微米尺度纤维材料扭转力学性能测试方法与实验研究

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随着微机电系统的不断发展,研究微尺度材料的力学性能已成为热点领域之一。为了研究微尺度纤维/丝的扭转力学性能,本文提出一个基于扭秤法的微扭转实验装置与一个基于图像处理技术的扭摆实验装置。  为了得到微尺度材料的静态扭转力学性能,设计了一个新的基于扭秤法的微扭转实验装置。该装置扭矩传感器的灵敏度可调,可达到nNm级。可自动测试50到5微米左右的单根纤维/丝的扭矩-转角曲线,经过多组测量,实验重复性好。此外,提出了一个新的试件装配方法,提高了试件在扭转实验中的同轴度。本实验装置还可以精确测量纤维/丝的剪切弹性模量。采用该装置成功测量了铜丝、银丝、碳纤维的扭转力学性能。为研究蜘蛛丝材料的力学性能,两次赴云南西双版纳热带野生植物园采集Nephila pilipes蜘蛛,并成功抽取了其牵引丝作为实验材料。从牵引丝的扭矩-转角曲线中发现蜘蛛丝的扭转力学性能与金属细丝存在明显的差异。  为获得微尺度材料的扭转振动性能,设计了一个基于图像处理技术的扭摆装置。该扭摆装置由一台摄像机、悬臂支架以及三维平移台等构成。由试样丝悬挂的振子做扭摆振动。摄像机记录振子的摆动位置图像。通过自行编写的图像分析软件读取视频图像中振子随时间变化的转角数据,最后得到试样丝扭转角-时间曲线。该装置的角度测量范围不受限制,其分辨率由摄像机帧数以及图像分辨率决定。用该装置分别对铜丝、银丝、碳纤维、钨丝以及蜘蛛丝进行了实验。实验表明金属丝在扭摆实验中随着初始激励转角的增大其阻尼系数也会随之增大。钨丝的纵向剪切模量并没有随直径的增加而发生显著变化。与金属丝的扭摆振动行为不同,蜘蛛丝在第一个振动周期内其振幅衰减很大,然后在偏离原平衡位置的新平衡位置做有阻尼自由振动。
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