一種基于顯微壓縮的薄壁微球結構材料壁材彈性模量的測試方法技術

一種基于顯微壓縮的薄壁微球結構材料壁材彈性模量的測試方法，包括以下步驟：第一步，采用光學顯微鏡測量或掃描電子顯微鏡薄壁微顆粒的半徑R，壁厚t，查找壁材泊松比ε，芯材體積模量K；第二步，采用顯微壓縮平壓頭對薄壁微顆粒施加載荷，得到載荷和位移曲線，得到薄壁微顆粒壁材的彈性模量；第三步，將獲得的壁材彈性模量帶入ABQUS有限元模型，輸入芯材的體積模量k，壁材的屈服強度σ

【技術實現步驟摘要】
一種基于顯微壓縮的薄壁微球結構材料壁材彈性模量的測試方法
本專利技術涉及一種材料力學參數的測試方法，尤其是薄壁微球結構材料壁材彈性模量的測試方法。
技術介紹
薄壁微球結構材料是一種具有核殼結構的微球顆粒，其尺寸一般在5μm-100μm，典型材料有空心玻璃珠、微膠囊等。這類材料在制備和應用的過程中易受到外力作用產生變形甚至破裂，進而導致材料結構破壞和失效。薄壁微球結構材料的變形破裂往往是外部壁材先在外力作用下發生破壞，即其力學性能主要由其壁材決定，而彈性模量是材料力學性能中極為重要的力學參數之一，因此評估壁材的彈性模量十分必要。由于薄壁微球結構材料的小尺寸，傳統檢測方法的測試精度無法滿足該類材料的測試要求。目前對薄壁微球結構材料壁材彈性模量的檢測方法主要有兩種：一種是基于原子力顯微鏡的薄壁微球結構材料測試方法，原子力顯微鏡具有較高的分辨率，但對操作要求較為嚴苛，需注意以下兩點：其一是在測試過程中要保證探頭正好微球的正上方。其二是壓縮位移的組成較為復雜，需要考慮探頭在未接觸試樣時由于原子力作用會吸附在試樣表面，即接觸零點位置的判斷，以及在施加載荷時微懸臂梁自身的彎曲。另一種是基于納米壓入的測試方法，對單個微球結構材料或微球結構材料壁材碎片進行納米壓入測試。以單個微球結構為測試對象時，在壓入過程中微球結構本身的結構變形易被錯誤地計入壓入深度，壓入深度的測量誤差會導致測得的彈性模量偏離真實值。以微球結構碎片為測試對象時，由于壁材碎片具有一定的曲面，違反了納米壓入測試對象表面必須平整光滑的要求，實際樣品形狀不滿足測試樣品條件不可避免地在測試結果中引入誤差。
技術實現思路
為解決現有薄壁微球結構材料壁材彈性模量測試困難、操作復雜、結果不準確等不足，本專利技術提出一種基于顯微壓縮的薄壁微球結構材料壁材彈性模量的測試方法，經驗證本方法測試結果更加準確，測試結果帶入商用有限元軟件ABQUS可以較為精準地預測薄壁微球結構材料的顯微壓縮行為。為了解決上述技術問題，本專利技術提出如下技術方案：一種基于顯微壓縮的薄壁微球結構材料壁材彈性模量的測試方法，包括以下步驟：第一步，采用光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡測量薄壁微顆粒的半徑R，壁厚t，查找壁材泊松比ε，芯材體積模量K；第二步，采用顯微壓縮平壓頭對薄壁微顆粒施加載荷，得到載荷(F)和位移(h)曲線，并利用最小勢能法理論即下面建立的公式(1)～(4)對載荷位移曲線進行擬合，即得到薄壁微顆粒壁材的彈性模量；δ(UD-W)＝0(2)UD(h,α,b)＝min[UD(h,α,b)](3)其中，UD為薄壁微球結構壓縮后的變形能，W為壓縮過程中外力做的功，E為壁材彈性模量，ν為壁材泊松比，R為微球半徑，h為壓縮位移，K為芯材體積模量，ΔV為壓縮體積變化量，V為微球壓縮前體積；本專利技術中假設模型為：薄壁微球結構在顯微壓縮過程中與平壓頭接觸部分為平面，邊界為圓，未接觸部分邊界為橢圓，參考說明書附圖2。則b為橢圓短軸半徑，α為接觸部分與未接觸部分交點與縱坐標夾角，x、y為邊界上一點到橢圓垂直和水平對稱軸的距離，φ為邊界任意一點與縱坐標夾角。第三步，有限元模型結合提出的理論準確預測微膠囊的微觀壓縮行為，將通過上述理論獲得的壁材彈性模量帶入ABQUS有限元模型，輸入芯材的體積模量k，壁材的屈服強度σy泊松比vs，以壓縮位移控制顯微壓縮進程，壓縮平板與外壁的接觸設置為無摩擦，基于此模型得到薄壁微球顆粒的數值模擬顯微壓縮載荷位移曲線，預測薄壁微顆粒的顯微壓縮行為。本專利技術的技術構思為：經過試驗研究和數值模擬發現，基于上述公式理論的最小勢能法可以準確計算薄壁微球顆粒結構材料壁材的彈性模量，并且將通過該理論獲得的壁材彈性模量帶入相應的有限元模型中可以較好地預測薄壁微球顆粒結構材料的顯微壓縮行為。為薄壁微球結構材料壁材的彈性模量測試提供了準確高效的測試方法。