水凝胶的机械性能

简介

粘弹性材料的特点是同时具有粘性和弹性材料特性。这些材料在恒定的应变下会出现随时间变化的应力下降（应力'松弛'），导致初始接触力的显著损失。应力松弛取决于材料的类型、纹理、温度、初始应力和时间。了解应力松弛对于选择具有特定应用所需强度和灵活性（松弛）的最佳材料至关重要。

应力放松测量的重要性

根据 ASTM E328i“材料和结构应力松弛的标准测试方法”，首先用压头在材料或结构上施加外力，直到达到预定的最大力。一旦达到最大力，压头的位置就在此深度保持恒定。然后测量维持压头位置所需的外力随时间的变化。应力松弛测试的难点在于保持深度恒定。 Nanovea 机械测试仪 纳米压痕 模块通过使用压电执行器对深度进行闭环（反馈）控制来精确测量应力松弛。执行器实时反应以保持深度恒定，同时由高度灵敏的负载传感器测量和记录负载的变化。该测试几乎可以对所有类型的材料进行，无需严格的样品尺寸要求。此外，可以在单个扁平样品上进行多次测试，以确保测试的重复性

测量目标

在此应用中，Nanovea Mechanical Tester 的纳米压痕模块可测量丙烯酸和铜样品的应力松弛行为。我们展示了 Nanovea 机械测试仪 是评估聚合物和金属材料随时间变化的粘弹性行为的理想工具。

测试条件

通过Nanovea机械测试仪的纳米压痕模块测量丙烯酸和铜样品的应力松弛。不同的压痕加载速率从1到10微米/分钟不等。一旦达到目标最大载荷，就在一个固定的深度测量松弛度。在一个固定的深度实施100秒的保持期，随着保持时间的推移记录载荷的变化。所有的测试都是在环境条件下进行的（室温为23℃），压痕测试参数总结在表1中。

结果和讨论

图2 显示了在亚克力样品的应力松弛测量过程中位移和载荷随时间的变化，以压痕加载速率为3微米/分钟为例。这个测试的整个过程可以分成三个阶段。加载、松弛和卸载。在加载阶段，深度随着载荷的逐渐增加而线性增加。一旦达到最大负荷，放松阶段就开始了。在这个阶段，通过使用仪器的闭合反馈回路深度控制功能，恒定的深度保持了100秒，观察到负载随着时间的推移而减少。整个测试以卸载阶段结束，以便将压头从亚克力样品中取出。

使用相同的压头加载率进行了额外的压痕测试，但不包括放松（蠕变）期。从这些测试中获得了载荷与位移图，并在图3中结合了亚克力和铜样品的图表。随着压头加载速率从10到1微米/分钟的下降，亚克力和铜的载荷-位移曲线逐渐向更高的穿透深度移动。这种随时间变化的应变增加是由材料的粘弹性蠕变效应造成的。较低的加载速率使粘弹性材料有更多的时间对它所经历的外部压力作出反应，并相应地发生变形。

图4显示了两种测试材料在恒定应变下使用不同压痕加载速率的载荷变化。在测试的松弛阶段（100秒保持期）的早期阶段，载荷以较高的速率下降，一旦保持时间达到约50秒，就会放缓。粘弹性材料，如聚合物和金属，在承受较高的压痕负载率时，表现出更大的负载损失率。当压痕加载速率从1到10 µm/min增加时，亚克力材料在松弛期间的载荷损失率从51.5 mN增加到103.2 mN，而铜的载荷损失率从15.0 mN增加到27.4 mN，总结如下 图5.

正如ASTM标准E328ii中提到的，在应力松弛测试中遇到的主要问题是仪器不能保持恒定的应变/深度。由于Nanovea机械测试仪能够在快速作用的压电致动器和独立的电容深度传感器之间应用深度的闭合反馈回路控制，因此能够提供非常准确的应力松弛测量。在松弛阶段，压电致动器实时调整压头以保持其恒定的深度约束，而负载的变化则由独立的高精度负载传感器测量和记录。

结论

使用Nanovea机械测试仪的纳米压痕模块，在不同的加载速率下测量了丙烯酸和铜样品的应力松弛。由于材料在加载过程中的蠕变效应，在较低的加载速率下进行压痕时，会达到更大的最大深度。当目标最大载荷的压头位置保持不变时，亚克力和铜样品都表现出应力松弛行为。在松弛阶段，观察到更高的压痕加载率的测试中，载荷损失的变化更大。

由Nanovea机械测试仪产生的应力松弛测试展示了该仪器量化和可靠地测量聚合物和金属材料的时间依赖性粘弹性行为的能力。它在一个平台上拥有无可比拟的多功能纳米和微米模块。湿度和温度控制模块可以与这些仪器配对，以获得适用于广泛行业的环境测试能力。纳米和微米模块都包括划痕测试、硬度测试和磨损测试模式，在单一系统上提供了最广泛和最方便用户的机械测试能力。