[發明專利]一種基于顯微壓縮的薄壁微球結構材料壁材彈性模量的測試方法

有效

• 申請號: 202010876515.3
• 申請日: 2020-08-27
• 公開（公告）號: CN112146978B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 彭光健;孫義恒;竇貴靖;胡亞豪
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N21/84;G01N23/2251
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

一種基于顯微壓縮的薄壁微球結構材料壁材彈性模量的測試方法，包括以下步驟：第一步，采用光學顯微鏡測量或掃描電子顯微鏡薄壁微顆粒的半徑R，壁厚t，查找壁材泊松比ε，芯材體積模量K；第二步，采用顯微壓縮平壓頭對薄壁微顆粒施加載荷，得到載荷和位移曲線，得到薄壁微顆粒壁材的彈性模量；第三步，將獲得的壁材彈性模量帶入ABQUS有限元模型，輸入芯材的體積模量k，壁材的屈服強度σ_y泊松比v_s，以壓縮位移控制顯微壓縮進程，壓縮平板與外壁的接觸設置為無摩擦，得到薄壁微球顆粒的數值模擬顯微壓縮載荷位移曲線，預測薄壁微顆粒的顯微壓縮行為。本發明測試更加準確，操作便捷，檢測高效。

技術領域

本發明涉及一種材料力學參數的測試方法，尤其是薄壁微球結構材料壁材彈性模量的測試方法。

背景技術

薄壁微球結構材料是一種具有核殼結構的微球顆粒，其尺寸一般在5μm-100μm，典型材料有空心玻璃珠、微膠囊等。這類材料在制備和應用的過程中易受到外力作用產生變形甚至破裂，進而導致材料結構破壞和失效。薄壁微球結構材料的變形破裂往往是外部壁材先在外力作用下發生破壞，即其力學性能主要由其壁材決定，而彈性模量是材料力學性能中極為重要的力學參數之一，因此評估壁材的彈性模量十分必要。

由于薄壁微球結構材料的小尺寸，傳統檢測方法的測試精度無法滿足該類材料的測試要求。目前對薄壁微球結構材料壁材彈性模量的檢測方法主要有兩種：一種是基于原子力顯微鏡的薄壁微球結構材料測試方法，原子力顯微鏡具有較高的分辨率，但對操作要求較為嚴苛，需注意以下兩點：其一是在測試過程中要保證探頭正好微球的正上方。其二是壓縮位移的組成較為復雜，需要考慮探頭在未接觸試樣時由于原子力作用會吸附在試樣表面，即接觸零點位置的判斷，以及在施加載荷時微懸臂梁自身的彎曲。另一種是基于納米壓入的測試方法，對單個微球結構材料或微球結構材料壁材碎片進行納米壓入測試。以單個微球結構為測試對象時，在壓入過程中微球結構本身的結構變形易被錯誤地計入壓入深度，壓入深度的測量誤差會導致測得的彈性模量偏離真實值。以微球結構碎片為測試對象時，由于壁材碎片具有一定的曲面，違反了納米壓入測試對象表面必須平整光滑的要求，實際樣品形狀不滿足測試樣品條件不可避免地在測試結果中引入誤差。

發明內容

為解決現有薄壁微球結構材料壁材彈性模量測試困難、操作復雜、結果不準確等不足，本發明提出一種基于顯微壓縮的薄壁微球結構材料壁材彈性模量的測試方法，經驗證本方法測試結果更加準確，測試結果帶入商用有限元軟件ABQUS可以較為精準地預測薄壁微球結構材料的顯微壓縮行為。

為了解決上述技術問題，本發明提出如下技術方案：

一種基于顯微壓縮的薄壁微球結構材料壁材彈性模量的測試方法，包括以下步驟：

第一步，采用光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡測量薄壁微顆粒的半徑R，壁厚t，查找壁材泊松比ε，芯材體積模量K；

第二步，采用顯微壓縮平壓頭對薄壁微顆粒施加載荷，得到載荷(F)和位移(h)曲線，并利用最小勢能法理論即下面建立的公式(1)～(4)對載荷位移曲線進行擬合，即得到薄壁微顆粒壁材的彈性模量；

δ(U_D-W)＝0 (2)

U_D(h,α,b)＝min[U_D(h,α,b)] (3)