深入粘彈性世界：柔性材料力學性能測試全解析

一、 核心挑戰與特點

在測試柔性材料時，我們需要特別關注以下幾點：

1. 大變形：柔性材料通常能承受百分之幾百甚至上千的應變，而金屬通常在1%以內就會屈服。這要求測試設備具有很大的行程和精確的大變形測量能力。

2. 非線性：其應力-應變曲線通常沒有明顯的線彈性階段，一開始很軟，隨后逐漸變硬（稱為“J-形曲線"）。

3. 超彈性與粘彈性：

超彈性：材料可恢復極大變形，但其行為不是線性的（如橡膠）。

粘彈性：其力學性能依賴于時間和速率。表現為蠕變（恒定應力下，應變隨時間增加）和應力松弛（恒定應變下，應力隨時間衰減）。

4. 低模量：它們的彈性模量可能低至kPa到MPa量級，非常容易受夾具、試樣自重等因素影響。

5. 各向異性：一些柔性復合材料或生物組織在不同方向上表現出不同的力學性能。

二、 主要測試類型與方法

以下是針對柔性材料最重要的力學性能測試方法：

1. 單軸拉伸測試

這是最基礎的測試。

目的：獲取應力-應變曲線，從而得到楊氏模量（通常是切線模量或割線模量）、屈服強度、斷裂強度、斷裂伸長率等。

關鍵點：

引伸計：必須使用非接觸式視頻引伸計或激光引伸計，因為接觸式引伸計可能會刺入或滑脫軟材料，且需要測量大變形。

夾具：使用氣動平口夾具、卷繞式夾具或防止試樣打滑和夾傷的專用夾具。

輸出：典型的超彈性應力-應變曲線，用于擬合Mooney-Rivlin、Ogden等本構模型參數。

2. 壓縮測試

目的：評估材料的抗壓性能、回彈性和緩沖性能。

應用：泡沫坐墊、密封圈、凝膠墊等。

關鍵點：

需要防止屈曲。

上下壓板的平行度和摩擦力對結果影響很大，有時需要使用潤滑劑來減小摩擦。

可進行循環壓縮以研究變形和能量損耗。

3. 撕裂測試

柔性材料對缺口非常敏感，因此抗撕裂性能是關鍵指標。

常見方法：

褲形撕裂

直角撕裂

新月形撕裂

目的：測量撕裂強度，評估材料對裂紋擴展的阻力。

4. 蠕變與應力松弛測試

這是表征材料粘彈性的核心測試。

蠕變測試：對試樣施加一個恒定的力，測量其應變隨時間的變化。

應用：預測密封件在長期壓力下的變形、纜繩的伸長等。

應力松弛測試：將試樣快速拉伸到一個固定的應變并保持，測量其應力隨時間衰減的過程。

應用：評估O型圈密封力的保持能力、外科縫合線的張力保持等。

5. 動態力學分析

這是研究柔性材料粘彈性的工具。

原理：對試樣施加一個微小振蕩的力（應力），測量產生的振蕩位移（應變）。通過分析應力與應變之間的相位差和振幅比，可以得到：

儲能模量 (E‘)：代表材料的彈性成分，即儲存能量的能力。

損耗模量 (E’‘)：代表材料的粘性成分，即耗散能量（轉化為熱）的能力。

損耗因子 (tan δ)： = E’‘ / E’，代表材料的阻尼性能。

測試模式：拉伸、壓縮、彎曲、剪切。

可變量：

溫度：繪制DMTA圖譜，可得到玻璃化轉變溫度（Tg），對橡膠和塑料至關重要。

頻率：模擬不同加載速率下的材料行為。

應變/應力：評估Payne效應（填料增強橡膠的應變依賴性）。

6. 硬度測試

硬度是衡量材料抵抗局部壓入能力的指標，對于柔性材料是一種快速、無損的質檢方法。

常用標尺：

邵氏硬度：分為A（較軟）、D（較硬）、C、OO等標尺。用彈簧加載的壓針測量。

國際橡膠硬度：比邵氏硬度更精確，通過測量壓頭在特定力下的壓入深度得出。

球壓痕硬度：適用于軟塑料和彈性體。

7. 雙軸拉伸測試

目的：模擬材料在多軸應力狀態下的行為，如氣球膨脹、橡膠膜受力。

方法：十字形試樣在兩個垂直方向上同時拉伸，或圓柱形試樣的內壓膨脹。

8. 剪切測試

目的：評估材料的抗剪切性能，如粘合劑、彈性體軸承。

方法：塊狀剪切、lap剪切等。

---

三、 關鍵測試考量因素

1. 試樣制備：必須使用標準裁刀精確切割，避免缺口和缺陷。

2. 環境控制：溫度對柔性材料（尤其是高分子材料）的性能影響巨大，需要在恒溫恒濕條件下測試。

3. 數據采集頻率：由于大變形和粘彈性，需要較高的數據采集速率以捕捉真實的曲線形態。

4. 測試標準：必須遵循相關的國際、國家或行業標準，如ASTM, ISO等，以確保結果的可比性和可靠性。

四、 應用領域

醫療器械：導管的柔順性、球囊的擴張性能、人工軟骨和皮膚的力學匹配、縫合線的強度。

汽車工業：輪胎的耐久性和滾動阻力、密封條的密封性能、減震墊的阻尼。

電子行業：柔性顯示屏和可穿戴設備中薄膜、導電油墨的拉伸和彎曲性能。

體育用品：跑鞋中底的緩震和回彈、運動地板的能量吸收。

包裝材料：軟包裝薄膜的撕裂強度和穿刺強度。

總結

柔性材料力學性能測試是一個專業且復雜的領域，其核心在于理解并精確測量材料的非線性、大變形和粘彈性行為。選擇合適的測試方法、精密的儀器、嚴格的制樣和測試流程，是獲得可靠數據并指導材料研發、質量控制和產品設計的關鍵。動態力學分析（DMA） 在其中扮演著尤為重要的角色，它能揭示材料的本質粘彈性。