柔性材料在溫度環境下力學性能測試技術應用

柔性電子器件飛速發展，它們被廣泛用于醫療診斷、監測和柔性機器人等領域。柔性電子涵蓋有機電子、塑料電子、生物電子、納米電子、印刷電子等，包括RFID、柔性顯示、有機電致發光(OLED)顯示與照明、化學與生物傳感器、柔性光伏、柔性邏輯與存儲、柔性電池、可穿戴設備等多種應用。隨著其快速的發展，涉及到的領域也進一步擴展，目前已經成為交叉學科中的研究熱點之一。

Science將有機電子技術進展列為2000年世界科技成果之一,美國科學家艾倫黑格、艾倫·馬克迪爾米德和日本科學家白川英樹由于他們在導電聚合物領域的開創性工作獲得2000年諾貝爾化學獎。近幾年，國內清華大學、西北工業大學、南京工業大學、華中科技大學等國內著名大學都先后建立了柔性電子技術專門研究機構，柔性電子技術已經引起了我國研究人員的高度關注與重視，柔性電子領域的研究異常火熱，使得該領域的發展日新月異并取得了長足的進展。

近期，復旦大學復旦大學高分子科學系教授彭慧勝的研究團隊，成功將顯示器件的制備與織物編織過程實現融合，在高分子復合纖維交織點集成多功能微型發光器件等相關成果發表在Nature。

華中科技大學吳豪教授團隊聯合復旦大學李卓研究員，基于負泊松比超材料結構開發出高性能柔性電子皮膚。相關成果 “Flexible Mechanical Metamaterials Enabled Electronic Skin for Real-time Detection of Unstable Grasping in Robotic Manipulation” 發表在Advanced Functional Materials上。

杭州師范大學朱雨田教授團隊通過簡單的原位還原和溶劑澆注技術，開發了由聚乙烯醇(PVA)、 檸檬酸(CA)和銀納米粒子(AgNPs)組成的可拉伸和透明的多模態電子皮膚傳感器，它具有應變、溫度和濕度方面的多種傳感能力。

在柔性材料（柔性玻璃、柔性OLED、柔性電池、柔性電子皮膚）以及柔性電子元器件等研究過程中，在一定溫度環境下的力學性能（屈服強度、延伸率、泊松比、楊氏模量）是評價柔性材料應用場景維度的一個非常重要的指標， 也是制定柔性電子制造過程工藝關鍵參數。一般情況下，該類測試載荷精度要求較高，且樣品小，在進行屈服、強度、延伸率等力學性能測試時，在實現溫度冷熱環境，拉伸功能同時還需配備非接觸類視覺測量類儀器，如DIC。

冷熱原位拉伸微觀應力應變解決方案

冷熱原位拉伸微觀應力應變測試系統主要應用于小尺度的相關的柔性材料、生物、金屬、有機聚合物、纖維等各種材料科學研究，可實現溫度范圍-190~600℃，溫控精度±0.1℃ 最大載荷5kN。冷熱原位拉伸測試系統通過實時獲取材料動態載荷下，形變和溫度等數據，結合DIC聯用進行材料微觀結構分析數據，可實現定量分析材料微觀力學性質、相變行為、取向變化、裂紋萌生和擴展、材料疲勞和斷裂機制、材料彎曲、高溫蠕變性、分層、形成滑移面以及脫落等現象，實現各種材料性能的研究。

三維數字圖像相關技術（DIC）具有準確性、穩健性和易用性的特點，已被廣泛應用于應變測量。但是，對于需要高放大倍數的測量樣品，3D測量仍很難達到測量需求，這主要是由于3D測量缺乏具有足夠景深的光學元件，無法從不同視角獲取3D分析所需的兩張高放大率圖像。WTDIC-Micro彌補了傳統設備無法進行微小物體變形測量的不足，成為一種微觀尺度領域變形應變測量的有力工具。

該測試系統采用模塊化設計， 核心冷熱原位拉伸臺采用專業技術自主設計、加工制造，開發出集成化、多功能、兼容性強、變溫范圍大、靈活小巧，安裝快捷方便、操作簡單、性能可靠的冷熱原位微觀應力測試系統解決方案，且性價比高。

1) 應用范圍廣：可用于金屬、無機（半導體、陶瓷）、有機（生物、高分子、纖維）、復合涂層等多個學科的材料科學研究。

2) 溫控技術強：三種變溫模塊（半導體冷熱、液氮/電熱冷熱等）可自由更換，變溫范圍-190~600℃，RT~1000℃，溫控精度±0.1℃，具有自主產權核心溫控模塊算法；

3) 載荷加載功能多：可更換多種專用夾具，可實現測試樣品的拉伸、擠壓、疲勞測試；最大拉伸載荷5kN，載荷精度0.2%；拉伸速率達1 -100 um/s，最大位移50mm；

4) 變溫拉伸臺適應性強：可適配掃描電子顯微鏡、光學顯微鏡系統、X射線衍射儀等系統；

5) 軟件集成度高：集成溫控、拉伸測試，可進行載荷、溫度、位移多種參數設置，可結合靈活的閥值進行循環負載的復雜實驗，可以實時進行材料研究應力應變；

6) 軟件界面表現豐富：系統軟件提供多種模式的材料檢測模式，溫度、載荷、位移閾值設置，曲線生成，數據自動采集、多種格式輸出；

7) 技術支持：自主研發，定制開發靈活；提供全面的解決方案和技術指導。

三維顯微應變測量系統

WTDIC-Micro顯微應用測量系統：光學顯微鏡和DIC數字圖像相關技術的結合，可以滿足納米級精度測量需求。

使用方法步驟

在柔性小尺寸試樣測試過程中，冷熱原位拉伸測試系統的使用方法及步驟如下：

(1) 通過專用的小試樣散斑噴涂裝置，制作散斑涂層。當然，也可以通過畫線等方式制作標記，視頻引伸計均可支持，但制作散斑涂層后面還可以擴展到其他用途，所以我們建議處理為散斑涂層。制作完成的試樣類似下圖。

小尺寸試樣散斑噴涂效果

(2) 將小試樣放在對應的試驗機上并夾持住

冷熱原位拉伸測試系統加載試樣

測試結果

（1）應變-狀態曲線

（2）位移-狀態曲線

溫度波動曲線

（3）數據表格

計算得到的位移場(上)和應變場(下)

總結：

在柔性材料研究中，高精度實時獲取不同溫度下的應力應變數據，是解決柔性小尺寸試樣變溫環境應力應變測量問題的較佳方案。文天精策儀器科技（蘇州）有限公司針對小尺寸試樣力學試驗中的測量難題，為用戶提供成套解決方案，在小試樣的加載裝置、夾具設計、環境控制等方面提供完整的解決方案。