【摘要】 众所周知，薄膜的性质可能与本体性质截然不同。

目前需要测量薄膜物理性质的新方法。特别是，目前在科学文献中，报道的材料在这些维度上的机械性能存在争议。因此，有必要提出测定薄膜力学性能的技术，如弹性模量、泊松比和强度。由于与小体积相关的独特性质，材料在微观和纳米尺度上的性质引起了人们的极大兴趣。这些独特的特性增加了薄膜和纳米结构材料在多种技术应用中的重要性。

 

目前，聚合物衬底上的柔性电子器件正被开发用于许多应用，如电子纺织品和类纸显示器。由于用作衬底的柔性材料，这些电子器件通常会受到高的外部应力和大的应变。

 

众所周知，薄膜的性质可能与本体性质截然不同。因此，了解纳米结构材料的机械性能对于获得功能性和可靠的电子器件至关重要。已经提出了不同的方法来研究这些薄材料的机械性能。

 

最常见的方法是基于X射线衍射、干涉测量和最近的纳米压痕。这些方法通常需要复杂的仪器，并且不强制使用传统的机械性能定义，而传统的机械特性定义是根据传统的拉伸测试来定义的。

 

Huerta等人[1]提出在体几何中，通常获得机械性能通过拉伸测试，存在不同的商用机器来表征散装材料。拉伸试验是研究材料力学性能的一种有效方法，也是一种公认的大块样品表征技术。

 

然而，Kulyasova等人[2]提出由于样品的尺寸较小，拉伸测试不容易对微米和纳米结构材料进行。目前，有这些用于薄膜几何形状材料的测试机，但它们很昂贵，而且进行修改的灵活性有限。

 

该测试机被设计用于确定薄材料的应力-应变曲线，例如聚合物，特别是沉积在聚合物基底上的金属膜。图1显示了设计装置的3D插图，总尺寸为15厘米宽、55厘米长和45厘米高。该设备能够分析长度不超过10厘米的样品。机械设计最大限度地减少了主机架、传动螺杆以及可移动十字头和传动螺杆之间的相对运动带来的载荷影响。

 

试验机主要由不锈钢制成，除了一些摩擦元件，如齿轮，由青铜制成。主框架包括放置齿轮箱的矩形底座、固定十字头和两个垂直平行的立柱。驱动系统包括一个可变速的步进电机。

 

齿轮箱由一个蜗杆轴和两个蜗轮组成，蜗轮移动两个驱动螺钉。活动十字头由底部握把、两个带内螺纹的锥形紧固件工具和一个可调节的锥形环集成在一起。当活动十字头沿着驱动螺钉移动时，圆锥形紧固件工具为活动十字头提供稳定性。

 

图1 通用测试机的三维视图

 

为了实现高分辨率的测量，该设备包括一个用于控制速度和扭矩的步进电机。驱动系统的位移小至0.001毫米，速度在0.001至0.1毫米/秒之间。两个不锈钢把手（一个固定在负载上另一个在可移动十字头上）来保持样品。夹具的表面设计光滑，以避免损坏柔软而薄的样品。

 

每个夹具由一个固定部件和一个用两个螺钉连接的活动板组成，以均匀地按压样品。这种夹持系统避免了拉伸试验过程中样品和夹具之间的滑动。这种通用测试机的设计允许更换不同的零件，如称重传感器、夹具和传动螺钉，以满足用户的要求。图2显示了通用测试机的照片。应力应变数据通过GPIB接口采集并保存在数据文件中，GPIB接口由LabView 7.0中编程的自制协议控制。

 

图2 万能试验机

 

[1] Huerta E, Corona J E, Oliva A I, et al. Universal testing machine for mechanical properties of thin materials[J]. Revista mexicana de física, 2010, 56(4): 317-322.

[2] O. Kulyasova, R.K. Islamgaliev, B. Mingler, and M. Zehetbauer. Mat. Sci. Eng. A 503 (2009) 176.

 

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