一种测量智能黏附材料黏附接触性能的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试技术领域，更具体地说是一种测量智能黏附材料黏附接触性能的试验装置及方法。

背景技术

爬壁机器人、柔性手爪、微转移印刷和电子皮肤等新兴技术的发展对黏附技术提出了更高的要求，要求其既能在特定应用场景中实现稳定可靠的黏附又能按需轻松脱附，就像壁虎和树蛙的黏附脚趾垫一样。智能开关黏附技术应运而生，该黏附技术依赖一类能够响应外界刺激的智能材料，比如，形状记忆聚合物在温度的刺激下会经历显著的刚度变化和形状记忆效应，据此可实现显著黏附增强和黏附开、关状态的切换。

智能开关黏附技术的研发离不开相应黏附测试技术的支持，然而，现有黏附测试技术所针对的测试对象主要涉及仿生微结构表面、橡胶、冰、黏性土等，例如：专利(申请号201110100523X)公开了一种测量物体间粘附力的装置及其测试方法，将粘附在一起的待测样品置于恒温箱中，保持恒温环境在离心力的作用下测量粘附力并使用高速摄像机观测分离的动态过程；专利(申请号2016101146885)公开了一种多功能仿生微结构表面测试装置，可在干燥及湿滑条件下测试仿生微结构表面的粘附力、静摩擦力、动摩擦力，并实时测量液体薄膜的厚度；专利(申请号2018103521244)公开了一种仿生黏附材料的黏附力测试装置及其测试方法，通过设置竖向移动转接单元和横向移动单元，使待测仿生黏附样品在拉力作用下进行不同剥离角度和相同剥离角度下的黏附性能测试；专利(申请号201911006808X)公开了一种粘附力测试装置及其粘附力测试方法，通过可翻转的平台，测试生物黏附材料或仿生附着装置的粘附力和摩擦力，并通过可更换的粗糙基底测试粗糙度对粘附力的影响。

但针对智能黏附材料的黏附测试装置及测试方法未见报道。若使用上述现有黏附测试装置对智能黏附材料进行黏附测试，还必须外加刺激源模块。然而，外加刺激源模块与现有的黏附测试装置往往不匹配或不兼容，这会增大测试的难度、降低测试的便利性。或者，将刺激源与试样集成在一起进行测试，然而，这会增大制样的难度和复杂度，而且，集成了刺激源的试样在测试完成后很可能就报废了，无法重复使用，这会增加测试成本。另一方面，现有黏附测试技术所公开的黏附测试方法主要获取待测试样的黏附力和黏附强度参数，很明显，测试获得的黏附性能参数信息比较单一，测试者很难据此深入理解黏附现象背后的机理。而且物体间的黏附受多个因素的影响，比如界面黏附能、材料性质、表面粗糙、实验条件和测试环境条件等，只有深刻理解这些因素对黏附的影响规律，才能更好地指导智能黏附材料的研发与应用。此外，现有黏附测试技术没有为压头和试样提供精密的调平机构，而对于面-面接触黏附测试，平表面压头与试样之间微小的倾斜角度将会对黏附测试结果产生明显影响，这不利于对测试结果的理解和解释。以上分析表明，现有的黏附测试技术不能满足对智能黏附材料黏附接触性能的测试需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种测量智能黏附材料黏附接触性能的试验装置，并提出相应的测量方法，能够为智能黏附材料试样提供可调控的温度刺激源，同时实现对压头和试样的调平，通过测试获得丰富的黏附接触性能参数信息，有助于深入理解智能黏附材料的开关黏附机理。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种测量智能黏附材料黏附接触性能的试验装置，包括：

上部压头组件；压头可拆卸地吊装在试样上方，由Z轴电动平移台与Y轴电动平移台驱动能够沿法向或切向直线位移，或到达以呈平表面状或半球形状的底端与试样上端面接触的测试零位，或测试时自测试零位相对于试样产生法向或切向直线位移，或与试样相脱离；所述压头通过双轴旋转倾斜平台可调平至以底端正对试样上端面；

三轴力传感器，用于测试时检测所述压头沿法向与切向的受力，并将力信号通过数据采集模块传递至计算机终端；

下部试样组件；试样位于所述压头下、由夹具可拆卸地夹持在电热板上端，测试面朝上，所述试样绕X轴与Y轴的倾角通过XY轴手动角度倾斜平台分别可调，沿X向或Y向的位置通过XY轴手动位移平台可调；

