一、測(cè)試方法——目前主流四類
1. 十字形試樣雙軸拉伸
- 適用:PET、PI、PTFE、ETFE、PVC 涂層織物等
- 標(biāo)準(zhǔn):ISO 527-3、ASTM D638 引申做法;建工行業(yè)《膜結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》征求意見(jiàn)稿已給出比例加載 1:1、2:1、1:2、1:0、0:1 五組荷載步及最小二乘擬合流程。
- 關(guān)鍵:應(yīng)變測(cè)量建議用視頻引伸計(jì)或云紋干涉,避免刀口滑移;厚度需實(shí)測(cè),因涂層面內(nèi)各向異性顯著。
2. 圓片鼓包(Bulge Test)
- 適用:超薄 (<10 µm) 金屬/氧化物/聚合物薄膜,無(wú)法夾持十字形時(shí)。
- 公式:p = 2σt/R → σ = pR/2t,ε = (8w2)/(3a2)(半球假設(shè))
- 注意:需同步測(cè)壓強(qiáng) p 與中心撓度 w,厚度 t 必須原位測(cè);鼓包狀態(tài)為等雙軸 σ?=σ?,無(wú)法做非比例加載。
3. 非接觸納米壓痕+背彎(Substrate Bending)
- 適用:晶圓級(jí) Si、GaAs、CIGS 等脆性薄膜,不剝離基底。
- 輸出:雙軸彈性模量 E/(1-ν)、硬度;但無(wú)法給出屈服/斷裂應(yīng)變。
4. 微型雙軸疲勞機(jī)(如 IPBF-)
- 適用:柔性電子、水凝膠、生物軟組織;可做 0.01–20 Hz 比例/非比例循環(huán)、蠕變-疲勞交互。
- 擴(kuò)展:可配 37 °C PBS 浴槽、光學(xué)顯微鏡,實(shí)現(xiàn)原位裂紋觀測(cè)。
二、典型本構(gòu)特征與參數(shù)范圍
1. 非線性 + 正交各向異性
多數(shù)建筑膜材(PVC/PVDF 涂層織物)經(jīng)、緯向彈性模量相差 1.5–2.5 倍;應(yīng)力-應(yīng)變曲線在低應(yīng)力區(qū)(<10 % 抗拉強(qiáng)度)可線性近似,用于規(guī)范取值。
2. 雙軸/單軸對(duì)比
- ETFE 透明膜:雙軸彈性模量 650–750 MPa,與單軸 600–800 MPa 接近,泊松比 0.45–0.50,滿足 Mises 屈服;厚度 100–250 µm,5 組應(yīng)力比試驗(yàn)斷裂應(yīng)變 200–300 %。
- PTFE 涂層玻璃纖維:雙軸模量經(jīng)向 1200–1500 N/mm、緯向 800–1000 N/mm,泊松比 0.3–0.4;雙軸比 1:1 時(shí)折算強(qiáng)度比單軸提高 15–25 %。
- PET 工業(yè)膜(BOPET, 12–50 µm):雙軸等比例拉伸模量 4.0–5.2 GPa,泊松比 0.38–0.45;非比例 2:1 時(shí)經(jīng)向模量下降 8–12 %,緯向上升 5–8 %。
三、加載路徑效應(yīng)速覽
四、常用薄膜雙軸力學(xué)參數(shù)速查表(室溫 23 ±2 °C,50 %RH)
(注:表中“雙軸"一欄如無(wú)特別說(shuō)明均為比例 1:1 加載結(jié)果;建筑膜材單位 N/mm 已換算為 GPa 便于對(duì)比。)
五、工程應(yīng)用提示
1. 設(shè)計(jì)取值
對(duì)建筑膜結(jié)構(gòu),規(guī)范建議直接采用雙軸試驗(yàn)的 1/4 抗拉強(qiáng)度區(qū)間線性擬合模量,并按荷載組合 1:1、2:1、1:2 取最小值作為剛度輸入,避免用單軸數(shù)據(jù)導(dǎo)致?lián)隙鹊凸?10–30 %。
2. 數(shù)值模擬
- 正交各向異性殼單元(Abaqus *ORIENTATION)+ 表列非線性應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可較好復(fù)現(xiàn)雙軸軟化。
- 若僅做彈性階段,可用前述 E?、E?、ν??、G?? 四常數(shù),但剪切模量 G 需單獨(dú)測(cè) 45° 拉伸或方板扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)給出。
3. 破壞準(zhǔn)則
ETFE、PE 類延性膜可用 Mises;PVC/PVDF 涂層織物因基材編織易撕,需用 Tsai-Hill 或 Yarn-level 模型,并校核撕裂強(qiáng)度≥300 N/cm。
4. 加速老化
雙軸模量對(duì)紫外+濕熱敏感:PET 在 85 °C/85 %RH 500 h 后雙軸模量下降 15–20 %;PI 僅下降 5 %,更適合高溫柔性電子。
通過(guò)以上數(shù)據(jù)與方法,可對(duì)常規(guī)薄膜在雙軸應(yīng)力下的剛度、強(qiáng)度、破壞行為做出快速評(píng)估,并據(jù)此選擇試驗(yàn)路線或輸入仿真參數(shù),減少“單軸-雙軸"誤差導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)。
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