專利名稱：用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料彈性模量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于方學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的材料性能測試的測量方法，具體地說是涉及一種能在寬溫區(qū)(4.2K-300K)中用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料彈性模量的方法。
背景技術(shù)：
聚合物基泡沫材料由于具有較高的比模量、比強(qiáng)度和優(yōu)良的熱絕緣性能而被廣泛地應(yīng)用于封裝、緩沖和低溫隔熱材料等領(lǐng)域。這就需要研究聚合物基泡沫材料的拉伸、壓縮等力學(xué)性能。實(shí)際操作中，聚合物基泡沫材料的拉伸與壓縮強(qiáng)度的測量相對較為容易，而其彈性模量的測試較為困難。因?yàn)椴牧系膹椥阅Ａ繙y試主要在于精確測量材料的應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)關(guān)系，而應(yīng)力-應(yīng)變測量的關(guān)鍵是應(yīng)變測量；利用材料實(shí)驗(yàn)機(jī)可直接得到材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，但測量的系統(tǒng)誤差較大，測量精度較低。實(shí)驗(yàn)機(jī)一般配備的引伸計也可測量材料的應(yīng)變，但是其體積較大，而且適用的溫區(qū)范圍較小。
電阻應(yīng)變片也可用來測量材料的微應(yīng)變，但是應(yīng)變片量程很小，且只能一次性使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于是為了克服上述測量材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的方法存在的存在諸多問題，而提供一種用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料彈性模量的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料彈性模量的方法，包括如下步驟1)將待測的聚合物基泡沫材料的測量區(qū)固定在一位移傳感器兩鉗臂的端部，并一并置入電子萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)；
2)將位移傳感器的相互連接成惠斯通橋的電阻應(yīng)變片的連接引線分別與應(yīng)變儀電連接，應(yīng)變儀與計算機(jī)相連接；3)對待測聚合物基泡沫材料施加壓縮力或拉伸力，應(yīng)變儀測得的該待測聚合物基泡沫材料的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)輸入至計算機(jī)，由計算機(jī)根據(jù)采集的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)繪制出該待測聚合物基泡沫材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，由所得應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線便可得出該待測聚合物基泡沫材料特性模量。
所使用的位移傳感器的結(jié)構(gòu)包括一鉗形主體100，該鉗形主體100包括一金屬材質(zhì)的矩形本體1和沿該矩形本體1對稱的兩側(cè)面向同一方向延伸的具有一厚度的金屬材質(zhì)的鉗臂11和鉗臂22；還包括用耐低溫環(huán)氧膠粘貼在鉗臂11和鉗臂22靠近矩形本體1根部內(nèi)外兩側(cè)面上的電阻應(yīng)變片R1，R2，R3和R4，所述電阻應(yīng)變片R1，R2，R3和R4的電阻值相同，并相互連接成惠斯通橋；所述相互連接成惠斯通橋的所述電阻應(yīng)變片R1，R2，R3和R4的連接引線分別與應(yīng)變儀電連接；該位移傳感器的鉗臂11與鉗臂22之間間距為5-20mm。
所使用的位移傳感器的電阻應(yīng)變片(R1，R2，R3和R4)電阻值在90-350Ω之間。
所使用的位移傳感器還包括用耐低溫環(huán)氧膠粘貼在矩形本體1外側(cè)面上的接線板3，4，所述相互連接成惠斯通橋的電阻應(yīng)變片R1，R2，R3和R4的連接引線分別固定在接線板3，4之后，再與應(yīng)變儀電連接。
本發(fā)明的利用位移傳感器測量聚合物泡沫材料彈性模量的過程為根據(jù)被測樣品選擇測量區(qū)，通過夾具將被測樣品的測量區(qū)粘貼在位移傳感器的鉗臂11和鉗臂22的端部；對于拉伸試樣，夾具間的距離小于所述位移傳感器的原始標(biāo)距(即鉗臂11與鉗臂22之間的間距)；而對于壓縮試樣，夾具間的距離等于所述位移傳感器的原始標(biāo)距(即鉗臂11與鉗臂22之間的間距)，進(jìn)行測量時，將試樣、夾具和位移傳感器裝配成一整體，并一體地放入電子萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)；由電阻應(yīng)變片R1，R2，R3和R4相互連接成惠斯通橋電路的4條連接引線按規(guī)則接入一外接應(yīng)變采集儀上，應(yīng)變采集儀再通過RS-232接口連接到計算機(jī)上；測試時通過計算機(jī)的相關(guān)軟件對應(yīng)變采集儀實(shí)時采集到的位移信號進(jìn)行處理，并繪制出待測樣品的應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系曲線，由該應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系曲線便可以得到待測樣品的彈性模量。
室溫下的彈性模量的測量，可直接在Reger-20A型電子萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，液氮、液氫溫區(qū)的彈性模量的測量，可在配備了低溫容器的實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，液氮溫度由制冷劑液氮提供，液氫溫度由制冷劑液氦并結(jié)合我們的控溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明提供的用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料彈性模量的方法，其特點(diǎn)是可測量室溫及低溫下(寬溫區(qū)4.2K-300K)的聚合物基泡沫材料的彈性模量，具有較高的準(zhǔn)確度；所使用的位移傳感器可在寬溫區(qū)(4.2K-300K)重復(fù)使用、靈敏度較高。