温度单元，用于通过控制电热板的温度，实现对试样温度的调节；

湿度单元，用于为试样与压头间的黏附接触性能测试提供设定温湿度的测试环境，以及用于对温湿度的调节；

图像单元，用于对试样与压头间的黏附接触性能测试的实时图像采集；

计算机终端，所述Z轴电动平移台、Y轴电动平移台、图像单元接入并受控于所述计算机终端。

本发明的结构特点也在于：

所述试样为温敏材料制成，呈块状或片状或薄膜状，所述温敏材料为形状记忆聚合物或液晶弹性体或液态金属。

所述试样的测试面设有仿生微纳结构。

所述上部压头组件中：

压头材质为玻璃、金属、陶瓷、半导体、聚合物中的任一种；

所述Z轴电动平移台与Y轴电动平移台的行程为50毫米，分辨率为0.048微米，重复性小于4微米；

所述双轴旋转倾斜平台中的X轴手动旋转平台的行程为±5°、精度为20微米，双轴旋转倾斜平台中的Z轴手动角度倾斜平台的角度范围为±4°、分辨率为0.008°。

所述三轴力传感器的测量范围为1mN至20N，分辨率为1mN，采样频率为1600Hz。

所述下部试样组件中：

所述XY轴手动角度倾斜平台的角度范围为±4°、分辨率为0.008°；

所述XY轴手动位移平台的行程为±12.5毫米、精度为10微米；

电热板底部设隔热板。

所述温度单元设置为：

通过控制电热板的温度，使试样温度自室温至250℃的范围内可调控；

包括与电热板串联的温度控制器、可调电源，还包括与温度控制器电性连接的温度传感器；所述温度传感器由所述夹具装夹在试样与电热板之间，用于检测电热板的温度值并反馈至温度控制器，由所述温度控制器通过PID控制调节电热板的温度。

所述湿度单元设置为：

放置一有机玻璃罩，罩内空间作为测试环境，并独立于外部环境，内置有所述上部压头组件、三轴力传感器、下部试样组件、图像单元；

还包括注射泵、钢瓶、湿度发生器、温湿度传感器、温湿度记录仪；所述注射泵用于将液体泵入湿度发生器，所述钢瓶用于向湿度发生器内供入气体，通过所述湿度发生器将液体与气体充分混合并通过汽化器加热至设定温湿度的气体后，通入所述有机玻璃罩内；所述温湿度传感器用于检测测试环境内的实时温湿度值，并通过置于罩外的温湿度记录仪对温湿度值进行显示与记录；

所述湿度发生器产生的湿度范围为1-99％，精度为1％。

所述图像单元设置为：

包括位置与角度通过调节支架可调的CCD显微镜、LED光源；CCD显微镜的物镜朝向压头与试样的接触部位，用于测试过程中实时记录经显微镜放大后的压头与试样间的接触状态，以及用于实时原位观测，所述LED光源亮度可调，为环形光源，设置在CCD显微镜的物镜端，用于图像采集时的照明。

本发明同时提出了一种测量智能黏附材料黏附接触性能的试验方法，利用上述试验装置实施，包括如下步骤：

1)打开试验装置电源和计算机电源，打开计算机终端控制界面；

2)通过计算机终端控制Z轴电动平移台带动压头向下移动至底端与试样测试面即将接触的位置后停止，调节XY轴手动位移平台，将试样移动至压头底端正下方；

3)调整CCD显微镜的位置和角度至物镜朝向压头与试样的接触部位、侧视压头与试样，调节LED光源的亮度，以及调节CCD显微镜的放大倍率并聚焦后，调节双轴旋转倾斜平台和XY轴手动角度倾斜平台，使压头底端正对与试样测试面；

4)通过计算机终端控制Z轴电动平移台带动压头缓慢向下运动至与试样测试面刚好接触的测试零位，通过调节支架微调CCD显微镜的位置后，调节CCD显微镜的放大倍率并聚焦；

5)通过温度单元调节电热板的温度至预设温度值，罩上有机玻璃罩，通过湿度单元调节罩内的湿度至预设湿度值；

6)在计算机终端的控制界面设定Z轴电动平移台向下移动的位移量、移动速度以及达到预设位移量后的保持时间，Y轴电动平移台沿Y向移动的位移量、移动速度，以及Z轴电动平移台向上拉离时移动的位移量和移动速度，启动黏附接触性能测试；

7)整个黏附测试过程在Z向和Y向的力信号由三轴力传感器探测，经数据采集模块采集后传输至计算机终端实时显示、记录并存储，结合Z轴电动平移台向下和向上的移动速度以及Y轴电动平移台沿Y向的移动速度，经自动测算得到整个测试过程的力-位移-时间关系数据；

