1、應(yīng)用背景介紹
PI膜(聚酰亞胺膜)指主鏈上含有酰亞胺環(huán)(-CO-N-CO-)的一類聚合物，是綜合性能最佳的有機(jī)高分子材料之一。其耐高溫達(dá)400°C以上，長(zhǎng)期使用溫度范圍-200～300°C，部分無(wú)明顯熔點(diǎn)，高絕緣性能，103赫茲下介電常數(shù)4.0，介電損耗僅0.004～0.007，屬F至H級(jí)絕緣。PI加熱片可提供各種形狀、規(guī)格和功率大小的撓性電加熱板,厚度僅0.25mm,可以根據(jù)工件的形狀任意彎曲，確保與工件接觸緊密，保證的熱能傳遞。
聚酰亞胺作為一種特種工程材料，已廣泛應(yīng)用在航空、航天、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領(lǐng)域。上世紀(jì)60年代，各國(guó)都在將聚酰亞胺的研究、開發(fā)及利用列入 21世紀(jì)最有希望的工程塑料之一。聚酰亞胺，因其在性能和合成方面的突出特點(diǎn)，不論是作為結(jié)構(gòu)材料或是作為功能性材料，其巨大的應(yīng)用前景已經(jīng)得到充分的認(rèn)識(shí)，被稱為是"解決問(wèn)題的能手"(problem solver)，并認(rèn)為"沒有聚酰亞胺就不會(huì)有今天的微電子技術(shù)"。
如何測(cè)試PI膜在一定溫度環(huán)境下的屈服強(qiáng)度、延伸率、泊松比、楊氏模量等力學(xué)性能，并且在測(cè)試過(guò)程可以觀察到PI膜的斷裂過(guò)程，這些參數(shù)是制定柔性電子制造過(guò)程工藝關(guān)鍵參數(shù)。一般情況下，該類測(cè)試載荷精度要求較高，且樣品小，在進(jìn)行屈服、強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性能測(cè)試時(shí)，更重要的是保證溫度的冷熱環(huán)境，且還需配備DIC或視覺引伸計(jì)。文天精策儀器科技(蘇州)有限公司研發(fā)的冷熱原位拉伸測(cè)試系統(tǒng)可以解決該類小尺度變溫環(huán)境的的測(cè)試。
2、冷熱原位拉伸顯微測(cè)試系統(tǒng)介紹
冷熱原位拉伸測(cè)試系統(tǒng)主要應(yīng)用于小尺度的相關(guān)的生物、金屬、陶瓷、涂層、玻璃、有機(jī)聚合物、纖維等各種材料科學(xué)研究，可實(shí)現(xiàn)溫度范圍-190~600℃，溫控精度±0.1℃，最大載荷5kN。冷熱原位拉伸測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)獲取材料動(dòng)態(tài)載荷下，形變和溫度等數(shù)據(jù)，并結(jié)合DIC或視頻引伸計(jì)聯(lián)用進(jìn)行材料微觀結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了定量分析材料微觀力學(xué)性質(zhì)、相變行為、取向變化、裂紋萌生和擴(kuò)展、材料疲勞和斷裂機(jī)制、材料彎曲、高溫蠕變性、分層、形成滑移面以及脫落等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)各種材料性能的研究。
a.可適應(yīng)多種材料測(cè)試，可用于金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、高分子、纖維復(fù)合涂層等多個(gè)學(xué)科的材料科學(xué)研究；
b.變溫范圍寬，可實(shí)現(xiàn)-190~600℃，溫控精度±0.1℃；
c.載荷加載功能多，可更換多種專用夾具，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試樣品的拉伸、擠壓、彎曲測(cè)試等；最大拉伸載荷5kN，載荷精度0.5%；
d.視覺系統(tǒng)非接觸測(cè)量，避免接觸對(duì)測(cè)量的影響；
e.亞像素級(jí)精度，圖像相關(guān)法，計(jì)算精度高；
f.多方向同測(cè)，對(duì)縱、橫向應(yīng)變同時(shí)計(jì)算；
g.多點(diǎn)對(duì)共測(cè)，適用于多試樣、多標(biāo)段測(cè)試。
圖1視頻引伸計(jì)(顯微版)
