[发明专利]基于等效厚度体积模量的软材料变形表征方法及其应用

说明书

本发明公开了基于等效厚度体积模量的软材料变形表征方法及其应用，根据软材料的三维变形采用等效体积法建立了等效体积模型，更准确地计算软材料的体积模量；并进一步基于等效厚度体积模量的计算，消除了材料厚度对材料体积模量的影响，能够更准确地表征软材料的属性。并且，根据本发明的基于等效厚度体积模量(IVMET)的软材料变形表征方法能够对包含复杂添加成分的软材料进行表征，从而分析各种添加成分的对软材料性能的影响。本发明还提供了一种基于等效厚度体积模量(IVMET)对人舌的不同区域进行变形表征的方法，能够对人舌的不同区域进行变形表征，也能够为口腔仿生软材料的选用和表征提供依据。

技术领域

本发明涉及基于等效厚度体积模量的软材料变形表征方法及其应用，属于软材料压痕实验及软材料表征技术领域。特别地，本发明还涉及一种基于等效厚度体积模量(IVMET)对人舌的不同区域进行变形表征的方法。

背景技术

弹性体软材料是一种具有高弹性和低永久变形的高分子材料，被广泛应用于工业生产以及日常生活中的各个领域，并且在仿生领域也有重要的应用。然而，软材料在应用过程中会产生如下问题：一方面，材料老化等因素对弹性体软材料的使用性能和使用寿命有重要影响；另一方面，市场上的软材料也存在质量参差不齐的问题。为此，需要一种更高效的能够反应软材料本身变形属性的表征方法来辨别这些材料的真实属性。

目前，压痕实验被广泛的应用于表征软材料力学性能。在软材料的压缩试验过程中，压痕实验所采用的压头模式包括锥形压头、球形压头和平底压头。但锥形压头和球形压头对材料软组织的损失较大，因此，大部分压痕实验采用平底压头。然而对于软材料来说，压痕实验中表现出的是三维方向的体积应变而不是一维方向的线应变，因此，常规的表征方法例如通过弹性模量的计算无法表征软材料的属性，而采用体积模量(IVM)来表征其力学性能更为客观；并且，采用体积模量IVM表征也能够更好地反应软组织的材料属性。然而，单纯使用体积模量IVM对软材料进行表征，由于材料厚度的不同，会导致体积模量的数值不同，从而无法准确表征软材料的属性。

进一步，对软材料的属性表征还涉及人体的部位，例如人舌的表征。人体部位软材料的表征能够为仿生材料的制备及表征提供依据，并且对于设计和生产仿生智能材料具有重要的指导意义。然而关于人体部位的软材料目前并不存在有效的表征方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于等效厚度体积模量(IVMET)的软材料变形表征方法，根据本发明的基于等效厚度体积模量IVMET的表征方法，能够解决软材料在压缩条件下局部三维变形的表征问题。

根据本发明基于等效厚度体积模量IVMET的软材料变形表征方法，根据软材料的三维变形采用等效体积法建立了等效体积模型，更准确地计算软材料的体积模量；并进一步基于等效厚度体积模量的计算，消除了材料厚度对材料体积模量的影响，能够更准确地表征软材料的属性。

根据本发明的基于等效厚度体积模量(IVMET)的软材料变形表征方法，采用MFT-5000摩擦磨损试验机测试软材料的压缩力与压缩位移变化曲线，从力-位移变化曲线上获得力-位移数据，并计算出材料的压缩应力；进一步，根据软材料样品的三维变形，采用等效体积法建立等效体积的计算模型；通过等效体积模型的建立，计算出更准确的压缩应变；最后，根据压缩应力和压缩应变以及软材料的厚度计算出等效厚度体积模量(IVMET)。

具体而言，根据本发明的基于等效厚度体积模量(IVMET)的软材料变形表征方法包括如下步骤：

步骤a)，将软材料样品在MFT-5000摩擦磨损试验机上利用平压头进行压痕实验，并获得样品的力-位移变化曲线，其中，该平压头为圆柱压头；

步骤b)，根据样品的力-位移变化曲线上的力-位移值进行压缩应力的计算，其中：

压缩应力σ(t)等于施加的载荷F(t)除以垂直于样品表面施加载荷的平压头的表面积S，其计算公式为：以及