8)通过计算机终端的控制界面绘制力-时间、力-位移关系曲线，经自动测算或手动推算获得黏附接触性能参数；所述黏附接触性能参数包括法向黏附力F

9)采用Oliver-Pharr法计算有效模量E

首先，基于法向力-位移关系曲线，使用冥律函数F＝α(h-h

在最大位移h

将接触刚度S和接触面积A

10)计算法向黏附应力与切向黏附应力；

结合接触面积A

11)计算有效黏附功W

基于法向力-位移关系曲线，使用冥律函数P＝αh

使用冥律函数P＝α(h-h

借助Matlab平台的trapz梯形积分函数计算曲线中拉离段的拉开功U

将内耗f

与已有技术相比，本发明的提出弥补了现有技术的空白，为智能黏附材料的黏附测试提供了可靠且准确的试验装置及试验方法，有益效果体现在：

一是，降低了制样与测试的难度及复杂度，降低了测试成本，提高了测试便捷性与测试准确性；

本发明打破了外加刺激源模块或将刺激源与试样集成的固有思路，利用独立于试样的温度单元及电热板，为测试环境提供可调控的温度条件，利用独立于试样的湿度单元，为测试环境提供可调控的湿度条件，不仅使测试过程中温湿度可调控，还使得测试结束后刺激源与试样可重复利用，降低了测试成本、制样与测试的难度及复杂度；

并且，压头通过角度分辨率约为0.008°的双轴旋转倾斜平台可精准调平，试样通过角度分辨率为0.008°的XY轴手动角度倾斜平台与精度为10微米的XY轴手动位移平台可精准调角度与位置，使得压头与试样之间可以进行可靠的面-面接触黏附测试，避免平表面压头与试样之间因未调平形成的微小倾斜角度对黏附测试效果产生明显不利影响；

二是，测试结果更丰富与全面；

本发明测试获得的黏附性能参数信息丰富，通过单个黏附测试，即可获得法向黏附力、法向黏附应力、切向黏附力、切向黏附应力、有效黏附功、有效模量、接触面积和内耗等丰富的黏附接触性能参数信息，这极大节约了时间成本，有助于测试者进一步建立黏附力与有效黏附功、有效模量和接触面积等之间的数学关系模型，定量研究试样温度、测试环境湿度和加载条件对黏附力的影响规律，结合从侧面捕获的压头与试样之间的接触状态图像，帮助深入理解智能黏附材料的开关黏附机理；

三是，通过图像单元实现可实时原位观测与记录经显微镜放大后的压头与试样间的接触状态。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是双轴旋转倾斜平台与压头的位置关系示意图；

图3是压头转接板的结构示例图；

图4是压头的结构示例图一；

图5是压头的结构示例图二；

图6是试样装夹于电热板上的位置关系示意图；

图7是图6的侧视结构示意图；

图8是温度单元的结构示意图；

图9是湿度单元的结构示意图；

图10是力-时间关系曲线图示例；

图11是法向力-位移关系曲线图示例。

图中：

11底座；12竖板；

21压头；22Z轴电动平移台；23Y轴电动平移台；24压头转接板；

31三轴力传感器；32传感器转接板；

41试样；42夹具；43电热板；44XY轴手动角度倾斜平台；45XY轴手动位移平台；46隔热板；

51温度控制器；52可调电源；53温度传感器；

61有机玻璃罩；62注射泵；63钢瓶；64湿度发生器；65温湿度传感器；66温湿度记录仪；

71调节支架；72CCD显微镜；73LED光源；

81计算机终端；82数据采集模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1至图9，本实施例的测量智能黏附材料黏附接触性能的试验装置包括：

上部压头组件；压头21可拆卸地吊装在试样41上方，由Z轴电动平移台22与Y轴电动平移台23驱动能够沿法向或切向直线位移，或到达以呈平表面状或半球形状的底端与试样41上端面接触的测试零位，或测试时自测试零位相对于试样41产生法向或切向直线位移，或与试样41相脱离；所述压头21通过双轴旋转倾斜平台可调平至以底端正对试样41上端面；Z轴电动平移台22与Y轴电动平移台23独立或同时驱动；

三轴力传感器31，用于测试时检测所述压头21沿法向与切向的受力，并将力信号通过数据采集模块82传递至计算机终端81，数据采集模块82与计算机终端81之间通过以太网通信；

下部试样组件；试样41位于所述压头21下、由夹具42可拆卸地夹持在电热板43上端，测试面朝上，所述试样41绕X轴与Y轴的倾角通过XY轴手动角度倾斜平台44分别可调，沿X向或Y向的位置通过XY轴手动位移平台45可调；

