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一種溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸裝置及其實驗方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸裝置及其實驗方法，伺服電機驅(qū)動四根”井”字型導(dǎo)軌運動，通過剪叉式機構(gòu)對薄膜樣品實施拉伸。高壓氣動夾具完成樣品快速裝夾并能夠?qū)崿F(xiàn)壓力補償。兩個獨立的溫度控制爐分別用于裝置的預(yù)熱及樣品的拉伸。采用熱風循環(huán)系統(tǒng)既能實現(xiàn)控制爐的快速升溫，又能保證腔體溫度均勻性。兩個拉伸方向均安裝拉力傳感器，用于采集薄膜拉伸過程中的應(yīng)力-應(yīng)變信息。伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠使得拉伸部分在不同工位間切換。本發(fā)明可實現(xiàn)雙向同步拉伸、雙向異步拉伸、受限單向拉伸、不受限單向拉伸，是模擬工業(yè)薄膜拉伸加工、建立加工工藝參數(shù)與薄膜結(jié)構(gòu)性能關(guān)系的一種非常好的裝置。
【專利說明】一種溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸裝置及其實驗方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高分子薄膜拉伸加工中加工條件與薄膜結(jié)構(gòu)演化關(guān)系的技術(shù)，具體涉及薄膜雙向拉伸裝置、溫度控制和電氣控制系統(tǒng)及其實驗方法，能夠研究拉伸方式、溫度、拉伸速率和拉伸比對不同薄膜樣品結(jié)構(gòu)性能的影響。將拉伸所得薄膜的結(jié)構(gòu)(結(jié)晶度、取向度、片晶長周期)、性能(光學(xué)性能、力學(xué)性能)與拉伸過程中力學(xué)數(shù)據(jù)耦合，可以得到外場參數(shù)與薄膜結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系。用于實驗室模擬實際薄膜拉伸加工條件，揭示薄膜工業(yè)加工的科學(xué)問題。

【背景技術(shù)】
[0002]高分子薄膜的最終性能強烈依賴于加工方法和工藝條件。相同高分子，不同加工方法如吹膜、流延、拉伸，生產(chǎn)出性能迥異的薄膜。拉伸薄膜如雙向拉伸聚丙烯(BOPP)和聚酯(BOPET)具有強度高、透光性強、空氣和水分阻隔性好、尺寸穩(wěn)定性優(yōu)異等特點，因此拉伸成為高性能薄膜加工的主流發(fā)展方向。然而薄膜拉伸加工工業(yè)仍然存在較大問題，如作為高分子薄膜最重要、所占份額最多的原料聚乙烯(PE)，全球至今卻還沒有成熟的雙向拉伸技術(shù)(BOPE)。在能源材料領(lǐng)域，如何提高電容器薄膜表面電荷密度、如何制備高效安全的微孔電池膜等都是工業(yè)界急需解決的問題。
[0003]工業(yè)問題的背后實際是薄膜拉伸加工的科學(xué)問題，可以總結(jié)為以下三點:(i)高速拉伸中結(jié)構(gòu)流體的非線性流變；(ii)拉伸流動誘導(dǎo)高分子構(gòu)象有序和結(jié)晶；(iii)后拉伸中晶體形變、取向和破壞。解決這些問題需要大量的前期探索，顯然，研制模擬工業(yè)薄膜拉伸加工的實驗裝置對探究高分子薄膜拉伸加工中的物理問題，制備高性能薄膜具有重要意義。