本專利技術的有益效果表現在：通過對單個薄壁微球結構材料進行顯微壓縮得到壓縮載荷位移數據，將數據帶入本專利技術提出的理論方法進行擬合計算即可得出薄壁微球結構材料壁材的彈性模量，相比傳統的原子力測試和納米壓入測試方法而言，該方法具有測試更加準確，操作便捷，檢測高效的優點。將該方法獲得的壁材的彈性模量帶入相應的有限元模型還可以很好地預測薄壁微球結構材料的顯微壓縮行為，降低了實驗成本，更加高效快捷。附圖說明圖1是薄壁微球顆粒顯微壓縮示意圖。圖2是微球顆粒壓縮后變形示意圖。其中R是薄壁微球顆粒的半徑，t是外壁厚度，h是微球壓縮位移，α是平板與顆粒壓縮接觸邊界與微球軸線的夾角，b是微球未接觸部分在直徑上投影長度。圖3是三種不同尺寸微膠囊顯微壓縮載荷位移曲線，其中，(a)、(b)、(c)分別表示直徑為20.44μm、29.88μm和40.02μm三種尺寸微膠囊的顯微壓縮載荷位移曲線。圖4是三種不同尺寸微膠囊數值與試驗載荷位移曲線對比圖，其中，(a)、(b)、(c)分別表示直徑為20.44μm、29.88μm和40.02μm三種尺寸微膠囊數值載荷位移曲線與實驗載荷位移曲線對比。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術做進一步說明。參照圖1～圖4，一種基于顯微壓縮的薄壁微球結構材料壁材彈性模量的測試方法，通過對微膠囊這種典型的薄壁微球結構材料進行測試，驗證基于顯微壓縮的薄壁微球結構材料壁材彈性模量的測試方法，其中微膠囊的壁材為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、芯材為石蠟，粒徑范圍為10-70μm，中位徑為31.08μm。所述測試方法包括以下步驟：第一步，采用掃描電子顯微鏡測量單個微膠囊的粒徑和壁厚，選用三種不同粒徑、不同壁厚微膠囊，其尺寸參數如表1所示:表1第二步，采用微納米壓入儀對微膠囊進行顯微壓縮測試，得到三種不同尺寸微膠囊的顯微壓縮載荷位移數據，如附圖3所示；第三步，利用公式(4)的載荷位移解析式對上述實驗曲線分別擬合，即可得到三種微膠囊壁材的彈性模量分別為2.90GPa、3.16GPa和3.27GPa，微膠囊壁材平均彈性模量為3.11±0.21GPa，此外，通過對相同條件下制備的聚甲基丙烯酸甲酯塊狀試樣進行基于CSM法的納米壓入實驗，得到聚甲基丙烯酸甲酯塊狀試樣的彈性模量為3.33±0.03GPa，并將其作為相對真值，可得到本文理論獲得壁材彈性模量相對誤差約為6.6％，證實本專利技術提出的方法能夠較為準確計算出薄壁微球顆粒壁材彈性模量。第四步，將本專利技術獲得的的微膠囊壁材彈性模量代入ABQUS有限元模型，得到的數值載荷位移曲線如圖4所示，并與相應的實驗載荷位移曲線對比，其最大相對誤差小于5.1％。證實將本專利技術獲得的壁材彈性模量帶入相應的有限元模型中，能夠較為準確的預測薄壁微球的顯微壓縮行為。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種基于顯微壓縮的薄壁微球結構材料壁材彈性模量的測試方法，其特征在于，所述測試方法包括以下步驟：/n第一步，采用光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡測量薄壁微顆粒的半徑R，壁厚t，查找壁材泊松比ε，芯材體積模量K；/n第二步，采用顯微壓縮平壓頭對薄壁微顆粒施加載荷，得到載荷(F)和位移(h)曲線，并利用最小勢能法理論即下面建立的公式(1)～(4)對載荷位移曲線進行擬合，即得到薄壁微顆粒壁材的彈性模量；/n

【技術特征摘要】
1.一種基于顯微壓縮的薄壁微球結構材料壁材彈性模量的測試方法，其特征在于，所述測試方法包括以下步驟：
第一步，采用光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡測量薄壁微顆粒的半徑R，壁厚t，查找壁材泊松比ε，芯材體積模量K；
第二步，采用顯微壓縮平壓頭對薄壁微顆粒施加載荷，得到載荷(F)和位移(h)曲線，并利用最小勢能法理論即下面建立的公式(1)～(4)對載荷位移曲線進行擬合，即得到薄壁微顆粒壁材的彈性模量；



δ(UD-W)＝0(2)
UD(h,α,b)＝min[UD(h,α,b)](3)



其中，UD為薄壁微球結構壓縮后的變形能，W為壓縮過程中外力做的功，E為壁材彈性模量，ν為壁材...

【專利技術屬性】
技術研發人員：彭光健，孫義恒，竇貴靖，胡亞豪，
申請(專利權)人：浙江工業大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33