薄膜材料双轴力学性能研究进展

一、测试方法——目前主流四类

1. 十字形试样双轴拉伸

- 适用：PET、PI、PTFE、ETFE、PVC 涂层织物等

- 标准：ISO 527-3、ASTM D638 引申做法；建工行业《膜结构检测技术标准》征求意见稿已给出比例加载 1:1、2:1、1:2、1:0、0:1 五组荷载步及最小二乘拟合流程。

- 关键：应变测量建议用视频引伸计或云纹干涉，避免刀口滑移；厚度需实测，因涂层面内各向异性显著。

2. 圆片鼓包（Bulge Test）

- 适用：超薄 (<10 µm) 金属/氧化物/聚合物薄膜，无法夹持十字形时。

- 公式：p = 2σt/R → σ = pR/2t，ε = (8w²)/(3a²)（半球假设）

- 注意：需同步测压强 p 与中心挠度 w，厚度 t 必须原位测；鼓包状态为等双轴 σ₁=σ₂，无法做非比例加载。

3. 非接触纳米压痕+背弯（Substrate Bending）

- 适用：晶圆级 Si、GaAs、CIGS 等脆性薄膜，不剥离基底。

- 输出：双轴弹性模量 E/(1-ν)、硬度；但无法给出屈服/断裂应变。

4. 微型双轴疲劳机（如 IPBF-）

- 适用：柔性电子、水凝胶、生物软组织；可做 0.01–20 Hz 比例/非比例循环、蠕变-疲劳交互。

- 扩展：可配 37 °C PBS 浴槽、光学显微镜，实现原位裂纹观测。

二、典型本构特征与参数范围

1. 非线性 + 正交各向异性

多数建筑膜材（PVC/PVDF 涂层织物）经、纬向弹性模量相差 1.5–2.5 倍；应力-应变曲线在低应力区（<10 % 抗拉强度）可线性近似，用于规范取值。

2. 双轴/单轴对比

- ETFE 透明膜：双轴弹性模量 650–750 MPa，与单轴 600–800 MPa 接近，泊松比 0.45–0.50，满足 Mises 屈服；厚度 100–250 µm，5 组应力比试验断裂应变 200–300 %。

- PTFE 涂层玻璃纤维：双轴模量经向 1200–1500 N/mm、纬向 800–1000 N/mm，泊松比 0.3–0.4；双轴比 1:1 时折算强度比单轴提高 15–25 %。

- PET 工业膜（BOPET, 12–50 µm）：双轴等比例拉伸模量 4.0–5.2 GPa，泊松比 0.38–0.45；非比例 2:1 时经向模量下降 8–12 %，纬向上升 5–8 %。

三、加载路径效应速览

四、常用薄膜双轴力学参数速查表（室温 23 ±2 °C，50 %RH）

（注：表中“双轴"一栏如无特别说明均为比例 1:1 加载结果；建筑膜材单位 N/mm 已换算为 GPa 便于对比。）

五、工程应用提示

1. 设计取值

对建筑膜结构，规范建议直接采用双轴试验的 1/4 抗拉强度区间线性拟合模量，并按荷载组合 1:1、2:1、1:2 取最小值作为刚度输入，避免用单轴数据导致挠度低估 10–30 %。

2. 数值模拟

- 正交各向异性壳单元（Abaqus *ORIENTATION）+ 表列非线性应力-应变曲线，可较好复现双轴软化。

- 若仅做弹性阶段，可用前述 E₁、E₂、ν₁₂、G₁₂ 四常数，但剪切模量 G 需单独测 45° 拉伸或方板扭转试验给出。

3. 破坏准则

ETFE、PE 类延性膜可用 Mises；PVC/PVDF 涂层织物因基材编织易撕，需用 Tsai-Hill 或 Yarn-level 模型，并校核撕裂强度≥300 N/cm。

4. 加速老化

双轴模量对紫外+湿热敏感：PET 在 85 °C/85 %RH 500 h 后双轴模量下降 15–20 %；PI 仅下降 5 %，更适合高温柔性电子。

通过以上数据与方法，可对常规薄膜在双轴应力下的刚度、强度、破坏行为做出快速评估，并据此选择试验路线或输入仿真参数，减少“单轴-双轴"误差导致的结构安全风险。