圖1為本發(fā)明的方法所使用的位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為位移傳感器的惠斯通橋電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的方法測試待測材料A的示意圖；圖4為本發(fā)明的方法測試待測材料B的示意圖；具體實(shí)施方式
實(shí)施例1測量一種PEI泡沫塑料室溫下的壓縮彈性模量位移傳感器(其中連接成惠斯通橋電路的應(yīng)變片R1，R2，R3和R4的電阻值為120)、夾具及試樣組裝后如圖3所示首先根據(jù)待測試樣的測量區(qū)，在鉗臂11和鉗臂22端部分別固定連接一與之垂直的連接片101和102(夾具)，再將所述連接片101和102分別與待測量的圓柱型聚合物泡沫材料的測量區(qū)側(cè)壁兩端部相連(如圖3所示)；位移傳感器中的惠斯通橋電路的連接導(dǎo)線與外接應(yīng)變儀相連，應(yīng)變儀與計算機(jī)相連(應(yīng)變儀及計算機(jī)，圖中未示，其連接未本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)知應(yīng)會)。圖中圓柱狀物為待測泡沫材料，此材料為閉孔結(jié)構(gòu)，密度為60kg/m3；測量該材料彈性區(qū)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，測得的該材料的壓縮模量如表1所示表1中的試樣編號代表該同一材料的四種試樣，該四種試樣的壓縮彈性模量的平均值便是該材料的壓縮彈性模量(其標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.60)。
表1

實(shí)施例2測量一種PEI泡沫塑料液氮溫區(qū)拉伸彈性模量在位移傳感器的鉗臂11和鉗臂22端部分別固定連接一與之垂直的連接片101和102，再將所述連接片101和102與待測量的圓柱型聚合物泡沫材料A的側(cè)壁中部相連(如圖4所示)；將位移傳感器、位移傳感器夾具和試樣組裝后如圖4所示位移傳感器中的惠斯通橋電路的連接導(dǎo)線與外接應(yīng)變儀相連，應(yīng)變儀與計算機(jī)相連(應(yīng)變儀及計算機(jī)，圖中未示，其連接為本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)知應(yīng)會)。測試泡沫材料為啞鈴狀，性能與實(shí)施例1所用材料相同。利用位移傳感器測量此類泡沫材料在77K下的拉伸模量如表2所示。表2中的試樣編號代表該同一材料的四種試樣，該四種試樣的拉伸彈性模量的平均值便是該材料的拉伸彈性模量(其標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.08)。
表2

實(shí)施例3，測量一種PEI泡沫塑料液氫溫區(qū)壓縮彈性模量位移傳感器、位移傳感器夾具和試樣組裝后同圖3，利用液氦和控溫設(shè)備實(shí)現(xiàn)液氫溫度(20K)。測試材料與實(shí)施例1、2測試材料相同。測試得到材料液氫溫度的壓縮彈性模量如表3。表3中的試樣編號代表該同一材料的四種試樣，該四種試樣的壓縮彈性模量的平均值便是該材料的壓縮彈性模量(其標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.63)。
表3一種PEI泡沫材料液氫溫度下壓縮彈性模量

實(shí)施例4，測量一種PU泡沫塑料室溫拉伸彈性模量待測試材料B為一種低密度聚氨酯泡沫材料，閉孔結(jié)構(gòu)，密度為40kg/m3，位移傳感器、夾具和試樣組裝后示意圖同圖4。測試過程與實(shí)施例2相同，測量得到此類泡沫材料室溫拉伸彈性模量如表4。表4中的試樣編號代表該同一材料的四種試樣，該四種試樣的拉伸彈性模量的平均值便是該材料的拉伸彈性模量(其標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.237)。
表4一種PU泡沫材料室溫拉伸彈性模量

