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柔性材料在温度环境下力学性能测试技术应用

发布时间:2022-03-21      点击次数:174

柔性电子器件飞速发展,它们被广泛用于医疗诊断、监测和柔性机器人等领域。柔性电子涵盖有机电子、塑料电子、生物电子、纳米电子、印刷电子等,包括RFID、柔性显示、有机电致发光(OLED)显示与照明、化学与生物传感器、柔性光伏、柔性逻辑与存储、柔性电池、可穿戴设备等多种应用。随着其快速的发展,涉及到的领域也进一步扩展,目前已经成为交叉学科中的研究热点之一。

Science将有机电子技术进展列为2000年世界科技成果之一,美国科学家艾伦黑格、艾伦·马克迪尔米德和日本科学家白川英树由于他们在导电聚合物领域的开创性工作获得2000年诺贝尔化学奖。近几年,国内清华大学、西北工业大学、南京工业大学、华中科技大学等国内著名大学都先后建立了柔性电子技术专门研究机构,柔性电子技术已经引起了我国研究人员的高度关注与重视,柔性电子领域的研究异常火热,使得该领域的发展日新月异并取得了长足的进展。

近期,复旦大学复旦大学高分子科学系教授彭慧胜的研究团队,成功将显示器件的制备与织物编织过程实现融合,在高分子复合纤维交织点集成多功能微型发光器件等相关成果发表在Nature。

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华中科技大学吴豪教授团队联合复旦大学李卓研究员,基于负泊松比超材料结构开发出高性能柔性电子皮肤。相关成果 “Flexible Mechanical Metamaterials Enabled Electronic Skin for Real-time Detection of Unstable Grasping in Robotic Manipulation” 发表在Advanced Functional Materials上。

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杭州师范大学朱雨田教授团队通过简单的原位还原和溶剂浇注技术,开发了由聚乙烯醇(PVA)、 柠檬酸(CA)和银纳米粒子(AgNPs)组成的可拉伸和透明的多模态电子皮肤传感器,它具有应变、温度和湿度方面的多种传感能力。

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在柔性材料(柔性玻璃、柔性OLED、柔性电池、柔性电子皮肤)以及柔性电子元器件等研究过程中,在一定温度环境下的力学性能(屈服强度、延伸率、泊松比、杨氏模量)是评价柔性材料应用场景维度的一个非常重要的指标, 也是制定柔性电子制造过程工艺关键参数。一般情况下,该类测试载荷精度要求较高,且样品小,在进行屈服、强度、延伸率等力学性能测试时,在实现温度冷热环境,拉伸功能同时还需配备非接触类视觉测量类仪器,如DIC。

冷热原位拉伸微观应力应变解决方案

冷热原位拉伸微观应力应变测试系统主要应用于小尺度的相关的柔性材料、生物、金属、有机聚合物、纤维等各种材料科学研究,可实现温度范围-190~600℃,温控精度±0.1℃ 最大载荷5kN。冷热原位拉伸测试系统通过实时获取材料动态载荷下,形变和温度等数据,结合DIC联用进行材料微观结构分析数据,可实现定量分析材料微观力学性质、相变行为、取向变化、裂纹萌生和扩展、材料疲劳和断裂机制、材料弯曲、高温蠕变性、分层、形成滑移面以及脱落等现象,实现各种材料性能的研究。

三维数字图像相关技术(DIC)具有准确性、稳健性和易用性的特点,已被广泛应用于应变测量。但是,对于需要高放大倍数的测量样品,3D测量仍很难达到测量需求,这主要是由于3D测量缺乏具有足够景深的光学元件,无法从不同视角获取3D分析所需的两张高放大率图像。WTDIC-Micro弥补了传统设备无法进行微小物体变形测量的不足,成为一种微观尺度领域变形应变测量的有力工具。

该测试系统采用模块化设计, 核心冷热原位拉伸台采用专业技术自主设计、加工制造,开发出集成化、多功能、兼容性强、变温范围大、灵活小巧,安装快捷方便、操作简单、性能可靠的冷热原位微观应力测试系统解决方案,且性价比高。

1) 应用范围广:可用于金属、无机(半导体、陶瓷)、有机(生物、高分子、纤维)、复合涂层等多个学科的材料科学研究。

2) 温控技术强:三种变温模块(半导体冷热、液氮/电热冷热等)可自由更换,变温范围-190~600℃,RT~1000℃,温控精度±0.1℃,具有自主产权核心温控模块算法;

3) 载荷加载功能多:可更换多种专用夹具,可实现测试样品的拉伸、挤压、疲劳测试;最大拉伸载荷5kN,载荷精度0.2%;拉伸速率达1 -100 um/s,最大位移50mm;

4) 变温拉伸台适应性强:可适配扫描电子显微镜、光学显微镜系统、X射线衍射仪等系统;

5) 软件集成度高:集成温控、拉伸测试,可进行载荷、温度、位移多种参数设置,可结合灵活的阀值进行循环负载的复杂实验,可以实时进行材料研究应力应变;

6) 软件界面表现丰富:系统软件提供多种模式的材料检测模式,温度、载荷、位移阈值设置,曲线生成,数据自动采集、多种格式输出;

7) 技术支持:自主研发,定制开发灵活;提供全面的解决方案和技术指导。

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三维显微应变测量系统

WTDIC-Micro显微应用测量系统:光学显微镜和DIC数字图像相关技术的结合,可以满足纳米级精度测量需求。

使用方法步骤

在柔性小尺寸试样测试过程中,冷热原位拉伸测试系统的使用方法及步骤如下:

(1) 通过专用的小试样散斑喷涂装置,制作散斑涂层。当然,也可以通过画线等方式制作标记,视频引伸计均可支持,但制作散斑涂层后面还可以扩展到其他用途,所以我们建议处理为散斑涂层。制作完成的试样类似下图。

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小尺寸试样散斑喷涂效果

(2) 将小试样放在对应的试验机上并夹持住

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冷热原位拉伸测试系统加载试样

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测试结果

(1)应变-状态曲线

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(2)位移-状态曲线

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温度波动曲线

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(3)数据表格

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计算得到的位移场(上)和应变场(下)

总结:

在柔性材料研究中,高精度实时获取不同温度下的应力应变数据,是解决柔性小尺寸试样变温环境应力应变测量问题的较佳方案。文天精策仪器科技(苏州)有限公司针对小尺寸试样力学试验中的测量难题,为用户提供成套解决方案,在小试样的加载装置、夹具设计、环境控制等方面提供完整的解决方案。

文天精策仪器科技(苏州)有限公司
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