[发明专利]一种金属薄膜动态拉伸性能的测试装置和方法

说明书

本发明公开了一种金属薄膜动态拉伸性能的测试装置和方法，包括有试验台，试验台上依次同轴设置有能量传递杆、传递法兰、撞击管、气炮、入射杆、延伸入射扁杆、延伸透射扁杆，入射杆和延伸入射扁杆通过螺纹紧密连接，能量传递杆的外侧设置有能量吸收器，撞击管安装在气炮内，传递法兰安装在入射杆端部，延伸入射扁杆、延伸透射扁杆上均设置有应变片，延伸入射扁杆和延伸透射扁杆共面，延伸入射扁杆和延伸透射扁杆的内侧端均开设有试件粘接槽，两个试件粘接槽内通过胶粘方式粘接有金属薄膜试件。本发明可显著提高透射信号幅值，解决了透射信号弱而导致的测试结果不准确的问题，能够实现一微米至数十微米厚金属薄膜的动态拉伸性能的精确测试。

技术领域

本发明涉及金属薄膜动态拉伸测试技术领域，尤其涉及一种金属薄膜动态拉伸性能的测试装置和方法。

背景技术

金属薄膜由于其优越的性能和特殊的功能性被广泛应用于各类器件和结构中，而在其使用过程中不可避免外物的冲击和碰撞，这种高应变率的动态载荷将会导致金属薄膜发生塑性变形甚至破坏。准确获得金属薄膜的动态性能对其安全应用至关重要。由于金属薄膜厚度极薄，传统的动态测试装置和方法(主要是分离式Hopkinson杆)难以准确测试金属薄膜的动态性能。因此，发展一种适用于微米厚金属薄膜的动态拉伸性能精确测试装置和方法对金属薄膜工程设计和应用有着重要意义。

测试材料和结构高应变率性能应用最广泛的是分离式Hopkinson拉杆技术，霍普金森杆的基本原理是应力波理论，在应力波理论中，广义波阻抗Z定义为Z＝ρCA，其中ρ为材料密度，C为材料波速，A为横截面积。由于金属薄膜厚度极薄，可薄至1微米，使得传统分离式Hopkinson杆与金属薄膜试样广义波阻抗极不匹配，这会导致透射杆上的应变片检测到的信号非常微弱，甚至产生的噪声信号会直接淹没透射信号。针对透射信号太弱的问题，选择使用低广义阻抗的杆系以匹配低广义阻抗试件是解决该问题的重要方向之一。在文献1：Chen W,Zhang B,Forrestal M J.A split Hopkinson bar technique for low-impedance materials[J].Experimental Mechanics,1999,39(2):81-85，提出了一种空心透射杆，空心的结构可以减小横截面积来降低透射杆广义波阻抗。但是金属薄膜很难和空心杆结构通过简单方式连接，而且空心杆系本身端面复杂的应力也不满足一维波的假设，由此造成的误差使原本就微弱的透射信号无法用来计算金属薄膜的应力。在文献2：Wang LL，Labibes K，Azari Z，et al.Ageneralization ofsplit hopkinson bar technique tousing viscoelastic bars[J].International Journal ofImpact Engineering，1994，15(5)：669-686，提出了用聚合物杆取代传统霍普金森的金属杆，聚合物杆具有较低的弹性模量，能够提高透射信号幅值。但是，一方面聚合物材料的导热性差，电流流经粘贴在杆表面会产生热，温升会对应变片产生影响，测量会出现误差；另一方面聚合物材料是粘弹性材料，粘弹性会使应力波在传播中产生弥散效应，虽然可通过弥散修正模型来对测试结果进行修正，但是修正模型本身不可避免的会引入误差。两方面的因素产生的影响使得聚合物杆获得的信号同样不准确。在文献3：Liu J,Wang Z,Hu S.The SHPB experimenttechnology for low wave impedance porous materials[J].Journal of ExperimentalMechanics,1998,13(2):218-223，提出用半导体应变片代替传统的金属电阻应变片来测量透过低阻抗材料的透射信号，可以将信号幅值提高近两个量级，但是半导体应变片使用过程中受环境的影响较大，灵敏度系数表现为非线性，并且温度稳定性差，严重影响实验结果的准确性。在文献4：LinY,Lu F,Lu L.The application ofquartz transducer techniquein SHPB[J].Chinese Journal ofHigh Pressure Physics,2005,19(4):299，提出了在Hopkinson压杆试验中使用高灵敏度的石英压电传感器检测微弱透射信号，实验表明该技术可以提高信号幅值近3个量级，但是在Hopkinson拉杆试验中受连接形式的影响，压电传感器无法使用。