實(shí)施例5測量一種PU泡沫材料液氮溫區(qū)壓縮彈性模量待測材料與實(shí)施例4所測材料性能相同，測試得到此類材料液氮溫區(qū)壓縮彈性模量如表5。表5中的試樣編號代表該同一材料的四種試樣，該四種試樣的壓縮彈性模量的平均值便是該材料液氮溫區(qū)的壓縮彈性模量(其標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.29)。
表5一種PU泡沫材料液氮溫度下壓縮彈性模量

權(quán)利要求
1.一種用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料彈性模量的方法，包括如下步驟1)將待測的聚合物基泡沫材料的測量區(qū)固定在一位移傳感器兩鉗臂的端部，并一并置入電子萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)；2)將位移傳感器的相互連接成惠斯通橋的電阻應(yīng)變片的連接引線分別與應(yīng)變儀電連接，應(yīng)變儀與計算機(jī)相連接；3)對待測聚合物基泡沫材料施加壓縮力或拉伸力，應(yīng)變儀測得的該待測聚合物基泡沫材料的應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)據(jù)輸入至計算機(jī)，由計算機(jī)根據(jù)采集的應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)據(jù)繪制出該待測聚合物基泡沫材料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，由所得應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線便可得出該待測聚合物基泡沫材料特性模量。
2.按權(quán)利要求1所述的用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料彈性模量的方法，其特征在于，所使用的位移傳感器的結(jié)構(gòu)包括一鉗形主體(100)，該鉗形主體(100)包括一金屬材質(zhì)的矩形本體(1)和沿該矩形本體(1)對稱的兩側(cè)面向同一方向延伸的具有一厚度的金屬材質(zhì)的鉗臂(11)和鉗臂(22)；還包括用耐低溫環(huán)氧膠粘貼在鉗臂(11)和鉗臂(22)靠近矩形本體(1)根部內(nèi)外兩側(cè)面上的電阻應(yīng)變片(R1，R2，R3和R4)，所述電阻應(yīng)變片(R1，R2，R3和R4)的電阻值相同，并相互連接成惠斯通橋；所述相互連接成惠斯通橋的所述電阻應(yīng)變片(R1，R2，R3和R4)的連接引線分別與應(yīng)變儀電連接。
3.按權(quán)利要求2所述的用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料彈性模量的方法，其特征在于，所使用的位移傳感器的鉗臂(11)與鉗臂(22)之間間距為5-20mm。
4.按權(quán)利要求2所述的用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料彈性模量的方法，其特征在于，所使用的位移傳感器的電阻應(yīng)變片(R1，R2，R3和R4)電阻值在90-350Ω之間。
5.按權(quán)利要求2所述的用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料彈性模量的方法，其特征在于，所使用的位移傳感器還包括用耐低溫環(huán)氧膠粘貼在矩形本體(1)外側(cè)面上的接線板(3，4)，所述相互連接成惠斯通橋的電阻應(yīng)變片(R1，R2，R3和R4)的連接引線分別固定在接線板(3，4)之后，再與應(yīng)變儀電連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及的用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料彈性模量的方法，包括如下步驟1)將待測聚合物基泡沫材料的測量區(qū)固定在位移傳感器的兩鉗臂的端部，并一并置入電子萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)；2)將位移傳感器的相互連接成惠斯通橋的電阻應(yīng)變片的連接引線分別與應(yīng)變儀電連接，應(yīng)變儀與計算機(jī)相連接；3)對待測的聚合物基泡沫材料施加壓縮力或拉伸力，應(yīng)變儀測得的該待測聚合物基泡沫材料的應(yīng)力－應(yīng)變數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，由計算機(jī)繪制出該待測聚合物基泡沫材料的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線，由曲線便可得出該待測的聚合物基泡沫材料特性模量。該方法可在室溫及低溫下進(jìn)行彈性模量的測量，操作簡單，準(zhǔn)確度和靈敏度較高。
文檔編號G01B7/16GK1779432SQ20041000983
公開日2006年5月31日 申請日期2004年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月22日
發(fā)明者付紹云, 黃傳軍, 潘勤彥, 趙立中 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所