視頻引伸計(jì)采用非接觸式測(cè)量方式，對(duì)于試樣的大小、材質(zhì)等限制較小，非常適合用于小尺寸試樣測(cè)量中使用。
3、使用方法步驟
在柔性小尺寸試樣測(cè)試過(guò)程中，冷熱原位拉伸測(cè)試系統(tǒng)的使用方法及步驟如下：(1)通過(guò)專用的小試樣散斑噴涂裝置，制作散斑涂層。當(dāng)然，也可以通過(guò)畫線等方式制作標(biāo)記，視頻引伸計(jì)均可支持，但制作散斑涂層后面還可以擴(kuò)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。
圖2 小尺寸試樣散斑噴涂效果
(2)夾持試樣，將小試樣正常放在對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)機(jī)上夾持住。
圖3 冷熱原位拉伸測(cè)試系統(tǒng)加載試樣
圖4 小尺寸試樣使用原位臺(tái)夾持
(3)架設(shè)視頻引伸計(jì)，保證視頻引伸計(jì)和試樣的對(duì)中。在視頻引伸計(jì)的軟件中，可通過(guò)快捷鍵調(diào)出對(duì)中輔助線，幫助方便快捷的調(diào)節(jié)對(duì)中。同時(shí)，視頻引伸計(jì)軟件內(nèi)置的算法，也有消除部分對(duì)中偏差的功能。
圖5 視頻引伸計(jì)對(duì)中輔助界面
(4)選擇標(biāo)距。通過(guò)視頻引伸計(jì)將變形數(shù)值實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆囼?yàn)機(jī)上，
圖6 配合試驗(yàn)機(jī)得到應(yīng)力應(yīng)變曲線
(5)設(shè)置溫度值、拉伸速度，開始測(cè)試。一般情況下，通過(guò)溫控界面輸入目標(biāo)溫度，保持一段時(shí)間后，等待溫度穩(wěn)定后開始加載測(cè)試。冷熱原位拉伸測(cè)試系統(tǒng)會(huì)得到應(yīng)力應(yīng)變曲線，最后計(jì)算得到彈性模量、斷裂延伸率等參數(shù)。
圖7 升溫曲線
圖8 溫度波動(dòng)曲線
圖9 應(yīng)力應(yīng)變曲線
4、冷熱原位拉伸測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試優(yōu)勢(shì)
冷熱原位拉伸測(cè)試系統(tǒng)在小尺寸試樣測(cè)試中，優(yōu)勢(shì)如下：
(1)冷熱溫控范圍大，精度高，從-190~600℃范圍可保持任意溫度值，溫度波動(dòng)±0.1℃；
(2)冷熱塊緊貼測(cè)試樣品，樣品溫差小；
(3)可更換多種專用夾具，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試樣品的拉伸、擠壓、彎曲、疲勞測(cè)試等；拉伸載荷200N~5000N，可更換測(cè)試量程；
(4)系統(tǒng)軟件提供多種模式的材料檢測(cè)模式，溫度、載荷、位移閾值設(shè)置，曲線生成、三維圖像生成，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、多種格式輸出。
(5)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，占用空間??；
(6)視覺引伸計(jì)最高分辨力0.2μm，精度高于1μm。
(7)可擴(kuò)展應(yīng)變、位移云圖分析。
圖10 計(jì)算得到的位移場(chǎng)(上)和應(yīng)變場(chǎng)(下)
5、總結(jié)
冷熱原位拉伸測(cè)試系統(tǒng)可在柔性小尺寸試樣中，高精度實(shí)時(shí)獲取不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，是解決柔性小尺寸試樣變溫環(huán)境應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量問(wèn)題的較佳方案。文天精策儀器科技(蘇州)有限公司針對(duì)小尺寸試樣力學(xué)試驗(yàn)中的測(cè)量難題，可為用戶提供成套解決方案，在小試樣的加載裝置、夾具設(shè)計(jì)、環(huán)境控制等方面均有相關(guān)解決方案。
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