温度单元，用于通过控制电热板43的温度，实现对试样41温度的调节，例如升温、降温和恒温调控；

湿度单元，用于为试样41与压头21间的黏附接触性能测试提供设定温湿度的测试环境，以及用于对温湿度的调节；

图像单元，用于对试样41与压头21间的黏附接触性能测试的实时图像采集；

计算机终端81，所述Z轴电动平移台22、Y轴电动平移台23、图像单元接入并受控于所述计算机终端81。

对该试验装置的结构进一步设置如下：

所述试样41为温敏材料制成，呈块状或片状或薄膜状，所述温敏材料为形状记忆聚合物或液晶弹性体或液态金属。

所述试样41的测试面设有仿生微纳结构。

各组件、单元等设置在底座11上，底座11上通过竖板12安装上部压头组件。底座11可以是精密阻尼隔振光学平台，具有隔振和调平功能。

所述上部压头组件中：

压头21材质为玻璃、金属、陶瓷、半导体、聚合物中的任一种，表面可为光滑或粗糙；

所述Z轴电动平移台22与Y轴电动平移台23的行程为50毫米，分辨率为0.048微米，重复性小于4微米；

所述双轴旋转倾斜平台中的X轴手动旋转平台的行程为±5°、精度为20微米，双轴旋转倾斜平台中的Z轴手动角度倾斜平台的角度范围为±4°、分辨率为0.008°；

Y轴电动平移台23吊装在底座11上端的竖板12上，其滑块上吊装Z轴电动平移台22，双轴旋转倾斜平台则吊装在Z轴电动平移台22的滑块上，其上吊装压头21，与压头21之间装夹三轴力传感器31。各构件之间可通过适配于结构适配的转接板转接安装，例如，压头21可螺纹装配于压头转接板24上，并通过压头转接板24与三轴力传感器31组装，三轴力力传感器也可通过传感器转接板32与双轴旋转倾斜平台组装。

所述三轴力传感器31的测量范围为1mN至20N，分辨率为1mN，采样频率为1600Hz。

所述下部试样组件中：

所述XY轴手动角度倾斜平台44的角度范围为±4°、分辨率为0.008°；

所述XY轴手动位移平台45的行程为±12.5毫米、精度为10微米；

电热板43底部设隔热板46；

XY轴手动位移平台45安装在底座11上，其上安装XY轴手动角度倾斜平台44，电热板43安装在XY轴手动角度倾斜平台44上，且之间设置隔热板46，试样41通过夹具42装夹在电热板43上端，且之间设有温度传感器53。各构件之间也可通过结构适配的转接板转接安装，此为常规设置，不做赘述；

试样41也可先制备在载玻片等导热载体上，再通过夹具42将导热载体装夹在电热板43上；如图6与图7所示，夹具42可以是两根不锈钢压条，利用不锈钢压条将试样41压装在电热板43上，不锈钢压条的两端可以通过螺栓固定。

所述温度单元设置为：

通过控制电热板43的温度，使试样41温度自室温至250℃的范围内可调控；

包括与电热板43串联的温度控制器51、可调电源52，还包括与温度控制器51电性连接的温度传感器53；所述温度传感器53由所述夹具42装夹在试样41与电热板43之间，用于检测电热板43的温度值并反馈至温度控制器51，由所述温度控制器51通过PID控制调节电热板43的温度。

所述湿度单元设置为：

在底座11上放置一有机玻璃罩61，罩内空间作为测试环境，并独立于外部环境，内置有所述上部压头组件、三轴力传感器31、下部试样组件、图像单元；有机玻璃罩61透明，便于从外部观察测试过程；

还包括注射泵62、钢瓶63、湿度发生器64、温湿度传感器65、温湿度记录仪66；所述注射泵62用于将液体泵入湿度发生器64，所述钢瓶63用于向湿度发生器64内供入气体，通过所述湿度发生器64将液体与气体充分混合并通过汽化器加热至设定温湿度的气体后，通入所述有机玻璃罩61内；所述温湿度传感器65用于检测测试环境内的实时温湿度值，并通过置于罩外的温湿度记录仪66对温湿度值进行显示与记录；

所述湿度发生器64产生的湿度范围为1-99％，精度为1％；

上述液体可以是超纯水等水溶液，钢瓶63内气体可以是干燥空气或氮气。

所述图像单元设置为：

包括位置与角度通过调节支架71可调的CCD显微镜72、LED光源73；CCD显微镜72的物镜朝向压头21与试样41的接触部位，用于测试过程中实时记录经显微镜放大后的压头21与试样41间的接触状态，以及用于实时原位观测，还可用于辅助判断压头21的调平效果与测试零位的调整，所述LED光源73亮度可调，为环形光源，设置在CCD显微镜72的物镜端，用于图像采集时的照明；

