余子韓 柯奕揚(yáng) 余梟然 陳余行

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620）

0 引言

彈性模量是反映材料應(yīng)力的一種物理量，是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，它是材料本身的一種特性，與物體的形狀和外界因素（如外力）無(wú)關(guān)。彈性模量的值越大，產(chǎn)生一定彈性變形的應(yīng)力越大，材料越不容易發(fā)生形變。彈性模量的測(cè)定對(duì)于研究材料的力學(xué)性質(zhì)具有重要意義，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械零部件設(shè)計(jì)、生物力學(xué)、地質(zhì)等領(lǐng)域。測(cè)量彈性模量的方法一般有拉伸法、梁彎曲法、振動(dòng)法、內(nèi)耗法等。

UV 膠又稱紫外光固化膠，是指在紫外光照射下，光引發(fā)劑產(chǎn)生活性自由基或陽(yáng)離子，引發(fā)不飽和單體聚合、交聯(lián)等反應(yīng)，從而迅速固化的一類膠黏劑［1］。紫外光固化膠具有固化速度快、黏接強(qiáng)度高、韌性好、耐濕熱老化、耐潮氣、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，相比于其他固化劑，具有更好的黏著性、耐熱性、抗剪切應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)，近些年被廣泛應(yīng)用，比如被批量用于汽車電子排線兩端線頭的固定與密封［2-3］。

UV 膜作為手機(jī)膜中一種較新的材料，在近些年間迅速發(fā)展。將UV膠涂抹于基材表面，形成UV膜，附著能力優(yōu)異、厚度較薄，可以起到阻隔紫外線及短波長(zhǎng)可見(jiàn)光的效果。因?yàn)椴皇褂萌軇梢赃_(dá)到綠色環(huán)保的目的［4］。以上UV 膠和UV 膜的優(yōu)點(diǎn)使越來(lái)越多的消費(fèi)者選擇該種手機(jī)膜貼敷。在高科技領(lǐng)域，由于UV膜的黏性較為穩(wěn)定且厚度較薄，可以在芯片產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中使用。

本研究利用PASCO 材料測(cè)試儀進(jìn)行壓力測(cè)試，對(duì)市場(chǎng)中的UV 手機(jī)膜進(jìn)行不同層數(shù)的試樣制作。相比傳統(tǒng)試驗(yàn)，PASCO材料測(cè)試儀能夠連續(xù)取點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，增加了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度和可靠性［5］。在試樣制作完成后進(jìn)行壓力測(cè)試，使UV 手機(jī)膜在壓力作用下發(fā)生形變，從而得到對(duì)應(yīng)的彈性模量，通過(guò)具體的數(shù)值分析，得到最適合的測(cè)量方式，比較分析彈性模量。

1 試驗(yàn)部分

1.1 設(shè)備及材料

PASCO 材料測(cè)試儀（主體、校準(zhǔn)桿、螺母、負(fù)載桿圓螺母、安全防護(hù)罩），usb 接口，Pasco Capstone軟件，UV 膜，紫外線燈，手機(jī)模型。試驗(yàn)裝置示意如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

①學(xué)習(xí)PASCO 材料測(cè)試機(jī)的設(shè)備說(shuō)明，連接相關(guān)設(shè)備并打開(kāi)Pasco Capstone軟件。

②將UV 膜分別以不同層數(shù)貼敷于手機(jī)模型，使用紫外線燈照射60 s使其固化，得到UV膜試樣。

③安裝張力校準(zhǔn)桿，對(duì)材料測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

④安裝壓縮附件，將短螺紋壓縮附件擰入稱重傳感器的頂部，將長(zhǎng)螺紋壓縮附件擰入負(fù)載桿的頂部，并將手機(jī)膜試樣放置在長(zhǎng)螺紋壓縮附件的中心位置。

⑤測(cè)量采集數(shù)據(jù)，得到壓力F與長(zhǎng)度增長(zhǎng)量ΔL的關(guān)系曲線圖，并對(duì)曲線進(jìn)行二次擬合，計(jì)算其彈性模量。

⑥替換其他厚度的手機(jī)膜試樣進(jìn)行測(cè)量，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析并得出結(jié)論。

1.3 試驗(yàn)原理

UV膜在壓力作用下只改變厚度而不改變形狀，即為形變中的拉伸形變。當(dāng)手機(jī)膜受到壓力時(shí)，發(fā)生的彈性形變符合胡克定律，形變量與產(chǎn)生拉伸作用的力成正比。在測(cè)試不同層數(shù)的UV膜彈性模量時(shí)，材料和截面積均相同，而厚度不同。測(cè)試過(guò)程中，在相同壓力F作用下，UV膜試樣的相對(duì)伸長(zhǎng)ΔL是相同的。需要通過(guò)PASCO 材料測(cè)試儀中的力傳感器（應(yīng)變式傳感器）和測(cè)量負(fù)載桿位移的光學(xué)編碼器模塊來(lái)記錄手機(jī)膜被壓縮時(shí)受到力F與長(zhǎng)度的變化量ΔL。綜上，在彈性形變范圍內(nèi)應(yīng)變和所受應(yīng)力成正比，得到相關(guān)胡克定律公式見(jiàn)式（1）。

