PASCO 材料測試儀的UV 膜彈性模量測試方法探究

余子韓 柯奕揚(yáng) 余梟然 陳余行

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620）

0 引言

彈性模量是反映材料應(yīng)力的一種物理量，是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，它是材料本身的一種特性，與物體的形狀和外界因素（如外力）無關(guān)。彈性模量的值越大，產(chǎn)生一定彈性變形的應(yīng)力越大，材料越不容易發(fā)生形變。彈性模量的測定對于研究材料的力學(xué)性質(zhì)具有重要意義，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械零部件設(shè)計、生物力學(xué)、地質(zhì)等領(lǐng)域。測量彈性模量的方法一般有拉伸法、梁彎曲法、振動法、內(nèi)耗法等。

UV 膠又稱紫外光固化膠，是指在紫外光照射下，光引發(fā)劑產(chǎn)生活性自由基或陽離子，引發(fā)不飽和單體聚合、交聯(lián)等反應(yīng)，從而迅速固化的一類膠黏劑［1］。紫外光固化膠具有固化速度快、黏接強(qiáng)度高、韌性好、耐濕熱老化、耐潮氣、使用壽命長等特點，相比于其他固化劑，具有更好的黏著性、耐熱性、抗剪切應(yīng)力的優(yōu)點，近些年被廣泛應(yīng)用，比如被批量用于汽車電子排線兩端線頭的固定與密封［2-3］。

UV 膜作為手機(jī)膜中一種較新的材料，在近些年間迅速發(fā)展。將UV膠涂抹于基材表面，形成UV膜，附著能力優(yōu)異、厚度較薄，可以起到阻隔紫外線及短波長可見光的效果。因為不使用溶劑，可以達(dá)到綠色環(huán)保的目的［4］。以上UV 膠和UV 膜的優(yōu)點使越來越多的消費者選擇該種手機(jī)膜貼敷。在高科技領(lǐng)域，由于UV膜的黏性較為穩(wěn)定且厚度較薄，可以在芯片產(chǎn)業(yè)化過程中使用。

本研究利用PASCO 材料測試儀進(jìn)行壓力測試，對市場中的UV 手機(jī)膜進(jìn)行不同層數(shù)的試樣制作。相比傳統(tǒng)試驗，PASCO材料測試儀能夠連續(xù)取點進(jìn)行測量，增加了測量結(jié)果的準(zhǔn)確度和可靠性［5］。在試樣制作完成后進(jìn)行壓力測試，使UV 手機(jī)膜在壓力作用下發(fā)生形變，從而得到對應(yīng)的彈性模量，通過具體的數(shù)值分析，得到最適合的測量方式，比較分析彈性模量。

1 試驗部分

1.1 設(shè)備及材料

PASCO 材料測試儀（主體、校準(zhǔn)桿、螺母、負(fù)載桿圓螺母、安全防護(hù)罩），usb 接口，Pasco Capstone軟件，UV 膜，紫外線燈，手機(jī)模型。試驗裝置示意如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意

1.2 試驗過程

①學(xué)習(xí)PASCO 材料測試機(jī)的設(shè)備說明，連接相關(guān)設(shè)備并打開Pasco Capstone軟件。

②將UV 膜分別以不同層數(shù)貼敷于手機(jī)模型，使用紫外線燈照射60 s使其固化，得到UV膜試樣。

③安裝張力校準(zhǔn)桿，對材料測試儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

④安裝壓縮附件，將短螺紋壓縮附件擰入稱重傳感器的頂部，將長螺紋壓縮附件擰入負(fù)載桿的頂部，并將手機(jī)膜試樣放置在長螺紋壓縮附件的中心位置。

⑤測量采集數(shù)據(jù)，得到壓力F與長度增長量ΔL的關(guān)系曲線圖，并對曲線進(jìn)行二次擬合，計算其彈性模量。

⑥替換其他厚度的手機(jī)膜試樣進(jìn)行測量，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析并得出結(jié)論。