CCD显微镜72分辨率为4K，输出帧率为60FPS；

调节支架71可以选用万向支架。

计算机终端81包括用于控制Z轴电动平移台22和Y轴电动平移台23运动、用于力值数据采集、显示和存储以及用于捕获图像显示、测量和存储的控制界面，也包括对测量数据进行分析处理和结果显示的控制界面，可分别或同时对其进行控制。

本发明实施例同时提出了一种测量智能黏附材料黏附接触性能的试验方法，利用上述试验装置实施，包括如下步骤：

1)打开试验装置电源和计算机电源，打开计算机终端81控制界面；

2)通过计算机终端81控制Z轴电动平移台22带动压头21向下移动至底端与试样41测试面即将接触的位置后停止，调节XY轴手动位移平台45，将试样41移动至压头21底端正下方；

3)调整CCD显微镜72的位置和角度至物镜朝向压头21与试样41的接触部位、侧视压头21与试样41，调节LED光源73的亮度，以及调节CCD显微镜72的放大倍率并聚焦后，调节双轴旋转倾斜平台和XY轴手动角度倾斜平台44，使压头21底端正对与试样41测试面；

4)通过计算机终端81控制Z轴电动平移台22带动压头21缓慢向下运动至与试样41测试面刚好接触的测试零位，通过调节支架71微调CCD显微镜72的位置后，调节CCD显微镜72的放大倍率并聚焦；

5)通过温度单元调节电热板43的温度至预设温度值，罩上有机玻璃罩61，通过湿度单元调节罩内的湿度至预设湿度值；

6)在计算机终端81的控制界面设定Z轴电动平移台22向下移动的位移量、移动速度以及达到预设位移量后的保持时间，Y轴电动平移台23沿Y向移动的位移量、移动速度，以及Z轴电动平移台22向上拉离时移动的位移量和移动速度，启动黏附接触性能测试；

7)整个黏附测试过程在Z向和Y向的力信号由三轴力传感器31探测，经数据采集模块82采集后传输至计算机终端81实时显示、记录并存储，结合Z轴电动平移台22向下和向上的移动速度以及Y轴电动平移台23沿Y向的移动速度，经自动测算得到整个测试过程的力-位移-时间关系数据；

8)通过计算机终端81的控制界面绘制力-时间、力-位移关系曲线，经自动测算或手动推算获得黏附接触性能参数；所述黏附接触性能参数包括法向黏附力F

图10示出了经黏附测试得到的典型力-时间关系曲线图，其中，20对应法向力-时间曲线，21对应切向力-时间曲线，由图10可知，AB段对应法向加载、BC段对应保持、CD段对应法向卸载、DEF段对应法向拉离、GH段对应切向运动，E点对应的法向拉离过程中的最大拉开力即为法向黏附力F

图11示出了经黏附测试得到的典型法向力-位移关系曲线图；

9)采用Oliver-Pharr法计算有效模量E

首先，基于法向力-位移关系曲线，使用冥律函数F＝α(h-h

在最大位移h

将接触刚度S和接触面积A

10)计算法向黏附应力与切向黏附应力；

结合接触面积A

11)计算有效黏附功W

基于法向力-位移关系曲线，使用冥律函数P＝αh

使用冥律函数P＝α(h-h

借助Matlab平台的trapz梯形积分函数计算曲线中拉离段的拉开功U

将内耗f

作为在本实施例基础上的进一步延伸：

在整个黏附接触性能测试过程中，电热板43的温度可保持恒定，也可根据需要通过温度单元进行调节，比如，在加载和保持段设定在一个温度值，而在卸载和拉离段设定在另一个温度值；

可以通过计算机终端81控制界面同时驱动Z轴和Y轴电动平移台23带动压头21以一定的角度向下运动对试样41进行加载，和以一定的角度向上运动卸载和脱离试样41表面；

Y轴电动平移台23在切向移动的位移量和移动速度可被设置为0，此时黏附测试仅在Z轴方向也即法向上进行。

采用本实施例进行单个黏附测试，即可获得丰富的黏附接触性能参数信息，这极大节约了时间成本；在此基础上，可进一步建立黏附力与有效黏附功、有效模量和接触面积等之间的数学关系模型，用于定量研究试样41温度、测试环境湿度和加载条件(比如预加载荷、移动速度和保持时间等)对黏附力的影响规律，结合从侧面捕获的压头21与试样41之间的接触状态图像，可帮助深入理解智能黏附材料的开关黏附机理。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。