CellScale BioTester雙軸力學(xué)試驗(yàn)機(jī)表征機(jī)翼蒙皮乳膠材料的機(jī)械性能

變形飛機(jī)不斷調(diào)整其機(jī)翼幾何形狀，以在各種飛行條件下實(shí)現(xiàn)最佳飛行特性。變形飛機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一是開發(fā)能夠促進(jìn)變形的蒙皮，同時(shí)保持機(jī)翼的空氣動(dòng)力學(xué)形狀。軟聚合物材料因其可在多軸方向上發(fā)生大變形和非常低的剛度而被廣泛應(yīng)用。來自哈利法科學(xué)技術(shù)大學(xué)(Khalifa University)的Rafic M. Ajaj團(tuán)隊(duì)，表征了乳膠蒙皮在所有可能模式下的變形，例如單軸、純剪切、雙軸和等雙軸，以考慮單晶型和多晶型應(yīng)用。還研究了應(yīng)變率、厚度和長(zhǎng)徑比對(duì)磁滯損失、應(yīng)力松弛和剛度的影響。

全面了解乳膠蒙皮在不同變形模式下的非線性粘彈性行為以及大變形下的明顯耗散損失，為模擬整個(gè)耦合變形翼結(jié)構(gòu)（剛性和軟性）鋪平道路，所以需要在所有可能的變形模式下對(duì)這類材料進(jìn)行全面表征。

在單軸(UX)，純剪切(PS)，雙軸(BX)和等雙軸(EB)變形模式下測(cè)試乳膠的雙軸測(cè)試設(shè)備，最大應(yīng)變?yōu)?0%。每個(gè)夾具由五個(gè)間距1 mm的小鎢(W)齒組成。將每側(cè)五個(gè)等距的尖齒插入試樣中。每個(gè)齒的直徑為305 μm，穿刺深度為1.9 mm。在初始試樣上手動(dòng)標(biāo)記矩形，當(dāng)試樣發(fā)生變形時(shí)，會(huì)檢測(cè)到真實(shí)的應(yīng)變。

對(duì)于雙軸試驗(yàn)，取正方形試樣，邊長(zhǎng)7mm。使用剪刀將試樣切割成所需的尺寸。夾具安裝在拐角處，以實(shí)現(xiàn)夾具與夾具之間的距離為6 mm，用紙包裹以防止打滑。選擇用于測(cè)試的材料是乳膠皮。乳膠是一種天然橡膠基半透明聚合物。這些板材采用高質(zhì)量的表面處理，對(duì)各種材料具有出色的粘附性能。

在1.66%/s的固定應(yīng)變率下，不同厚度的UX、PS、BX和EB變形模式的加卸載曲線。對(duì)于雙軸，Y方向應(yīng)變率(BX-Y)為X方向應(yīng)變的50%，即0.83%/s。使用三種厚度(0.25，0.50，1.05 mm)的乳膠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。磁滯損耗是粘彈性材料的典型行為，由多余能量的耗散引起。多余的能量是由于在裝卸循環(huán)中周圍和乳膠皮之間的熱傳遞而產(chǎn)生的。當(dāng)加載時(shí)，乳膠的分子鏈、纏結(jié)和交聯(lián)變得更加定向。這降低了隨機(jī)性，從而減少了產(chǎn)生加熱效應(yīng)的材料熵。另一方面，在卸載過程中，鏈和糾纏的隨機(jī)性增加，從而增加了熵。因此，它變得更冷，因此從環(huán)境中吸收熱量以達(dá)到平衡溫度。周圍環(huán)境和材料之間的這種傳熱會(huì)導(dǎo)致滯后損失。

隨著厚度的增加，特定應(yīng)變下的應(yīng)力不斷減小。這主要是由于兩個(gè)原因。一是對(duì)于較薄的片材，乳膠的橫截面積較小。因此，施加在厚板上的力值相同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更多的應(yīng)力。第二個(gè)原因是，與較厚的鏈相比，薄片中的鏈和交聯(lián)數(shù)量較少。因此，薄材料內(nèi)部的鏈條被迅速拉伸，與厚板相比，需要更大的力才能達(dá)到特定的應(yīng)變。

試樣以0.018/s的固定應(yīng)變速率拉伸50 s以達(dá)到約80%應(yīng)變，然后保持600 s以達(dá)到平衡狀態(tài)。然后以相同的應(yīng)變率將其帶回原始位置以完成測(cè)試。

當(dāng)有負(fù)載時(shí)，鏈之間的隨機(jī)性和內(nèi)摩擦和交聯(lián)減少。在較高的應(yīng)變率下，鏈、纏繞和交聯(lián)沒有足夠的時(shí)間放松。由于材料的這種粘彈性，在較高的應(yīng)變率下變得更硬。這種現(xiàn)象在較高的應(yīng)變率下會(huì)導(dǎo)致更多的滯后損失。彈性模量（剛度）也隨著應(yīng)變率的增加而增加。

總之：純剪切變形模式產(chǎn)生的滯后損失和應(yīng)力松弛最小。另一方面，雙軸模式創(chuàng)造了最高的剛度。滯后損失隨應(yīng)變率的增加而增加，但隨長(zhǎng)寬比而減小。同樣，變形中的主要機(jī)械性能，如滯后損失、應(yīng)力松弛、割線彈性模量和特定應(yīng)變下的應(yīng)力，隨厚度而明顯下降。這種類型的柔性材料更適合單晶型機(jī)翼應(yīng)用，其中由于剛度較低，需要較少的驅(qū)動(dòng)力。就自由度而言，平面變形似乎是乳膠蒙皮最有前途的應(yīng)用。

研究論文以"Multiaxial mechanical characterization of latex skin for morphing wing application"為題，發(fā)表在《Polymer Testing》雜志上。

doi: 10.1016/j.polymertesting.2021.107408