1.3 試驗原理

UV膜在壓力作用下只改變厚度而不改變形狀，即為形變中的拉伸形變。當(dāng)手機(jī)膜受到壓力時，發(fā)生的彈性形變符合胡克定律，形變量與產(chǎn)生拉伸作用的力成正比。在測試不同層數(shù)的UV膜彈性模量時，材料和截面積均相同，而厚度不同。測試過程中，在相同壓力F作用下，UV膜試樣的相對伸長ΔL是相同的。需要通過PASCO 材料測試儀中的力傳感器（應(yīng)變式傳感器）和測量負(fù)載桿位移的光學(xué)編碼器模塊來記錄手機(jī)膜被壓縮時受到力F與長度的變化量ΔL。綜上，在彈性形變范圍內(nèi)應(yīng)變和所受應(yīng)力成正比，得到相關(guān)胡克定律公式見式（1）。

式中：比例系數(shù)Y是僅取決于物體材料性質(zhì)的常數(shù)，即材料的彈性模量。由此得到計算公式（2）。

在試驗中得到壓力F與壓縮伸長量ΔL的圖線關(guān)系，對圖線進(jìn)行二次型擬合，得到斜率m，即式（2）中，整理公式得到式（3）。

由上式計算得出UV膜的彈性模量［6-11］。

2 結(jié)果與討論

試驗中，壓縮附件直徑D=254 mm，壓縮附件表面積S=506.707 mm2，UV膜厚度L=0.1 mm。

2.1 試驗試樣厚度對試驗的影響

2.1.1 單層UV膜的彈性模量測試。在單層測試中，由于膜的厚度太薄，數(shù)據(jù)不易測得，且單層UV膜在測試時由于壓力的作用發(fā)生快速形變，而在形變后如果持續(xù)壓力作用，對試驗器材將會產(chǎn)生損耗。

2.1.2 兩層UV 膜的彈性模量測試。兩層UV膜在測試時，相較于單層得到的試驗曲線會更加連續(xù)穩(wěn)定，由于厚度仍較薄，測試時仍會發(fā)生較快的形變，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)值過大，見表1試驗次數(shù)1與試驗次數(shù)4。

表1 兩層UV膜測試次數(shù)與對應(yīng)的彈性模量

試驗次數(shù)與相應(yīng)的彈性模量對比情況如圖2所示。由圖2 可知產(chǎn)生誤差試驗的次數(shù)較多，并且數(shù)值之間差距較大。經(jīng)過比較壓縮附件的彈性模量，發(fā)現(xiàn)與偏大的數(shù)值近似。這是因為測試時壓縮UV膜過快，導(dǎo)致分析試驗曲線時選取的區(qū)間為壓縮附件的數(shù)值區(qū)間。

圖2 兩層UV膜的試驗次數(shù)與彈性模量對比

將偏大的數(shù)值去除，并進(jìn)行試驗補(bǔ)充，得到的數(shù)值見表2，計算得到的平均值為16 349 199 Pa。

表2 勘誤后兩層UV膜測試次數(shù)與對應(yīng)的彈性模量

2.1.3 三層UV 膜的彈性模量測試。三層UV膜的試驗數(shù)據(jù)與兩層類似，仍有較多的誤差試驗。表3 中試驗次數(shù)2 與試驗次數(shù)6，數(shù)值偏大，與壓縮附件的彈性模量近似。再將數(shù)據(jù)勘誤，計算平均值為1 636 440 Pa。

表3 三層UV膜測試次數(shù)與對應(yīng)的彈性模量

2.1.4 四層UV 膜的彈性模量測試。四層UV膜測得的數(shù)據(jù)見表4，由于沒有發(fā)生誤差試驗，導(dǎo)致數(shù)據(jù)過大。試驗次數(shù)與相應(yīng)的彈性模量對比如圖3所示，數(shù)據(jù)之間相差較小。相比兩層與三層測得的結(jié)果，四層測得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確且穩(wěn)定，過程中對曲線二次擬合的擬合準(zhǔn)確度也較高。計算平均值為16 507 706 Pa，對比兩層所得到的彈性模量平均值16 349 199 Pa 與三層所得到的彈性模量平均值163 644 Pa，數(shù)值近似。

