一种基于压痕技术对水化软材料力学性能进行检测的方法

1.本发明属于材料性能检测技术领域，具体涉及一种基于压痕技术对水化软材料力学性能进行检测的方法。


背景技术：

2.多数水化软材料例如水凝胶等高分子材料在载荷的作用下通常展现明显的非线性或时间相关的力学响应特性。而且软材料通常具有较低的弹性模量以及对外部刺激的高度敏感性，从而使得对这类材料力学行为的描述以及力学性能的检测都非常复杂，因此研究水化软材料力学性能的检测方法具有重要的意义。
3.水化软材料由于试样制备比较困难、测试过程也比较复杂等原因，常常难以进行宏观测试。近年来，压痕技术由于具有操作方便、试样制备简单、测试方便等优势，逐渐成为一种检测各种软材料力学性能的重要手段。
4.由于水化软材料的非线性特征以及在压痕过程中应力状态的非均匀性，使得水化软材料的压痕行为同时涉及几何、材料和边界非线性。因而通过量纲分析研究基于压痕技术检测超弹性水化软材料初始剪切模量的方法，建立联系水化软材料压痕响应和非线性力学性能之间关系的表达式是利用压痕技术检测水化软材料力学性能的关键。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于压痕技术对水化软材料力学性能进行检测的方法，该方法是采用以下技术手段实现的：
6.一种基于压痕技术对水化软材料力学性能进行检测的方法，包括以下步骤：
7.步骤1：确定水化软材料试样的无量纲函数的参数；
8.步骤2：建立含有初始剪切模量的无量纲函数关系，如下：
[0009][0010]
式中p为压痕载荷，μ0为初始剪切模量，
ɑ
为压痕接触半径，r为压头半径；
[0011]
步骤3：通过球形压痕试验，得到有初始剪切模量试样的压痕深度h以及对应的压痕接触半径
ɑ
曲线，归一化后得到压痕深度h和压痕接触半径
ɑ
的关系式，如下：
[0012][0013]
步骤4：利用最小二乘法拟合计算得到无量纲函数中并将步骤3中的压痕深度h和压痕接触半径
ɑ
代入公式(1)，获得试样初始剪切模量的计算公式，如下：
[0014][0015]
优选的，步骤1所述无量纲函数分别为初始剪切模量μ0，压痕接触半径
ɑ
以及压头
半径r。
[0016]
优选的，步骤2无量纲函数公式的建立方法是利用有限元仿真软件，获得压痕接触半径
ɑ-压痕深度h曲线和压痕载荷p-压痕深度h曲线，通过选取对应的压头载荷p和压痕接触半径
ɑ
，获得无量纲的压痕载荷p-压痕接触半径
ɑ
曲线。
[0017]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0018]
本发明是利用有限元仿真方法，结合含有初始剪切模量的无量纲函数，建立不同水化软材料的初始剪切模量和压痕载荷p-压痕接触半径
ɑ
之间的关系，进一步参考压痕实验结果，计算获得水化软材料初始剪切模量。本发明的检测方法具有准确率高且方法简单的特点。
附图说明
[0019]
图1为本发明所述水化软材料力学性能的检测方法流程图；
[0020]
图2为无量纲的压痕载荷p-压痕接触半径
ɑ
曲线；
[0021]
图3为归一化后压痕深度h和压痕接触半径
ɑ
的关系曲线。
具体实施方式
[0022]
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
[0023]
一种基于压痕技术对水化软材料力学性能进行检测的方法，步骤如下：
[0024]
步骤1：确定水化软材料试样的无量纲函数的参数，即初始剪切模量μ0，压痕接触半径
ɑ
以及压头半径r；
[0025]
步骤2：建立含有初始剪切模量的无量纲函数关系，如下：
[0026][0027]
式中p为压痕载荷，μ0为初始剪切模量，
ɑ
为压痕接触半径，r为压头半径；
[0028]
具体方法是利用有限元仿真软件，获得压痕接触半径
ɑ-压痕深度h曲线和压痕载荷p-压痕深度h曲线，通过选取对应的压痕载荷p和压痕接触半径
ɑ
，获得无量纲的压痕载荷p-压痕接触半径
ɑ
曲线，如图2所示。
[0029]
步骤3：通过球形压痕试验，得到有初始剪切模量试样的压痕深度h以及对应的压痕接触半径
ɑ
曲线，归一化后压痕深度h和压痕接触半径
ɑ
的关系式，如下(图3)：
[0030][0031]
在一个实施例中，选用水凝胶进行水化软材料的压痕试验，并对得到的数据进行处理，得到含有试样加载阶段的载荷-深度曲线，选取压痕深度h为0.8mm下的载荷(即压痕载荷p)为0.18n，压痕接触半径
ɑ
约为1.45mm。
[0032]
步骤4：利用最小二乘法拟合计算得到无量纲函数中具体如下：
[0033][0034]
并将步骤3中的压痕深度h和压痕接触半径
ɑ
参数代入公式(1)，获得试样初始剪切模量的计算公式，如下：
[0035][0036]
经计算，μ0值为0.03472mpa。
[0037]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。


技术特征：
1.一种基于压痕技术对水化软材料力学性能进行检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确定水化软材料试样的无量纲函数的参数；步骤2：建立含有初始剪切模量的无量纲函数关系，如下：式中p为压痕载荷，μ0为初始剪切模量，
ɑ
为压痕接触半径，r为压头半径；步骤3：通过球形压痕试验，得到有初始剪切模量试样的压痕深度h以及对应的压痕接触半径
ɑ
的数值，归一化后得到所述压痕深度h和压痕接触半径
ɑ
的关系，如下：步骤4：利用最小二乘法拟合计算得到无量纲函数中并将步骤3中的压痕深度h和压痕接触半径
ɑ
代入公式(1)，获得试样初始剪切模量的计算公式，如下：2.根据权利要求1所述基于压痕技术对水化软材料力学性能进行检测的方法，其特征在于，步骤1所述无量纲函数分别为初始剪切模量μ0，压痕接触半径
ɑ
以及压头半径r。3.根据权利要求1所述基于压痕技术对水化软材料力学性能进行检测的方法，其特征在于，步骤2无量纲函数公式的建立方法是利用有限元仿真软件，获得压痕接触半径
ɑ-压痕深度h曲线和压痕载荷p-压痕深度h曲线，通过选取对应的压痕载荷p和压痕接触半径
ɑ
，获得无量纲的压痕载荷p-压痕接触半径
ɑ
曲线。

技术总结
本发明公开了一种基于压痕技术对水化软材料力学性能进行检测的方法，涉及材料性能检测技术领域。本发明首先确定水化软材料试样的无量纲函数的参数，然后建立含有初始剪切模量的无量纲函数关系，再通过球形压痕试验，得到有初始剪切模量试样的压痕深度h以及对应的压痕接触半径


技术研发人员：杨庆生 单燕 郝兴楠 刘夏 张强
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2022.09.26
技术公布日：2022/12/27