[0004]綜上所述，模擬薄膜工業(yè)拉伸加工的溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸裝置需要具有以下幾方面的特點:1、拉伸方式可以模擬工業(yè)上所有薄膜拉伸加工方法:單向受限、單向不受限、雙向同步、雙向異步拉伸；2、溫度控制均勻，且能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)熱、拉伸和薄膜退火過程；3、不同的高分子材料，工業(yè)加工的溫度、速率及拉伸比不同，裝置的溫度、拉伸比及拉伸速率應(yīng)連續(xù)可調(diào)；4、拉伸過程中能夠采集兩個方向的應(yīng)力應(yīng)變信息，跟蹤外場的作用及樣品的響應(yīng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，提供一種溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸裝置及其實驗方法。該拉伸裝置具有拉伸方式可以選擇為工業(yè)上所有薄膜拉伸方式；拉伸速率及拉伸比連續(xù)可調(diào)；樣品溫度控制精確且能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)熱、拉伸和熱定型過程；拉力量程范圍大，雙向拉伸時可以同時采集兩個方向的應(yīng)力應(yīng)變信息。將流變、力學(xué)性能與薄膜的結(jié)構(gòu)(取向度、結(jié)晶度、片晶長周期)，性能(光學(xué)性能、力學(xué)性能)耦合，可以建立加工參數(shù)-薄膜結(jié)構(gòu)-薄膜性能的關(guān)系，為高性能薄膜生產(chǎn)工藝探究提供條件。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸裝置，包括高精度伺服電機，驅(qū)動器，控制卡，”井”字形導(dǎo)軌，剪叉式機構(gòu)，高壓氣動夾具，拉力傳感器，數(shù)據(jù)采集卡，高精度溫度控制爐，熱風機，高精度滾珠絲杠，”風琴式”防護罩，應(yīng)變、拉伸速度控制系統(tǒng)和熱風循環(huán)系統(tǒng)，其中:
[0007]高精度伺服電機驅(qū)動”井”字形導(dǎo)軌獨立運動，使得剪叉式機構(gòu)完成伸縮運動，通過多個高壓氣動夾具，實現(xiàn)對薄膜樣品的拉伸，拉伸方式可以選擇為單向或雙向拉伸，運行速度連續(xù)可調(diào)，能夠很好地配合不同材料對拉伸速度的響應(yīng)，拉伸過程中，拉力傳感器跟蹤兩個方向拉力變化，應(yīng)變、拉伸速度控制系統(tǒng)采用Labview軟件控制系統(tǒng)，Labview軟件控制系統(tǒng)對伺服電機的控制和拉力傳感器信號采集進行集成，能夠進行同步控制與數(shù)據(jù)采集，拉力數(shù)據(jù)采集使用美國國家儀器公司生產(chǎn)的N1-USB6008數(shù)據(jù)采集卡，高精度滾珠絲杠驅(qū)動拉伸系統(tǒng)在預(yù)熱爐和拉伸爐間轉(zhuǎn)換，”風琴式”防護罩既起到密封腔體作用，又不占據(jù)空間，熱風循環(huán)系統(tǒng)能完成加熱腔體的快速升溫過程，同時保證腔體的溫度均勻性。
[0008]其中，裝置模擬實際薄膜拉伸加工條件時，實現(xiàn)對薄膜的拉伸方式、拉伸溫度、拉伸比和拉伸速率的精確控制。同時能采集拉伸過程中拉力的變化，揭示薄膜拉伸加工加工參數(shù)與薄膜結(jié)構(gòu)演化的關(guān)系。
[0009]本發(fā)明另外提供一種溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸裝置及實驗方法，利用上述薄膜雙向拉伸裝置，結(jié)合薄膜結(jié)構(gòu)表征方法(如X射線散射、掃描電鏡)，模擬工業(yè)薄膜拉伸加工條件，建立加工參數(shù)與薄膜結(jié)構(gòu)的關(guān)系。
[0010]該裝置研究拉伸條件對薄膜結(jié)構(gòu)影響時實驗步驟為:
