深入粘弹性世界：柔性材料力学性能测试全解析

一、 核心挑战与特点

在测试柔性材料时，我们需要特别关注以下几点：

1. 大变形：柔性材料通常能承受百分之几百甚至上千的应变，而金属通常在1%以内就会屈服。这要求测试设备具有很大的行程和精确的大变形测量能力。

2. 非线性：其应力-应变曲线通常没有明显的线弹性阶段，一开始很软，随后逐渐变硬（称为“J-形曲线"）。

3. 超弹性与粘弹性：

超弹性：材料可恢复极大变形，但其行为不是线性的（如橡胶）。

粘弹性：其力学性能依赖于时间和速率。表现为蠕变（恒定应力下，应变随时间增加）和应力松弛（恒定应变下，应力随时间衰减）。

4. 低模量：它们的弹性模量可能低至kPa到MPa量级，非常容易受夹具、试样自重等因素影响。

5. 各向异性：一些柔性复合材料或生物组织在不同方向上表现出不同的力学性能。

二、 主要测试类型与方法

以下是针对柔性材料最重要的力学性能测试方法：

1. 单轴拉伸测试

这是最基础的测试。

目的：获取应力-应变曲线，从而得到杨氏模量（通常是切线模量或割线模量）、屈服强度、断裂强度、断裂伸长率等。

关键点：

引伸计：必须使用非接触式视频引伸计或激光引伸计，因为接触式引伸计可能会刺入或滑脱软材料，且需要测量大变形。

夹具：使用气动平口夹具、卷绕式夹具或防止试样打滑和夹伤的专用夹具。

输出：典型的超弹性应力-应变曲线，用于拟合Mooney-Rivlin、Ogden等本构模型参数。

2. 压缩测试

目的：评估材料的抗压性能、回弹性和缓冲性能。

应用：泡沫坐垫、密封圈、凝胶垫等。

关键点：

需要防止屈曲。

上下压板的平行度和摩擦力对结果影响很大，有时需要使用润滑剂来减小摩擦。

可进行循环压缩以研究变形和能量损耗。

3. 撕裂测试

柔性材料对缺口非常敏感，因此抗撕裂性能是关键指标。

常见方法：

裤形撕裂

直角撕裂

新月形撕裂

目的：测量撕裂强度，评估材料对裂纹扩展的阻力。

4. 蠕变与应力松弛测试

这是表征材料粘弹性的核心测试。

蠕变测试：对试样施加一个恒定的力，测量其应变随时间的变化。

应用：预测密封件在长期压力下的变形、缆绳的伸长等。

应力松弛测试：将试样快速拉伸到一个固定的应变并保持，测量其应力随时间衰减的过程。

应用：评估O型圈密封力的保持能力、外科缝合线的张力保持等。

5. 动态力学分析

这是研究柔性材料粘弹性的工具。

原理：对试样施加一个微小振荡的力（应力），测量产生的振荡位移（应变）。通过分析应力与应变之间的相位差和振幅比，可以得到：

储能模量 (E‘)：代表材料的弹性成分，即储存能量的能力。

损耗模量 (E’‘)：代表材料的粘性成分，即耗散能量（转化为热）的能力。

损耗因子 (tan δ)： = E’‘ / E’，代表材料的阻尼性能。

测试模式：拉伸、压缩、弯曲、剪切。

可变量：

温度：绘制DMTA图谱，可得到玻璃化转变温度（Tg），对橡胶和塑料至关重要。

频率：模拟不同加载速率下的材料行为。

应变/应力：评估Payne效应（填料增强橡胶的应变依赖性）。

6. 硬度测试

硬度是衡量材料抵抗局部压入能力的指标，对于柔性材料是一种快速、无损的质检方法。

常用标尺：

邵氏硬度：分为A（较软）、D（较硬）、C、OO等标尺。用弹簧加载的压针测量。

国际橡胶硬度：比邵氏硬度更精确，通过测量压头在特定力下的压入深度得出。

球压痕硬度：适用于软塑料和弹性体。

7. 双轴拉伸测试

目的：模拟材料在多轴应力状态下的行为，如气球膨胀、橡胶膜受力。

方法：十字形试样在两个垂直方向上同时拉伸，或圆柱形试样的内压膨胀。

8. 剪切测试

目的：评估材料的抗剪切性能，如粘合剂、弹性体轴承。

方法：块状剪切、lap剪切等。

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三、 关键测试考量因素

1. 试样制备：必须使用标准裁刀精确切割，避免缺口和缺陷。

2. 环境控制：温度对柔性材料（尤其是高分子材料）的性能影响巨大，需要在恒温恒湿条件下测试。

3. 数据采集频率：由于大变形和粘弹性，需要较高的数据采集速率以捕捉真实的曲线形态。

4. 测试标准：必须遵循相关的国际、国家或行业标准，如ASTM, ISO等，以确保结果的可比性和可靠性。

四、 应用领域

医疗器械：导管的柔顺性、球囊的扩张性能、人工软骨和皮肤的力学匹配、缝合线的强度。

汽车工业：轮胎的耐久性和滚动阻力、密封条的密封性能、减震垫的阻尼。

电子行业：柔性显示屏和可穿戴设备中薄膜、导电油墨的拉伸和弯曲性能。

体育用品：跑鞋中底的缓震和回弹、运动地板的能量吸收。

包装材料：软包装薄膜的撕裂强度和穿刺强度。

总结

柔性材料力学性能测试是一个专业且复杂的领域，其核心在于理解并精确测量材料的非线性、大变形和粘弹性行为。选择合适的测试方法、精密的仪器、严格的制样和测试流程，是获得可靠数据并指导材料研发、质量控制和产品设计的关键。动态力学分析（DMA） 在其中扮演着尤为重要的角色，它能揭示材料的本质粘弹性。