一种测定材料弹性模量的方法与流程

本发明属于仿生材料领域，具体的说是一种测定软硬相间仿生材料中软、硬组分弹性模量的方法。

背景技术：

弹性模量是衡量工程材料性能的一个重要参数。弹性模量是表征材料性质的一个物理量，仅取决于材料本身的物理性质。从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，弹性模量是原子、离子或分子之间键合强度的反映。

弹性模量是选定机械零件材料的依据之一，是工程技术设计中常用的参数。弹性模量的测定对研究金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷、橡胶等各种材料的力学性质有着重要意义，还可用于机械零部件设计、生物力学、地质等领域。一般工程应用中把材料的弹性模量定义为常数，并且主要通过试验测得。测量杨氏模量的方法一般有拉伸法、梁弯曲法、振动法、内耗法等。

软硬相间形貌仿生材料是以生物体特性为原型将软材料与硬材料在一定配比下有序或无序排列而形成的材料，通过模仿天然生物材料的形貌、结构、材料配比、尺寸、分布规律等因素进行仿生设计。软硬相间材料中软材料与硬材料为弹性模量不同的两种材料，定义弹性模量小的材料为软材料，弹性模量大的材料为硬材料。软硬相间仿生材料的摩擦系数，可以通过软硬组分各自的摩擦系数及弹性模量计算得到。但是，采用激光加工方法制备软硬相间材料时，硬材料是通过激光改性得到的，因此很难通过简单的试验方法得到硬材料部分的弹性模量。

技术实现要素：

本发明提供了一种通过软硬相间材料摩擦试验测得材料的摩擦系数，进而测定出两种材料组分的弹性模量的方法，解决了硬材料弹性模量很难通过简单的试验方法获得的问题。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种测定材料弹性模量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、制备或选取由两种待测材料组成的四个软硬相间的仿生材料试件,测量四个试件的摩擦系数；定义两种待测材料分别为弹性模量小的待测软材料a及弹性模量大的待测硬材料b，为了确定某一工况下激光加工得到的待测软材料a及待测硬材料b的弹性模量，采用激光加工方法在同一工况下制备由待测软材料a及同类型待测硬材料b组成的四个不同结构软硬相间仿生材料；测得第一试件的摩擦系数f1、第二试件的摩擦系数f2第三试件的摩擦系数f3及第四试件的摩擦系数f4；

步骤二、确定试件中软材料的表面积比c％；采用统计学方法可将软材料实际接触面积as与硬材料实际接触面积ah与软材料的表面积比c％的关系表示为：

其中，a为软硬相间形貌仿生材料表面积，c％为软材料的表面积比，as为软材料表面积，ah为硬材料表面积；

步骤三、计算待测材料a和待测材料b的弹性模量。待测材料a的弹性模量ea、待测材料b的弹性模量eb与待测材料a摩擦系数fa、待测材料b摩擦系数fb、第一试件摩擦系数f1、第二试件摩擦系数f2、第三试件摩擦系数f3、第四试件摩擦系数f4、第一试件表面积比c1％、第二试件表面积比c2％、第三试件表面积比c3％、第四试件表面积比c4％之间的关系可以表示为：

解上式可以得到材料a的弹性模量ea、材料b的弹性模量eb。

步骤二中所述的软硬相间的仿生材料试件中弹性模量大的材料为点状排列时，即在弹性模量小的材料(软材料)上均匀分布着一系列点状的弹性模量大的材料(硬材料)，定义硬材料之间的横向距离为a1，纵向距离为b1，点状硬材料半径r，根据经验a1与b1的范围在1-2mm之间，r的范围在0.1-1mm之间，步骤二中所述的软材料的表面积比c％计算方法包含以下步骤：

21)确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系。根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a1b1，软材料的表面积为a1b1-πr²。有：

22)材料的表面积比c％为：

步骤二中所述的软硬相间形貌仿生材料为软硬相间条纹状排列时，条纹间距为a2，条状硬材料的条纹宽度位b2，根据经验a2的范围在1-2mm之间，b2的范围在0.1-1mm之间，步骤二中所述的软材料的表面积比c％计算方法包含以下步骤：

31)确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系。根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a2，软材料的表面积为a2-b2，有：

32)材料的表面积比c％为：

步骤二中所述的软硬相间形貌仿生材料的硬材料为网格状排列时，网格间距为a3，硬材料的网格宽度为b3，根据经验a3的范围在1-2mm之间，b3的范围在0.1-1mm之间，步骤二中所述的软材料的表面积比c％计算方法包含以下步骤：

41)确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系。根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a3*a3，软材料的表面积为a3*a3-(a3-b3)*(a3-b3)。有：