式中：比例系數(shù)Y是僅取決于物體材料性質(zhì)的常數(shù)，即材料的彈性模量。由此得到計(jì)算公式（2）。

在試驗(yàn)中得到壓力F與壓縮伸長(zhǎng)量ΔL的圖線關(guān)系，對(duì)圖線進(jìn)行二次型擬合，得到斜率m，即式（2）中，整理公式得到式（3）。

由上式計(jì)算得出UV膜的彈性模量［6-11］。

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)中，壓縮附件直徑D=254 mm，壓縮附件表面積S=506.707 mm2，UV膜厚度L=0.1 mm。

2.1 試驗(yàn)試樣厚度對(duì)試驗(yàn)的影響

2.1.1 單層UV膜的彈性模量測(cè)試。在單層測(cè)試中，由于膜的厚度太薄，數(shù)據(jù)不易測(cè)得，且單層UV膜在測(cè)試時(shí)由于壓力的作用發(fā)生快速形變，而在形變后如果持續(xù)壓力作用，對(duì)試驗(yàn)器材將會(huì)產(chǎn)生損耗。

2.1.2 兩層UV 膜的彈性模量測(cè)試。兩層UV膜在測(cè)試時(shí)，相較于單層得到的試驗(yàn)曲線會(huì)更加連續(xù)穩(wěn)定，由于厚度仍較薄，測(cè)試時(shí)仍會(huì)發(fā)生較快的形變，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)值過(guò)大，見(jiàn)表1試驗(yàn)次數(shù)1與試驗(yàn)次數(shù)4。

表1 兩層UV膜測(cè)試次數(shù)與對(duì)應(yīng)的彈性模量

試驗(yàn)次數(shù)與相應(yīng)的彈性模量對(duì)比情況如圖2所示。由圖2 可知產(chǎn)生誤差試驗(yàn)的次數(shù)較多，并且數(shù)值之間差距較大。經(jīng)過(guò)比較壓縮附件的彈性模量，發(fā)現(xiàn)與偏大的數(shù)值近似。這是因?yàn)闇y(cè)試時(shí)壓縮UV膜過(guò)快，導(dǎo)致分析試驗(yàn)曲線時(shí)選取的區(qū)間為壓縮附件的數(shù)值區(qū)間。

圖2 兩層UV膜的試驗(yàn)次數(shù)與彈性模量對(duì)比

將偏大的數(shù)值去除，并進(jìn)行試驗(yàn)補(bǔ)充，得到的數(shù)值見(jiàn)表2，計(jì)算得到的平均值為16 349 199 Pa。

表2 勘誤后兩層UV膜測(cè)試次數(shù)與對(duì)應(yīng)的彈性模量

2.1.3 三層UV 膜的彈性模量測(cè)試。三層UV膜的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與兩層類似，仍有較多的誤差試驗(yàn)。表3 中試驗(yàn)次數(shù)2 與試驗(yàn)次數(shù)6，數(shù)值偏大，與壓縮附件的彈性模量近似。再將數(shù)據(jù)勘誤，計(jì)算平均值為1 636 440 Pa。

表3 三層UV膜測(cè)試次數(shù)與對(duì)應(yīng)的彈性模量

2.1.4 四層UV 膜的彈性模量測(cè)試。四層UV膜測(cè)得的數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，由于沒(méi)有發(fā)生誤差試驗(yàn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)過(guò)大。試驗(yàn)次數(shù)與相應(yīng)的彈性模量對(duì)比如圖3所示，數(shù)據(jù)之間相差較小。相比兩層與三層測(cè)得的結(jié)果，四層測(cè)得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確且穩(wěn)定，過(guò)程中對(duì)曲線二次擬合的擬合準(zhǔn)確度也較高。計(jì)算平均值為16 507 706 Pa，對(duì)比兩層所得到的彈性模量平均值16 349 199 Pa 與三層所得到的彈性模量平均值163 644 Pa，數(shù)值近似。

