[發明專利]基于三維結構的材料彈性模量和密度的測量方法和系統

有效

• 申請號: 201910750601.7
• 申請日: 2019-08-14
• 公開（公告）號: CN110308061B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 馮雪;李海波;馬寅佶
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32;G01N9/00;G01N3/02
• 代理公司: 北京林達劉知識產權代理事務所(普通合伙) 11277
• 代理人: 劉新宇;張會華

提供一種基于三維結構的材料彈性模量和密度的測量系統和測量方法。基準振動體和待測振動體安裝于基座并相對于基座振動，待測振動體和基準振動體包括相同的振動骨架和相同的傳感器，待測振動體還具有待測材料膜，振動骨架能夠受激振力作用而被激發出至少兩個振動模態，傳感器測量至少兩個振動模態下的基準振動體和待測振動體的變形，根據傳感器的測量結果獲得基準振動體和待測振動體的共振頻率。結合三維結構的多方向和多模態的振動特性和傳感器測量技術，根據三維結構在結合待測材料膜后的頻率的變化來反推出待測材料的彈性模量和密度，對稱地布置傳感器以驗證所激發的振動模態是否滿足要求。

技術領域

本發明涉及材料技術領域，且特別涉及基于三維結構的材料彈性模量和密度的測量方法和系統。

背景技術

在柔性電子科學和生命科學領域，聚合物材料(如聚二甲基硅烷、各類硅橡膠、聚酰亞胺薄膜等)的彈性模量和密度往往決定了柔性電子設備的性能以及生物體的舒適程度，如何準確地獲得聚合物材料的彈性模量和密度對于相關柔性電子器件的設計與開發至關重要。

在傳統的材料彈性模量和密度檢測中，已有部分專利申請通過彎曲撓度等靜態試驗方法測定工程材料的模量，有部分專利申請通過測試超聲波在材料中的傳播速度測得彈性模量數值，也有部分專利申請通過施加外部簡諧力進而測試試樣的基頻獲得材料的彈性模量。

對于較低彈性模量的聚合物材料，無法通過靜態試驗方法獲得應力與應變之間的關系，也無法直接在外部對試樣施加簡諧激振力，采用超聲檢測裝備也無法對試樣進行直接測定。而且，現有的測量裝置的結構復雜、組件繁多、設備體積大。

因而，如何提供一種能夠快速、準確、便捷地測量材料彈性模量和密度的方法和系統，是亟待本領域技術人員解決的技術問題。

發明內容

鑒于上述現有技術的狀態而做出本發明。本發明的目的在于提供一種基于三維結構的材料彈性模量和密度的測量系統，利用三維結構的多方向和多模態振動特性，協同測量材料的彈性模量和密度。

提供一種基于三維結構的材料彈性模量和密度的測量系統，所述測量系統包括基座、基準振動體和待測振動體，所述基準振動體和所述待測振動體安裝于所述基座并相對于所述基座振動，

所述基準振動體和所述待測振動體包括相同的振動骨架和相同的傳感器，所述傳感器安裝于所述振動骨架，所述振動骨架能夠受激振力作用而被激發出至少兩個振動模態，所述傳感器測量所述至少兩個振動模態下的所述基準振動體和所述待測振動體的變形，

所述振動骨架具有第一對稱軸，所述基準振動體和所述待測振動體均包括偶數個所述傳感器，所述偶數個傳感器關于所述第一對稱軸對稱，所述待測振動體還包括待測材料膜，所述待測材料膜與所述振動骨架結合并能夠跟隨所述振動骨架一同振動，所述基準振動體和所述待測振動體具有所述第一對稱軸，

根據所述傳感器的測量結果獲得所述基準振動體在所述至少兩個振動模態下的共振頻率f_0(I)和f_0(II)，以及所述待測振動體在所述至少兩個振動模態下的共振頻率f_(I)和f_(II)，并分別將f_0(I)和f_(I)，以及f_0(II)和f_(II)帶入以下兩個線性公式，計算得出待測材料的彈性模量E_p和密度ρ_p：