[發明專利]一種用于原位結構檢測的高分子薄膜材料拉伸裝置及其實驗方法

無效

• 申請號: 201210480426.2
• 申請日: 2012-11-23
• 公開（公告）號: CN103018120A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 李良彬;周韋明;洪執華;劉良寶;李海龍;周衛青;汪嘯
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32;G01N3/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

技術領域

本發明涉及在多種光源下研究高分子材料拉伸性能的測試技術，具體涉及一種用于原位結構檢測的高分子薄膜材料拉伸裝置及其實驗方法，其能夠在不同應變和應變速率范圍內原位測試高分子薄膜材料的拉伸性能以及與其他檢測設備連用在線表征材料在拉伸變形過程中結構的變化，得到高分子薄膜材料在不同應變和應變速率下的結構變化，結晶度以及取向度等參數，隨后將這些參數與力學數據耦合起來得到材料拉伸變形的機理。

背景技術

高分子薄膜的力學性能在日常使用中具有重要的意義，研究力學性能的基本方法是采用拉伸裝置對薄膜材料進行拉伸，得到材料的力學參數。實驗室常用的研究高分子材料力學性能的裝置如日本島津的島津拉伸試驗機等，是采用單軸單向拉伸（一端固定，通過拉伸另外一端）的方式得到其力學性能。常規拉伸裝置如島津拉伸試驗機等體積龐大，占地廣，無法實現與多種原位檢測裝置連用并原位在線檢測整個拉伸（壓縮）過程中其微觀結構的變化，不適合作為理論研究拉伸變形機理的工具。在采用單軸單向拉伸過程中樣品不同區域是一直運動的，無法準確定位研究區域（光斑）所在的位置，這樣得到的結果與真實結果相比就會產生誤差。研究拉伸過程中高分子薄膜的變形機理的實驗不僅需要裝置簡便，而且通常需要和同步輻射線站（同步輻射紅外和X射線散射等）以及偏光顯微鏡等常規檢測裝置配合使用，故檢測窗口需要可拆卸替換，光通道必須非常靈活。最后由于在線檢測過程中需要采用不同的檢測方式，不同的檢測方式其時間分辨是不同的，因此我們需要拉伸速度區間寬且連續可調的方式來間接實現不同的時間分辨。

綜上所述，我們設想的理想的適合于研究高分子薄膜材料的拉伸裝置需要具有以下方面的特點：1、拉伸方式為單軸雙向拉伸（樣品固定在兩端夾頭上面，通過拉伸夾頭的方式對樣品進行拉伸）；2、裝置應該質輕，體積小，容易拆卸和安裝，這樣適合在同步輻射線站以及其他常規檢測設備上面進行試驗；3、對于不同的樣品，其力學性能差距非常大且對應變的響應速是不同的。因此我們需要裝置的拉力和位移量程范圍范圍足夠大、拉伸速率變化區間大且連續可調；4、不同檢測手段所需要的通光孔材料是不同的，故通光孔附近的材料必須可以靈活可換。

總結以上四點，我們可以得出研究高分子薄膜材料力學性能的人員需要的是一臺質輕、體積小、容易拆卸和安裝，拉伸方式為單軸雙向拉伸，位移和拉力量程范圍大、拉伸速度變化范圍大且連續可調，通光孔附近材料容易更換的拉伸裝置。

發明內容

本發明的目的在于，克服現有技術的不足，提供一種可以在同步輻射線站，顯微鏡，光散射等條件下測試高分子薄膜材料的力學性能，并可實時原位的進行結構檢測的拉伸裝置。該拉伸裝置具有質輕、體積小、容易拆卸和安裝，拉力和位移量程范圍大且拉伸速度連續可調，拉伸方式為單軸雙向拉伸，具有多通道實時數據采集等特點。采用該裝置可以得到拉伸變形過程中材料的力學強度，結晶度，取向度等參數，為研究薄膜材料在拉伸變形過程中的變形機理提供幫助。

本發明采用的技術方案為：一種用于原位結構檢測的高分子薄膜材料拉伸裝置，包括高精度伺服電機，行星齒輪箱，編碼器，驅動器，拉力傳感器，數據采集卡，系統集成化的LabVIEW軟件控制系統，其中：

該裝置采用高精度伺服電機作為轉動的動力系統；

該裝置采用了LabVIEW軟件編寫高精度伺服電機控制系統將拉力傳感器的力學與拉伸位移實時數據采集以及拉伸速度進行了集成化，可以進行同步控制與數據采集；

該裝置在拉伸過程通過用電機驅動反向絲桿轉動，隨后將絲桿的運動通過導軌上面的滑塊傳遞到夾頭上面，實現單軸雙向拉伸。

其中，當材料被控制于拉伸或回彈的往復運動時，系統可以高精度的進行位移及拉力的控制與原位數據的采集，在對應的要求下可以調整為以恒力輸出的恒力拉伸裝置。

本發明另外提供一種用于原位結構檢測的高分子薄膜材料拉伸裝置的實驗方法，所述的拉伸裝置利用上述的原位結構檢測的高分子材料薄膜拉伸裝置，該方法可以在同步輻射紅外和X射線散射線站，顯微鏡，光散射等條件下測試高分子薄膜材料的力學性能，將薄膜材料置于裝置的夾頭上面，在線檢測薄膜材料在不同應變時所受到的拉力，將該裝置與其他檢測設備連用時主要的實驗步驟為：

步驟（1）、將拉伸裝置，控制柜和電腦主機進行連接，開啟控制柜的電源，同時將我們需要測試的樣品安裝在微型拉伸裝置上面，需要保證樣條與夾頭垂直；

步驟（2）、打開Labview軟件控制窗口，設定加減速度，拉伸速率和拉伸位移；