[0011]步驟(I)、將高精度伺服電機的驅(qū)動器與應(yīng)變、拉伸速度控制系統(tǒng)連接，將應(yīng)變、拉伸速度控制系統(tǒng)分別與拉力傳感器連接，接通熱風循環(huán)系統(tǒng)電路；
[0012]步驟(2)、將高分子鑄片置于高壓氣動夾具內(nèi)，打開高壓氮氣，完成樣品裝夾；
[0013]步驟(3)、通過高精度滾珠絲杠將拉伸部件置于預(yù)熱爐工位，設(shè)定預(yù)熱爐溫度及拉伸爐溫度并開啟加熱系統(tǒng)；
[0014]步驟(4)、打開Labview軟件控制系統(tǒng)的Labview軟件控制界面，設(shè)定高精度伺服電機(I)的拉伸速率及拉伸時間；
[0015]步驟(5)、待預(yù)熱爐和拉伸爐達到設(shè)定溫度時，將拉伸部件移至拉伸爐工位，對樣品實施拉伸，同時記錄拉伸過程中拉力變化；
[0016]步驟(6)、通過對鑄片實施不同拉伸方式、拉伸速率及拉伸比，系統(tǒng)研究分子參數(shù)及外場參數(shù)對薄膜結(jié)構(gòu)演化的影響，將這些數(shù)據(jù)耦合起來最終獲得加工參數(shù)——薄膜結(jié)構(gòu)——產(chǎn)品性能的關(guān)系。
[0017]其中，基于Labview控制軟件,通過控制電機的轉(zhuǎn)速和時間，精確實現(xiàn)不同的拉伸速度及拉伸比。而且可以實現(xiàn)不同速度模式的拉伸:恒定拉伸速度、恒定應(yīng)變速率。
[0018]其中，”井”字形導(dǎo)軌獨立運動，可以實現(xiàn)不同的拉伸方式，具體為單向受限拉伸、單向不受限拉伸、雙向同步拉伸、雙向異步拉伸。
[0019]其中，采用熱風循環(huán)系統(tǒng)控溫，既能快速升溫，提高實驗效率，同時能保證樣品溫度的均勻性，滿足不同樣品的要求。
[0020]其中，拉伸爐和預(yù)熱爐側(cè)面密封采用”風琴式”防護罩，既起到密封爐體作用，又可節(jié)省整個裝置所占空間。
[0021]其中，Labview控制電機轉(zhuǎn)動的同時，可以采集兩個方向薄膜樣品拉力變化，得到不同樣品對不同外場刺激的響應(yīng)。
[0022]其中，拉伸爐和預(yù)熱爐在垂直方向尺寸較小，便于薄膜結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)如小角光散射聯(lián)用，原位跟蹤薄膜拉伸后結(jié)構(gòu)隨時間演化。
[0023]本發(fā)明與常用的拉伸裝置相比創(chuàng)新點主要有:
[0024]1、本發(fā)明采用相互垂直的”井”字形導(dǎo)軌，大大減小了裝置厚度方向的尺寸。
[0025]2、本發(fā)明高壓氣動夾具安裝在微型耐高溫直線導(dǎo)軌上，保證拉伸過程中穩(wěn)定運行。
[0026]3、本發(fā)明采用”風琴式”防護罩，既起到密封腔體作用，又不占據(jù)空間。
[0027]4、本發(fā)明采用工業(yè)熱風機能實現(xiàn)加熱腔體的快速升溫和溫度的精確控制。
[0028]5、本發(fā)明拉伸速率及拉伸比連續(xù)可調(diào)，且控制精確。
[0029]6、本發(fā)明可實時精確采集兩個方向拉力數(shù)據(jù)。
[0030]7、本發(fā)明可以針對不同的高分子薄膜材料，進行參數(shù)設(shè)定，對揭示高分子薄膜拉伸的科學(xué)問題具有普適性。
[0031]8、本發(fā)明的應(yīng)用前景:1)與廣角、小角X射線散射裝置聯(lián)用，系統(tǒng)地研究高分子薄膜拉伸過程中的基礎(chǔ)科學(xué)問題；2)模擬工業(yè)薄膜拉伸加工條件，揭示薄膜拉伸加工中結(jié)構(gòu)演化行為與加工性能和最終使用性能的關(guān)系，對薄膜工業(yè)加工有啟示作用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明所述溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中I為高精度伺服電機，2為”井”字形導(dǎo)軌，3為剪叉式機構(gòu)，4為高壓氣動夾具，5為拉力傳感器，6為薄膜樣品，7為預(yù)熱爐，8為拉伸爐，9為高精度滾珠絲杠，10為”風琴式”防護罩，11為Labview軟件控制系統(tǒng)，12為熱風循環(huán)系統(tǒng)。