表4 四層UV膜測(cè)試次數(shù)與對(duì)應(yīng)的彈性模量

圖3 四層UV膜的試驗(yàn)次數(shù)與彈性模量對(duì)比

而如果使用五層以上UV膜進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得平均值為16 352 843 Pa，相比四層的測(cè)得結(jié)果幾乎一致，說(shuō)明四層及以上時(shí)，可以獲得穩(wěn)定且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。而五層的試驗(yàn)由于試驗(yàn)成本的消耗會(huì)更大，綜合比較，使用PASCO材料測(cè)試儀進(jìn)行UV膜彈性模量測(cè)定試驗(yàn)時(shí)，四層的試樣最有利于試驗(yàn)的完成。

2.2 UV膜照射時(shí)間的影響

UV 膜在粘貼時(shí)需要紫光燈照射，而在紫光燈照射完全后會(huì)穩(wěn)定固化于物品表面。大部分UV膠在紫外線下固化5～10 s就可達(dá)到表面固定，而完全固化的時(shí)間受到紫外線燈的功率、照射時(shí)間的影響，一般20～30 s后可以完全固化［12］。

試驗(yàn)使用紫外線燈照射時(shí)，是通過(guò)來(lái)回掃射進(jìn)行的，所以可能會(huì)出現(xiàn)各部分受照射時(shí)間不相同的情況，即照射不均勻。為了在試驗(yàn)時(shí)獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要通過(guò)不同的照射時(shí)間與對(duì)應(yīng)的彈性模量來(lái)探究照射時(shí)長(zhǎng)試驗(yàn)最為穩(wěn)定。當(dāng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)，即表示各部分彈性模量數(shù)據(jù)基本一致，從而可以推導(dǎo)出固化穩(wěn)定的照射時(shí)間。由2.1所得出的結(jié)論，試樣的層數(shù)為四層。

2.2.1 60 s 以內(nèi)的照射時(shí)間。在照射時(shí)間低于10 s 時(shí)，膜與手機(jī)模型容易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，所以從10 s 以上開(kāi)始測(cè)量。由表5 可以看出，各照射時(shí)間對(duì)應(yīng)的手機(jī)膜彈性模量不同，對(duì)比情況如圖4 所示。當(dāng)照射時(shí)間在40 s 及以上時(shí)，相同照射時(shí)間的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，如圖4 試驗(yàn)1 與試驗(yàn)2 之間的對(duì)比。但是不同照射時(shí)間的數(shù)據(jù)仍有差距，所以當(dāng)照射時(shí)間較短時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得的彈性模量不準(zhǔn)確且不穩(wěn)定。

表5 60 s以內(nèi)的照射時(shí)間與對(duì)應(yīng)的彈性模量

圖4 各照射時(shí)間對(duì)應(yīng)的彈性模量對(duì)比

2.2.2 60 s 以上的照射時(shí)間。當(dāng)照射時(shí)間大于60 s 時(shí)，UV 膜已完全固化在手機(jī)模型表面，得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。此時(shí)通過(guò)圖5 試驗(yàn)1 和試驗(yàn)2 之間的對(duì)比可知，相同照射時(shí)間對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)已經(jīng)穩(wěn)定。在試驗(yàn)時(shí)，測(cè)得60～80 s的彈性模量數(shù)據(jù)已穩(wěn)定，所以不進(jìn)行80 s 之后數(shù)據(jù)的測(cè)量，試驗(yàn)測(cè)得的UV 膜彈性模量趨于穩(wěn)定。

表6 60 s以上照射時(shí)間與對(duì)應(yīng)的彈性模量

圖5 各照射時(shí)間對(duì)應(yīng)的彈性模量對(duì)比

綜上，對(duì)UV 膜固化時(shí)，進(jìn)行60 s及以上的均勻照射，不同照射時(shí)間對(duì)應(yīng)的彈性模量數(shù)值幾乎沒(méi)有變化。

3 結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)采用PASCO 材料測(cè)試儀對(duì)UV 膜的彈性模量測(cè)試進(jìn)行研究。采用PASCO 材料測(cè)試儀測(cè)試UV膜的彈性模量時(shí)，需要選擇合適的厚度，過(guò)于薄型的試驗(yàn)試樣會(huì)導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量或容易產(chǎn)生較大的誤差。試驗(yàn)比較了單層、兩層及四層試樣的彈性模量測(cè)試數(shù)據(jù)，四層的測(cè)試結(jié)果較為穩(wěn)定。

另外，在進(jìn)行UV膜的固化時(shí)，如果采用紫外線燈掃射的方法進(jìn)行照射，容易出現(xiàn)各部分照射時(shí)間不同的情況，這將影響UV 膜的固化效果。紫外燈照射60 s 以上的UV 膜彈性模量測(cè)試數(shù)據(jù)幾乎一致，即已經(jīng)完全固化。但是60 s 以上的照射時(shí)間對(duì)紫外線燈及能源消耗更多，試驗(yàn)數(shù)據(jù)差別不大，所以60 s的照射時(shí)間最為合適。