42)材料的表面积比c％为：

本发明的有益效果为：采用激光加工方法制备软硬相间材料时，硬材料是通过激光改性得到的，因此很难通过简单的试验方法得到硬材料部分的弹性模量。本发明提出了一种通过材料的摩擦性能反向推导材料的弹性模量的方法，可以通过对软硬材料仿生材料的摩擦性能确定软材料及硬材料的弹性模量，并且测定的弹性模量误差小。

附图说明

图1为材料微观凹凸不平表面示意图；

图2为材料在摩擦过程中摩擦副接触情况示意图；

图3为软硬相间结构相互作用示意图；

图4a为一种制备的软硬相间条状材料示意图；

图4b为另一种制备的软硬相间条状材料示意图；

图4c为第三种制备的软硬相间条状材料示意图；

图4d为第四种制备的软硬相间条状材料示意图。

具体实施方式

本发明提及的软硬相间形貌仿生材料是指弹性模量不同的两种材料，定义弹性模量小的材料为软材料，弹性模量大的材料为硬材料。

参阅图1，材料的微观表面是凹凸不平的。参阅图2，当两个材料表面相互受载接触时，仅在少数微凸体的顶端发生接触，由于实际接触面积极小，微凸体上的接触压力极大，在载荷、瞬时温度等因素作用下接触峰点处产生粘着。在摩擦过程中，粘着点在切向力作用下被剪切而产生滑动，剪切作用力就是粘着摩擦力。参阅图3，软硬相间条状材料表面的相间结构使其摩擦过程较单一材料摩擦过程复杂的多。在粘着的产生阶段，在载荷的作用下，不同属性材料在接触峰点均会产生粘着，由于不同材料粘着产生与扩展条件不同，会导致载荷的重新分布。在粘着点剪切阶段，由不同材料的粘着情况不同且不同材料被切向力剪断的条件不同，因此产生的粘着摩擦力也更复杂。

对于软硬相间条状材料，弹性模量是影响其载荷分布，继而影响其摩擦属性的重要因素。因此，本发明基于粘着摩擦机理，将材料的弹性模量与其摩擦性能联系到一起，通过制备软硬相间条状材料并测量其摩擦系数，可以反向推导材料的弹性模量。

该方法具体如下：

步骤一、制备或选取由两种待测材料组成的四个软硬相间的仿生材料试件，测量四个试件的摩擦系数；定义两种待测材分别为弹性模量小的待测软材料a及弹性模量大的待测硬材料b，为了确定某一工况下激光加工得到的待测软材料a及待测硬材料b的弹性模量，采用激光加工方法在同一工况下制备由待测软材料a及同类型待测硬材料b组成的四个不同结构软硬相间仿生材料，参阅图4；测得第一试件的摩擦系数f1、第二试件的摩擦系数f2第三试件的摩擦系数f3及第四试件的摩擦系数f4；

步骤二、确定四个试件中软材料的表面积比c％；采用统计学方法可将软材料实际接触面积as与硬材料实际接触面积ah与软材料的表面积比c％的关系表示为：

其中，a为软硬相间形貌仿生材料表面积，c％为软材料的表面积比，as为软材料表面积，ah为硬材料表面积；

步骤三、计算待测材料a和待测材料b的弹性模量。根据粘着摩擦机理，法向总载荷(w)可以表示为：

w＝ws+wh＝c％aesε+(1-c％)aehε

其中，ε为粘着点上的平均应变，ws为软材料法向载荷，wh为硬材料法向载荷；

对相互接触受载的上表面施加切向力，当切向力足够大时，粘着点被剪断，上下表面产生相对滑动，此时的切向作用力就是粘着摩擦力。对于软硬相间仿生材料，在粘着点剪切阶段，由于软、硬材料的粘着情况不同且软、硬材料被切向力剪断的条件不同，可将摩擦力表示为：

f＝asτs+ahτh＝c％aτs+(1-c％)aτh

其中，τs、τh分别为软、硬材料的剪切极限。

根据库仑摩擦定律可得到软硬相间仿生材料的摩擦系数f：

根据上式，待测材料a的弹性模量ea、待测材料b的弹性模量eb与待测材料a摩擦系数fa、待测材料b摩擦系数fb、第一试件摩擦系数f1、第二试件摩擦系数f2、第三试件摩擦系数f3、第四试件摩擦系数f4、第一试件表面积比c1％、第二试件表面积比c2％、第三试件表面积比c3％、第四试件表面积比c4％之间的关系可以表示为：

解上式可以得到材料a的弹性模量ea、材料b的弹性模量eb。

步骤二中所述的软硬相间形貌仿生材料的弹性模量大的材料为点状排列时，如图4a所示，即在弹性模量小的材料(软材料)上均匀分布着一系列点状的弹性模量大的材料(硬材料)，定义硬材料之间的横向距离为a1，纵向距离为b1，点状硬材料半径r，根据经验a1与b1的范围在1-2mm之间，r的范围在0.1-1mm之间。软材料的表面积比c％计算方法包含以下步骤：

