薄膜材料雙軸力學性能研究

摘 要：歷經幾十年的發展，膜結構已被廣泛應用于建筑行業，但其工程安全事故卻屢有發生，因此，對膜材料的進一步研究是十分必要的。為了進一步探索薄膜材料的性能，發揮其在工程中的應用價值，本文首先總結薄膜材料雙軸力學性能研究的意義，然后通過膜材靜力與沖擊試驗分析薄膜材料雙軸力學性能，以期能夠為相關工作者提供參考。

關鍵詞：薄膜材料；雙軸力學性能；實驗分析文章編號：2095-4085（2024）06-0194-03

1 薄膜材料雙軸力學性能研究的意義

膜結構作為一種輕質低剛度結構，在強風、強降雪、冰雹等自然災害中易發生災害，對人民生命財產安全產生嚴重威脅。目前，國內對膜結構的研究剛剛起步，與國外相比有很大的差距，特別是針對膜結構的抗風問題，更是鮮有報道。膜結構是一種與傳統結構形式相比較的結構形式。

作為一種柔性材料，膜結構的與拉應力和其剛度有著十分密切的關系，如果初始與拉應力足夠大那么膜結構抵抗外部荷載的剛度也較大。膜結構具有良好的抗風壓和抗風能力，在應用中主要受風、雪、冰雹等外部荷載的作用，進而導致膜面受力發生結構變形，只有提高薄膜材料的抗彎性和抗外荷能力才能保證其高效使用。當外界載荷過大時，導致薄膜拉應力超過薄膜材料所能承受的極限抗拉強度，薄膜材料可能發生變形，薄膜結構失穩甚至撕裂。同時，由于溫度的變化和外加荷載的作用，薄膜的受力狀態也會發生改變。當薄膜受到沖擊載荷作用時，薄膜結構將呈現出隨機振動特性，從而引起薄膜的徐變與松弛。由于溫度、濕度等因素的影響，膜結構的熱脹冷縮和應力集中也是影響膜結構性能的重要因素。因此，為進一步優化建筑膜材結構，減少工程事故發生風險，掌握膜材受力狀態下的力學性能，對于膜材的力學性能研究顯得尤為重要。

2 膜材靜力與沖擊試驗

2.1 薄膜裁剪制作

2.1.1 膜材制作設備

PVC膜片熱合、PTFE膜片熱合、PVC膜材料便攜式焊槍、PTFE膜材料便攜式焊槍和高頻焊機是當前薄膜試驗材料制作常用的材料和設備設施。

相比焊槍和焊機，高頻焊機具的應用有著諸多特點，比如有著十分廣泛的應用范圍，加工后的試件壓邊平整，有著較高的工作效率，不過該設備使用成本相對較高。目前國內使用的高頻焊機主要用于大型建筑膜結構的焊接。高頻焊機廣泛應用于建筑膜結構、帳篷、遮陽蓬、停車棚等工程中。高頻焊機主要由高頻焊機、高頻電源、脈沖發生器、電極架、工作臺、冷卻、送絲、控制檢測等系統組成。高頻焊機的工作機理是在焊機上、下電極間產生高頻率變化的磁場，這種連續變化的磁場會引起薄膜內分子間的摩擦發熱，再由機械加壓及模具配合，達到熔接效果。目前，國外已經研制了多種型號的高頻焊機。膜結構熔接機是一種高頻設備，在膜結構領域有重要應用價值，是膜結構焊接的常用設備。

2.1.2 膜材的裁剪制作

本實驗采用手工裁剪方式制作膜材，檢測人員通過排料、放樣畫線、試件碼、劃線檢查及實際裁切制作一定規格的膜材。在排料過程中，裁剪人員按裁切圖上畫出的裁切片，根據薄膜材料卷的長寬合理地排列，達到最佳效果。放樣繪圖完成后要做劃線記號并粘貼膠帶。放樣畫線時，按圖放樣，劃線后還要做自檢、互檢。在自檢過程中，應注意檢查尺寸段間的相互關系。畫線檢查的主要內容是對已標定的樣件再檢查一遍，其主要目的是檢驗樣件的精度及標注的正確性。畫樣板時，先按尺寸要求畫出等長的試塊圖，再在樣板上畫出所需的線框圖或線段。在最終裁斷試樣前，必須反復檢查，以確定其精度。切割時要確保尺寸精度和外觀質量。采用 PVC手提式焊槍及高頻焊接設備對剪切試樣進行壓邊燒結，對經檢查合格的試件進行編號。

工作人員進一步加工經過熱合壓好邊的試件。在此次試驗中，采用螺栓連接試驗試件和夾板。工作人員用打孔工具在試件指定位置進行打孔，為達到保護效果，加工人員可以選擇塑料砧板等較好的塑料制品作為打孔沖子、沖子保護墊。

2.2 雙軸試驗實施

為了順利地完成薄膜材料的雙軸試驗，實驗人員按照如下步驟進行操作：

（1）利用螺栓穿過上夾板和下夾板對已切割樣品的四個端面進行固定，并將樣品固定于支撐裝置的首層以確保樣品放置平整。

（2）通過鋼絲繩與緊繩器橫向連接，使試樣x向一端與支撐裝置固定，另一端夾板通過鋼絲繩與手動絞盤S型拉力傳感器相連，手動絞盤通過螺栓與支撐裝置末端固定。

（3）通過鋼絲繩和緊繩器，將試驗件在y方向的一端夾板與支撐裝置進行水平連接。同時，用鋼絲繩將試樣的另一端夾板與S型拉力傳感器在手動絞盤上進行水平連接，并在支撐裝置的端部固定手動絞盤。

