PASCO 材料测试仪的UV 膜弹性模量测试方法探究

余子韩 柯奕扬 余枭然 陈余行

（上海工程技术大学，上海 201620）

0 引言

弹性模量是反映材料应力的一种物理量，是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，它是材料本身的一种特性，与物体的形状和外界因素（如外力）无关。弹性模量的值越大，产生一定弹性变形的应力越大，材料越不容易发生形变。弹性模量的测定对于研究材料的力学性质具有重要意义，被广泛应用于机械零部件设计、生物力学、地质等领域。测量弹性模量的方法一般有拉伸法、梁弯曲法、振动法、内耗法等。

UV 胶又称紫外光固化胶，是指在紫外光照射下，光引发剂产生活性自由基或阳离子，引发不饱和单体聚合、交联等反应，从而迅速固化的一类胶黏剂［1］。紫外光固化胶具有固化速度快、黏接强度高、韧性好、耐湿热老化、耐潮气、使用寿命长等特点，相比于其他固化剂，具有更好的黏着性、耐热性、抗剪切应力的优点，近些年被广泛应用，比如被批量用于汽车电子排线两端线头的固定与密封［2-3］。

UV 膜作为手机膜中一种较新的材料，在近些年间迅速发展。将UV胶涂抹于基材表面，形成UV膜，附着能力优异、厚度较薄，可以起到阻隔紫外线及短波长可见光的效果。因为不使用溶剂，可以达到绿色环保的目的［4］。以上UV 胶和UV 膜的优点使越来越多的消费者选择该种手机膜贴敷。在高科技领域，由于UV膜的黏性较为稳定且厚度较薄，可以在芯片产业化过程中使用。

本研究利用PASCO 材料测试仪进行压力测试，对市场中的UV 手机膜进行不同层数的试样制作。相比传统试验，PASCO材料测试仪能够连续取点进行测量，增加了测量结果的准确度和可靠性［5］。在试样制作完成后进行压力测试，使UV 手机膜在压力作用下发生形变，从而得到对应的弹性模量，通过具体的数值分析，得到最适合的测量方式，比较分析弹性模量。

1 试验部分

1.1 设备及材料

PASCO 材料测试仪（主体、校准杆、螺母、负载杆圆螺母、安全防护罩），usb 接口，Pasco Capstone软件，UV 膜，紫外线灯，手机模型。试验装置示意如图1所示。

图1 试验装置示意

1.2 试验过程

①学习PASCO 材料测试机的设备说明，连接相关设备并打开Pasco Capstone软件。

②将UV 膜分别以不同层数贴敷于手机模型，使用紫外线灯照射60 s使其固化，得到UV膜试样。

③安装张力校准杆，对材料测试仪进行校准。

④安装压缩附件，将短螺纹压缩附件拧入称重传感器的顶部，将长螺纹压缩附件拧入负载杆的顶部，并将手机膜试样放置在长螺纹压缩附件的中心位置。

⑤测量采集数据，得到压力F与长度增长量ΔL的关系曲线图，并对曲线进行二次拟合，计算其弹性模量。

⑥替换其他厚度的手机膜试样进行测量，将得到的数据进行比较分析并得出结论。

1.3 试验原理

UV膜在压力作用下只改变厚度而不改变形状，即为形变中的拉伸形变。当手机膜受到压力时，发生的弹性形变符合胡克定律，形变量与产生拉伸作用的力成正比。在测试不同层数的UV膜弹性模量时，材料和截面积均相同，而厚度不同。测试过程中，在相同压力F作用下，UV膜试样的相对伸长ΔL是相同的。需要通过PASCO 材料测试仪中的力传感器（应变式传感器）和测量负载杆位移的光学编码器模块来记录手机膜被压缩时受到力F与长度的变化量ΔL。综上，在弹性形变范围内应变和所受应力成正比，得到相关胡克定律公式见式（1）。

式中：比例系数Y是仅取决于物体材料性质的常数，即材料的弹性模量。由此得到计算公式（2）。

在试验中得到压力F与压缩伸长量ΔL的图线关系，对图线进行二次型拟合，得到斜率m，即式（2）中，整理公式得到式（3）。

由上式计算得出UV膜的弹性模量［6-11］。

2 结果与讨论

试验中，压缩附件直径D=254 mm，压缩附件表面积S=506.707 mm2，UV膜厚度L=0.1 mm。

2.1 试验试样厚度对试验的影响

2.1.1 单层UV膜的弹性模量测试。在单层测试中，由于膜的厚度太薄，数据不易测得，且单层UV膜在测试时由于压力的作用发生快速形变，而在形变后如果持续压力作用，对试验器材将会产生损耗。

2.1.2 两层UV 膜的弹性模量测试。两层UV膜在测试时，相较于单层得到的试验曲线会更加连续稳定，由于厚度仍较薄，测试时仍会发生较快的形变，导致部分数值过大，见表1试验次数1与试验次数4。