21)确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系。根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a1b1，软材料的表面积为a1b1-πr²。有：

22)材料的表面积比c％为：

步骤二中所述的软硬相间形貌仿生材料为软硬相间条纹状排列时，如图4b所示，条纹间距为a2，条状硬材料的条纹宽度位b2，根据经验a2的范围在1-2mm之间，b2的范围在0.1-1mm之间，软材料的表面积比c％计算方法包含以下步骤：

31)确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系。根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a2，软材料的表面积为a2-b2，有：

32)材料的表面积比c％为：

步骤二中所述的软硬相间形貌仿生材料的硬材料为网格状排列时，如图4c所示，网格间距为a3，硬材料的网格宽度为b3，根据经验a3的范围在1-2mm之间，b3的范围在0.1-1mm之间。软材料的表面积比c％计算方法包含以下步骤：

41)确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系。根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a3*a3，软材料的表面积为a3*a3-(a3-b3)*(a3-b3)。有：

42)材料的表面积比c％为：

下面结合附体和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例

步骤一、制备或选取由两种待测材料组成的四个软硬相间的仿生材料试件，测量四个试件的摩擦系数；定义两种待测材为软材料(材料a)及硬材料(材料b)，为了确定某一工况下激光加工得到的软材料(材料a)及硬材料(材料b)的弹性模量，采用激光加工方法在同一工况下制备由待测材料a及同类型待测材料b组成的四个不同结构软硬相间仿生试件；测得第一试件的摩擦系数f1、第二试件的摩擦系数f2第三试件的摩擦系数f3及第四试件的摩擦系数f4。

步骤二、确定四个试件中软材料的表面积比c％；采用统计学方法可将软材料实际接触面积as与硬材料实际接触面积ah与软材料的表面积比c％的关系表示为：

其中，a为软硬相间形貌仿生材料表面积，c％为软材料的表面积比，as为软材料表面积，ah为硬材料表面积；

确定第一试件的表面积比c1％：如果第一试件为点状排列，如图4a所示，即在弹性模量小的材料(软材料)上均匀分布着一系列点状的弹性模量大的材料(硬材料)，定义硬材料之间的横向距离为a1，纵向距离为b1，点状硬材料半径r，根据经验a1与b1的范围在1-2mm之间，r的范围在0.1-1mm之间。软材料的表面积比c％计算方法包含以下步骤：

1：确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系。根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a1b1，软材料的表面积为a1b1-πr²。有：

2：材料的表面积比c1％为：

确定第二试件的表面积比c2％：如果第二试件为软硬相间条纹状排列，如图4b所示，条纹间距为a2，条状硬材料的条纹宽度位b2，根据经验a2的范围在1-2mm之间，b2的范围在0.1-1mm之间。软材料的表面积比c％计算方法包含以下步骤：

1：确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系。根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a2，软材料的表面积为a2-b2，有：

2：材料的表面积比c2％为：

确定第三试件的表面积比c3％：如果第三试件为网格状排列，如图4c所示，网格间距为a3，硬材料的网格宽度为b3，根据经验a3的范围在1-2mm之间，b3的范围在0.1-1mm之间。软材料的表面积比c3％计算方法包含以下步骤：

1：确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系。根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a3*a3，软材料的表面积为a3*a3-(a3-b3)*(a3-b3)。有：

2：材料的表面积比c3％为：

确定第四试件的表面积比c4％：如果第三试件为网格状排列，如图4d所示，网格间距为a4，硬材料的网格宽度为b4，根据经验a4的范围在1-2mm之间，b4的范围在0.1-1mm之间。软材料的表面积比c4％计算方法包含以下步骤：

1：确定软硬材料尺寸与两种材料的配比之间的关系。根据表面形貌尺寸的关系，局部区域内材料的表面积为a4*a4，软材料的表面积为a4*a4-(a4-b4)*(a4-b4)。有：

2：材料的表面积比c4％为：

步骤三、计算待测材料a和待测材料b的弹性模量。待测材料a的弹性模量ea、待测材料b的弹性模量eb与待测材料a摩擦系数fa、待测材料b摩擦系数fb、第一试件摩擦系数f1、第二试件摩擦系数f2、第三试件摩擦系数f3、第四试件摩擦系数f4、第一试件表面积比c1％、第二试件表面积比c2％、第三试件表面积比c3％、第四试件表面积比c4％之间的关系可以表示为：

解上式可以得到材料a的弹性模量ea、材料b的弹性模量eb。

本发明基于粘着摩擦机理，结合“软—硬”相间结构特点，通过运用细观力学分析方法，获得软硬各组分弹性模量与软硬相间仿生材料摩擦系数之间的关系，通过少量软硬相间仿生材料摩擦系数，确定其组成成分中软材料与硬材料各自弹性模量的方法，该方法简单，测得的弹性模量误差小。