使用數字圖像相關法測定PDMS彈性體軸向和剪切力學響應與泊鬆比

聚二甲基矽氧烷（PDMS）彈性體(ti) 因其具備柔性、光學透明性、不燃性、化學穩定性、無毒、生物相容及成本低廉等優(you) 異特性，在柔性傳(chuan) 感器、電子元件光學係統與(yu) 生物力學等領域得到了廣泛的應用。在這些應用中，PDMS構件常處於(yu) 複雜的多軸應力狀態並伴隨大變形行為(wei) 。為(wei) 實現對軟材料在實際工況下的合理選型，準確表征並預測PDMS在不同變形模式下的應力-應變響應具有重要意義(yi) 。為(wei) 此，印度理工學院Satya Pal和Abir Bhattacharyya使用非接觸式圖像數字相關(guan) （DIC）技術對有限應變下試樣表麵的應變場進行了準確測量，討論了變形模式對其應力-應變響應的影響，並在此基礎上確定了PDMS的泊鬆比隨應變的演化規律。

本文首先在單軸壓縮、單軸拉伸與(yu) 簡單剪切變形模式下進行了力學測試，試樣模型如圖1所示，並通過DIC獲取了PDMS在此過程中的應變場演化，如圖2至圖4所示。結果表明，DIC技術可以較好地描述PDMS在不同變形模式下的應變場隨加載時間的演化規律。

圖1 試樣模型

圖2 單軸壓縮工況下軸向應變隨時間演化

圖3 單軸拉伸工況下伸長應變隨時間演化

圖4 簡單剪切工況下剪應變隨時間演化

基於(yu) 上述應變場測量結果，本文研究進一步獲得不同固化劑占比的PDMS在單軸壓縮、單軸拉伸和簡單剪切工況下的應力-應變關(guan) 係曲線，如圖5所示。結果表明，固化劑占比越高，PDMS的表觀模量越大。不同變形模式下PDMS的力學行為(wei) 存在較大差異，單軸壓縮工況下非線性行為(wei) 顯著，應變硬化行為(wei) 占主導地位；簡單剪切工況下PDMS表現出近似線彈性的應力-應變關(guan) 係；而在單軸拉伸下，當固化劑占比較高（10:1）時，PDMS呈現出先軟化後硬化的非線性響應，而在固化劑占比較低時僅(jin) 表現出應變軟化。這一現象可能與(yu) 本文所研究的中等應變範圍有關(guan) 。

圖5 不同變形模式下PDMS的應力-應變關(guan) 係

最後，本文通過單軸拉伸試驗中的應變場數據直接獲得了PDMS的泊鬆比隨應變的演化規律，如圖6所示。結果表明，泊鬆比與(yu) 應變率、固化劑占比無關(guan) ，平均值為(wei) 0.44左右。本文基於(yu) 線彈性假設分別獲得PDMS的楊氏模量與(yu) 彈性模量，推導出泊鬆比數值，與(yu) 直接通過應變場獲取的泊鬆比結果相近。 PDMS在小應變下表現為(wei) 不可壓縮固體(ti) ，且可以通過線彈性模型描述其力學行為(wei) 。

圖6 PDMS泊鬆比隨拉伸應變的演化

綜上所述，本文使用DIC測量了PDMS在三種典型變形模式下的表麵應變場，並分別基於(yu) 線彈性假設和直接應變測量確定了泊鬆比的大小。結果表明，PDMS在不同變形模式下的力學行為(wei) 存在顯著差異，在小變形條件下可視為(wei) 線彈性固體(ti) 。需要指出的是，由於(yu) 本文的應變研究範圍未超過40%，PDMS的應變硬化行為(wei) 未充分顯現。因此，在建立大變形條件下的非線性本構模型時，仍需開展更大應變水平的實驗研究，而在這種大應變條件下，DIC方法的適用性可能受限。

相關(guan) 論文以“Measurement of axial and shear mechanical response of PDMS elastomers and determination of Poisson’s ratio using digital image correlation"為(wei) 題發表在《Polymer Testing》。