[发明专利]一种软物质力学性能测量方法及其测量系统

摘要

本发明公开了一种软物质力学性能测量方法及其测量系统。本发明的测量系统包括：压电双晶片梁、电动升降台、阻抗分析仪、应变仪和计算机控制系统；本发明仅通过一次加载即可完成多种力学性能表征方法的测量，并获得待测样品的不同力学性能，因此可以提高测试准确性和测试效率；本发明能够可获得待测样品的力学性能随压入深度的变化规律，并排除压入针尖端部磨损和待测样品表面效应等因素对测量结果的影响，进而给出更加准确的结果；本发明采用梁式的加载系统，这是一种柔性的加载系统，适用于软物质的测量，压电双晶片梁在压入过程中使用弯曲变形放大压入信号，这种放大会使得测试过程的灵敏度更高。

主权项

1.一种软物质力学性能的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：1)将软物质力学性能的测量系统组装完成，所述测量系统包括：压电双晶片梁、电动升降台、阻抗分析仪、应变仪和计算机控制系统；其中，压电双晶片梁包括悬臂梁、压电片、应变片、压入针尖和固定支座，悬臂梁的一端作为固定端固定在固定支座上，另一端作为自由端设置压入针尖，在悬臂梁的上下表面分别设置压电片，在悬臂梁的表面设置应变片；压入针尖与待测样品接触；待测样品设置在电动升降台上；电动升降台通过数据线与计算机控制系统相连；应变片与应变仪相连；压电片与阻抗分析仪相连；应变仪和阻抗分析仪分别通过数据线与计算机控制系统相连；2)通过计算机控制系统控制电动升降台连续移动待测样品的高度，使得压入针尖与待测样品发生接触并逐点压入待测样品，每一个压入深度为一个测试点，并返回每一测试点的电动升降台的位移值H；3)应变仪通过应变片输出的应变信号测量每一测试点的接触力载荷F；4)采用阻抗分析仪测量压电双晶片梁的机电阻抗频响曲线，获得压入压电双晶片梁的第i个测试点的接触共振频率fi，其中，i＝1,2,……n，n为测试点的总个数，且n为≥2的自然数；5)重复步骤2)～4)，得到从1～n测试点的电动升降台的位移值H、接触力载荷F和接触共振频率fi；6)采用静态载荷位移曲线方法、动态连续刚度方法和粘弹性测量方法中的一种或多种对待测样品进行力学性能表征；所述静态载荷位移曲线方法包括以下步骤：a)在每一测试点上，根据接触力载荷F和电动升降台的位移值H，得到压入针尖的压入位移h：h＝H‑F/kc其中，kc为压电双晶片梁的刚度；b)在得到整个压入过程的每个测试点的F‑h数据之后，通过拟合F‑h数据获得待测样品的力学性能；所述动态连续刚度方法包括以下步骤：a)根据每个测试点i处的接触力载荷F和接触共振频率fi，计算待测样品的初始剪切模量μ0：其中，k_t为接触刚度且R为压入针尖的半径，L为压电双晶片梁的长度，m_t为压入针尖的质量，ω_i为接触共振角频率且ω_i＝2πf_i，为压电双晶片梁的等效刚度且其可通过标定得到，λ_bi为等效波长且为压电双晶片梁的单位长度的质量且可通过标定得到；b)初始剪切模量μ0随着压入深度的增加趋于稳定，取稳定的数值作为力学性能值；所述粘弹性测量方法包括以下步骤：a)阻抗分析仪测量得到压电双晶片梁的导纳的机电阻抗频响曲线Gexp，压电双晶片梁的导纳G的频响公式为：其中，C_c为压电双晶片梁的电容，N为压电双晶片梁表征机电耦合性能大小的转换系数，波长参数c＝cosλ_bL，参数s＝sinλ_bL，参数m＝coshλ_bL，参数n＝sinhλ_bL，为压电双晶片梁的等效刚度，为压电双晶片梁的单位长度的质量，ω为接触共振角频率；b)通过导纳的频响公式拟合实验获得的导纳的机电阻抗频响曲线Gexp，直接获得接触刚度kt和接触阻尼Ct，进一步得到损耗接触刚度D＝ωiCt，其中，ωi为第i个测试点的接触共振角频率；c)待测样品的粘弹性性能的表达式：其中，E'为待测样品的存储模量，E”为待测样品的损耗模量，η为待测样品的损耗因子，Et为压入针尖材料的杨氏模量，vt为压入针尖材料的泊松比，vs为待测样品的泊松比，R为压入针尖的半径；d)通过连续的压入获得不同深度处待测样品的粘弹性性能，进一步获得其随着压入深度的变化规律，最后取稳定的数值作为待测样品的粘弹性性能。