米机械测试系统(或纳米压痕测试仪)是一种用于测试材料力学性能的先进工具。然而，大多数研究人员对纳米压痕测试得到的加载-卸载曲线的理解仍然仅与宏观力学特性有关，而内在的物理原理大多数仍然含糊不清，我们认为加载-卸载曲线反映了有机薄膜中两个相邻分子的距离与作用力之间的关系，而且分子间距离和分子间力之间的关系可以用罗纳德-琼斯(Lennard-Jones)势来描述。因此，本发明使用罗纳德-琼斯势理论来推导和拟合卸载曲线，并通过卸载曲线的拟合参数获得五个重要的机械性能参数。材料的这些机械性能包括表示刚度的杨氏模量，表示强度的结合力，表示韧性的结合能，以及表示弹性或伸缩性的，从平衡位置到具有最大拉伸应力位置的距离。通过本发明方法，可以开发出更加方便实用的工具来测试材料的多种机械性能，具有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的用于测试材料强度、韧性和弹性的测算方法。

本发明提供的够反映材料本身力学特性、排除干扰因素、便于比较不同材料之间力学特性的材料强度、韧性和弹性的测算方法，具体步骤为：

(1)利用纳米压痕仪对通过范德华力结合的材料，例如大部分有机材料，进行单次加载-卸载测试，得到该材料单次的纳米压痕载荷曲线；

(2)应用描述分子间力和分子间距关系的罗纳德-琼斯势理论，推导得到卸载曲线中的载荷与压入深度的函数关系，利用该函数对载荷曲线进行计算机软件运算的最优化拟合，得到最佳拟合参数；

(3)根据罗纳德-琼斯势理论推导得到表征材料强度、韧性和弹性的关系式，把上述步骤得到的最佳拟合参数代入这些关系式中，计算得到反映材料强度、韧性和弹性的力学性能参数。

本发明步骤(2)中，根据罗纳德-琼斯势推导得到的，用于拟合卸载曲线的公式为：

式中，F为卸载曲线中的载荷，h为卸载曲线中的压入深度，h_m为受力为零时的压入深度，ε为待拟合的参数：分子间相互作用势能最低点的数值，r_m为待拟合的参数：实际参与形变的薄膜在平衡状态下的厚度。

步骤(3)中，所述卸载曲线中，表征材料韧性的公式为：

式中，V_b为材料的单位面积结合能，ε为通过卸载曲线拟合得到的参数，代表势能曲线的最低点，反映了分子之间吸引势的绝对值。D为纳米压痕测试所用平压头的直径。把卸载曲线拟合得到的参数代入上式即可得到材料韧性参数的数值。

步骤(3)中，所述卸载曲线中，表征材料强度的公式为：