（4）固定試件，并將三腳架穩定地安裝于試件下放，試驗人員調整三腳架托盤中的激光位移傳感器，同時調整托盤高度，最終保證激光位移傳感器能精確測量試樣所產生的位移并保證能滿足試樣位移要求。

（5）利用螺栓將夾板充分固定后借助緊繩器移動試件，確保試件按照操作規范設置于支撐裝置上，試驗人員分別對x、y方向上的絞盤進行旋轉從而確保兩個方向的預張力保持一致。

（6）通過緊繩器調整最終張拉好的試件，確保其能夠在支撐裝置的中心位置。

（7）將激光位移傳感器開啟，做好激光位移傳感器水平位置的合理調整，確保激光能夠和張緊后的試件測點位置對準。

（8）通過預試驗明確測試設備、試件受力情況能夠滿足試驗要求，如果可以滿足試驗要求，那么可以按照上述步驟正式進行試驗檢測。預實驗所得的數據可以不保存。

（9）通過預實驗將試驗流程確定，然后開始正式試驗。正式試驗中按照從小到大進行五級施壓的方式施加與張力，在某一級有著穩定的張力后，利用傳感器采集并整理相關試驗數據，之后借助沙袋進行施壓，逐層增加沙袋，檢測人員對每次加壓后的數據進行細致地檢查記錄，在得到準確數據后可以卸掉均布荷載。

（10）第二塊、第三塊試件按照和上述步驟相同的方式進行測定。

（11）試驗人員在測定薄膜材料的均布荷載數據后進行絞盤轉動并施加下一級的預張力，做好相關數據信息的采集整理，以此方式逐步施加其他級預張力均布荷載。

（12）完成試驗后，關閉電源并釋放預張力。

在該試驗中，檢測人員需要按照五級逐步進行荷載的施加，荷載主要為10kg的沙袋，按照從小到大、三層分別施加壓力的方式進行操作。每次完成預張力施加后工作人員都要及時施加均布荷載。試驗人員在采集到相關數據信息后還要對檢測結果進行細致地分析和討論，繪制曲線圖，直觀地觀察薄膜材料的雙軸力學性能。

3 試驗結果分析與討論

3.1 整理后的數據及分析

實驗人員布置了A、B、C、D四個雙軸試驗的試件測點，不過沒有采集全C、D兩點的激光位移位所以選取A、B兩點的采集結果進行分析。

如圖1所示為位移與預張力的關系曲線。從圖1可以看出，在保證膜材尺寸和厚度不變的前提下，預張力大小的增大會導致張拉膜的膜面位移逐漸減小。

在保持膜材尺寸和厚度不變的前提下，均布荷載大小會影響張拉膜的膜面位移，當均布荷載增大，張拉膜的位移也隨之增大。

均布荷載、預張力等多種因素會影響膜材的位移。在不考慮彈性模量和膜材邊長的前提下，假設

k2=qσ0

擬合后得到擬合結果如圖4所示，擬合公式如式（1）。

ωmax=0.008 34lnqσ0+0.090（1）

σ0為薄膜的預應力，σ0=N/h，其中N為預張力，h為膜材厚度。

即表示膜面中心點位移與均布荷載、預張力之間的關系。

通過擬合結果可知，調整后擬合結果誤差降低。

3.2 結論

試驗人員通過薄膜材料雙軸力學性能分析發現，在不計算薄膜尺寸、彈性模量并且荷載均布的前提下，如果相對張力很小，那么薄膜的豎向位移會隨著薄膜均布荷載增加而逐漸呈現出線性增加的現象，隨著張力增大位移-均布荷載曲線的斜率會呈現出逐漸減小的趨勢。

4 結語

薄膜材料隨著現代科學技術的進步得到了非常快速的發展，當前在航空航天、機械設備、電工電子等多個行業都開始使用薄膜材料。目前常用的膜結構形式有預應力膜結構與張拉膜結構。張拉膜結構具有結構柔軟、重量輕、造型美觀等優點，非常適用于大跨空間結構的設計，被廣泛應用于大型建筑結構中。由于薄膜材料較薄，剛性好，因此，當受到較大的外力作用時，薄膜不易變形或損壞。薄膜材料是一種柔性材料，具有較低的剛度，只有在施加合適的預拉力時，才能有效的抵抗外界載荷。當膜結構受到較大外力作用時，膜面將產生較大的撓度及內力，因此，應通過合理的設計計算，保證膜面張拉力能滿足使用要求。為了進一步發揮薄膜材料的應用價值，拓寬薄膜材料的應用范圍，將薄膜應用中發生問題的概率降低，相關工作者應不斷創新優化，提高薄膜材料的力學性能，發揮該材料的應用價值。

參考文獻：

［1］黃岳峰，馬麗莎，張莉莉，等.木質纖維素復合生物質薄膜材料的功能化應用研究進展［J］.化工進展，2022，41（9）：4840-4854.

［2］谷鑫磊，張侃，文懋，等.過渡族金屬輕元素化合物薄膜強韌化的研究進展［J］.中國材料進展，2021，40（3）：167-177，188.

［3］蘇占偉，孟正華，王輝，等.溫度和應變率對模內嵌膜片材力學性能的影響［J］.塑料科技，2019，47（1）：65-71.

［4］郝芯.MEMS材料力學性能的測試方法研究［J］.科技經濟市場，2018（9）：5-6.

［5］張馨月，劉長勝，夏英，等.改性納米碳酸鈣在PVC軟質薄膜材料中的應用［J］.現代塑料加工應用，2018，30（3）：46-49.

［6］沈自才，牟永強，張帆.航天薄膜材料力學性能評價及誤差分析研究［J］.真空與低溫，2014，20（5）：263-266，293.