表4 四層UV膜測試次數(shù)與對應(yīng)的彈性模量

圖3 四層UV膜的試驗次數(shù)與彈性模量對比

而如果使用五層以上UV膜進(jìn)行試驗，通過試驗測得平均值為16 352 843 Pa，相比四層的測得結(jié)果幾乎一致，說明四層及以上時，可以獲得穩(wěn)定且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。而五層的試驗由于試驗成本的消耗會更大，綜合比較，使用PASCO材料測試儀進(jìn)行UV膜彈性模量測定試驗時，四層的試樣最有利于試驗的完成。

2.2 UV膜照射時間的影響

UV 膜在粘貼時需要紫光燈照射，而在紫光燈照射完全后會穩(wěn)定固化于物品表面。大部分UV膠在紫外線下固化5～10 s就可達(dá)到表面固定，而完全固化的時間受到紫外線燈的功率、照射時間的影響，一般20～30 s后可以完全固化［12］。

試驗使用紫外線燈照射時，是通過來回掃射進(jìn)行的，所以可能會出現(xiàn)各部分受照射時間不相同的情況，即照射不均勻。為了在試驗時獲得準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)，需要通過不同的照射時間與對應(yīng)的彈性模量來探究照射時長試驗最為穩(wěn)定。當(dāng)試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定時，即表示各部分彈性模量數(shù)據(jù)基本一致，從而可以推導(dǎo)出固化穩(wěn)定的照射時間。由2.1所得出的結(jié)論，試樣的層數(shù)為四層。

2.2.1 60 s 以內(nèi)的照射時間。在照射時間低于10 s 時，膜與手機(jī)模型容易發(fā)生相對滑動，所以從10 s 以上開始測量。由表5 可以看出，各照射時間對應(yīng)的手機(jī)膜彈性模量不同，對比情況如圖4 所示。當(dāng)照射時間在40 s 及以上時，相同照射時間的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，如圖4 試驗1 與試驗2 之間的對比。但是不同照射時間的數(shù)據(jù)仍有差距，所以當(dāng)照射時間較短時，試驗測得的彈性模量不準(zhǔn)確且不穩(wěn)定。

表5 60 s以內(nèi)的照射時間與對應(yīng)的彈性模量

圖4 各照射時間對應(yīng)的彈性模量對比

2.2.2 60 s 以上的照射時間。當(dāng)照射時間大于60 s 時，UV 膜已完全固化在手機(jī)模型表面，得到的數(shù)據(jù)見表6。此時通過圖5 試驗1 和試驗2 之間的對比可知，相同照射時間對應(yīng)的數(shù)據(jù)已經(jīng)穩(wěn)定。在試驗時，測得60～80 s的彈性模量數(shù)據(jù)已穩(wěn)定，所以不進(jìn)行80 s 之后數(shù)據(jù)的測量，試驗測得的UV 膜彈性模量趨于穩(wěn)定。

表6 60 s以上照射時間與對應(yīng)的彈性模量

圖5 各照射時間對應(yīng)的彈性模量對比

綜上，對UV 膜固化時，進(jìn)行60 s及以上的均勻照射，不同照射時間對應(yīng)的彈性模量數(shù)值幾乎沒有變化。

3 結(jié)語

本試驗采用PASCO 材料測試儀對UV 膜的彈性模量測試進(jìn)行研究。采用PASCO 材料測試儀測試UV膜的彈性模量時，需要選擇合適的厚度，過于薄型的試驗試樣會導(dǎo)致無法測量或容易產(chǎn)生較大的誤差。試驗比較了單層、兩層及四層試樣的彈性模量測試數(shù)據(jù)，四層的測試結(jié)果較為穩(wěn)定。

另外，在進(jìn)行UV膜的固化時，如果采用紫外線燈掃射的方法進(jìn)行照射，容易出現(xiàn)各部分照射時間不同的情況，這將影響UV 膜的固化效果。紫外燈照射60 s 以上的UV 膜彈性模量測試數(shù)據(jù)幾乎一致，即已經(jīng)完全固化。但是60 s 以上的照射時間對紫外線燈及能源消耗更多，試驗數(shù)據(jù)差別不大，所以60 s的照射時間最為合適。