表1 两层UV膜测试次数与对应的弹性模量

试验次数与相应的弹性模量对比情况如图2所示。由图2 可知产生误差试验的次数较多，并且数值之间差距较大。经过比较压缩附件的弹性模量，发现与偏大的数值近似。这是因为测试时压缩UV膜过快，导致分析试验曲线时选取的区间为压缩附件的数值区间。

图2 两层UV膜的试验次数与弹性模量对比

将偏大的数值去除，并进行试验补充，得到的数值见表2，计算得到的平均值为16 349 199 Pa。

表2 勘误后两层UV膜测试次数与对应的弹性模量

2.1.3 三层UV 膜的弹性模量测试。三层UV膜的试验数据与两层类似，仍有较多的误差试验。表3 中试验次数2 与试验次数6，数值偏大，与压缩附件的弹性模量近似。再将数据勘误，计算平均值为1 636 440 Pa。

表3 三层UV膜测试次数与对应的弹性模量

2.1.4 四层UV 膜的弹性模量测试。四层UV膜测得的数据见表4，由于没有发生误差试验，导致数据过大。试验次数与相应的弹性模量对比如图3所示，数据之间相差较小。相比两层与三层测得的结果，四层测得的数据更加准确且稳定，过程中对曲线二次拟合的拟合准确度也较高。计算平均值为16 507 706 Pa，对比两层所得到的弹性模量平均值16 349 199 Pa 与三层所得到的弹性模量平均值163 644 Pa，数值近似。

表4 四层UV膜测试次数与对应的弹性模量

图3 四层UV膜的试验次数与弹性模量对比

而如果使用五层以上UV膜进行试验，通过试验测得平均值为16 352 843 Pa，相比四层的测得结果几乎一致，说明四层及以上时，可以获得稳定且准确的数据。而五层的试验由于试验成本的消耗会更大，综合比较，使用PASCO材料测试仪进行UV膜弹性模量测定试验时，四层的试样最有利于试验的完成。

2.2 UV膜照射时间的影响

UV 膜在粘贴时需要紫光灯照射，而在紫光灯照射完全后会稳定固化于物品表面。大部分UV胶在紫外线下固化5～10 s就可达到表面固定，而完全固化的时间受到紫外线灯的功率、照射时间的影响，一般20～30 s后可以完全固化［12］。

试验使用紫外线灯照射时，是通过来回扫射进行的，所以可能会出现各部分受照射时间不相同的情况，即照射不均匀。为了在试验时获得准确的试验数据，需要通过不同的照射时间与对应的弹性模量来探究照射时长试验最为稳定。当试验数据稳定时，即表示各部分弹性模量数据基本一致，从而可以推导出固化稳定的照射时间。由2.1所得出的结论，试样的层数为四层。

2.2.1 60 s 以内的照射时间。在照射时间低于10 s 时，膜与手机模型容易发生相对滑动，所以从10 s 以上开始测量。由表5 可以看出，各照射时间对应的手机膜弹性模量不同，对比情况如图4 所示。当照射时间在40 s 及以上时，相同照射时间的数据较为稳定，如图4 试验1 与试验2 之间的对比。但是不同照射时间的数据仍有差距，所以当照射时间较短时，试验测得的弹性模量不准确且不稳定。

表5 60 s以内的照射时间与对应的弹性模量

图4 各照射时间对应的弹性模量对比

2.2.2 60 s 以上的照射时间。当照射时间大于60 s 时，UV 膜已完全固化在手机模型表面，得到的数据见表6。此时通过图5 试验1 和试验2 之间的对比可知，相同照射时间对应的数据已经稳定。在试验时，测得60～80 s的弹性模量数据已稳定，所以不进行80 s 之后数据的测量，试验测得的UV 膜弹性模量趋于稳定。

表6 60 s以上照射时间与对应的弹性模量

图5 各照射时间对应的弹性模量对比

综上，对UV 膜固化时，进行60 s及以上的均匀照射，不同照射时间对应的弹性模量数值几乎没有变化。

3 结语

本试验采用PASCO 材料测试仪对UV 膜的弹性模量测试进行研究。采用PASCO 材料测试仪测试UV膜的弹性模量时，需要选择合适的厚度，过于薄型的试验试样会导致无法测量或容易产生较大的误差。试验比较了单层、两层及四层试样的弹性模量测试数据，四层的测试结果较为稳定。

另外，在进行UV膜的固化时，如果采用紫外线灯扫射的方法进行照射，容易出现各部分照射时间不同的情况，这将影响UV 膜的固化效果。紫外灯照射60 s 以上的UV 膜弹性模量测试数据几乎一致，即已经完全固化。但是60 s 以上的照射时间对紫外线灯及能源消耗更多，试验数据差别不大，所以60 s的照射时间最为合适。