[0033]圖2是用Labview軟件集成的雙軸電機控制及雙軸拉力采集界面；
[0034]圖3是該裝置預(yù)熱爐和拉伸爐溫度控制面板；其中圖3(a)為預(yù)熱爐溫度控制面板，圖3(b)拉伸爐溫度控制面板；
[0035]圖4是本發(fā)明完成樣品鑄片裝夾之后拉伸前的照片，拉伸之前樣品尺寸為104mm2 ；
[0036]圖5是本發(fā)明在不同拉伸方式下得到薄膜的照片，預(yù)熱溫度均為110°C，拉伸溫度均為152°C，拉伸完成之后在125°C下熱定型lOmin。其中圖5 (a)中單向受限拉伸機器方向速度為20mm/s，拉伸比為5，垂直方向夾具保持樣品寬度不變。圖5 (b)中單向不受限拉伸機器方向速度為20mm/s,拉伸比為5,垂直方向樣品自由收縮。圖5 (c)中雙向同步拉伸兩個方向速度均為20mm/s,拉伸比為5。圖5 (d)中雙向異步拉伸兩個方向先后完成拉伸,速度均為20mm/s，拉伸比為5 ；
[0037]圖6是本發(fā)明在不同拉伸方式下兩個方向拉力隨拉伸比變化曲線；其中圖6(a)為單向受限拉伸兩個方向力學(xué)曲線，圖6(b)為單向不受限拉伸機器方向力學(xué)曲線，圖6(c)為雙向同步拉伸兩個方向力學(xué)曲線，圖6(d)為雙向異步拉伸第一步拉伸時兩個方向力學(xué)曲線，圖6(e)為雙向異步拉伸第二步拉伸時兩個方向力學(xué)曲線。
[0038]圖7是本發(fā)明樣品在拉伸之前和不同拉伸方式下，聚丙烯薄膜二維小角散射花樣；其中圖7(a)為拉伸之前鑄片二維小角散射花樣，圖7(b)為單向受限拉伸得到薄膜的二維小角散射花樣，圖7(c)為單向不受限拉伸得到薄膜的二維小角散射花樣，圖7(d)為雙向同步拉伸得到薄膜的二維小角散射花樣，圖7(e)為雙向異步拉伸得到薄膜的二維小角散射花樣。
[0039]圖8是本發(fā)明所述在雙向同步拉伸條件下，兩個方向拉伸速度均為20mm/s時，拉伸比為3X5(如圖8(a)所示)和7X5(如圖8(b)所示)時，薄膜樣品照片示意圖；
[0040]圖9是本發(fā)明所述在雙向同步拉伸條件下，兩個方向速度為40mm/s，拉伸比均為5時，拉力隨拉伸比變化曲線。

【具體實施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖和實施例進一步說明書本發(fā)明。
[0042]一種溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸裝置，參見附圖1，包括高精度伺服電機1，”井”字形導(dǎo)軌2，剪叉式機構(gòu)3，高壓氣動夾具4，拉力傳感器5，薄膜樣品6，預(yù)熱爐7，拉伸爐8，為高精度滾珠絲杠9，”風琴式”防護罩10，應(yīng)變、拉伸速度控制系統(tǒng)11，熱風循環(huán)系統(tǒng)12 ；高精度伺服電機I驅(qū)動”井”字形導(dǎo)軌2獨立運動，使得剪叉式機構(gòu)3完成伸縮運動，剪叉式機構(gòu)3通過多個高壓氣動夾具4，實現(xiàn)對薄膜樣品6的拉伸，拉伸方式可以選擇為單向或雙向拉伸，運行速度連續(xù)可調(diào)，能夠很好地配合不同材料對拉伸速度的響應(yīng)，拉伸過程中，拉力傳感器5跟蹤兩個方向拉力變化，應(yīng)變、拉伸速度控制系統(tǒng)11選擇Labview軟件控制系統(tǒng)，對伺服電機I的控制和拉力傳感器5信號采集進行集成，能夠進行同步控制與數(shù)據(jù)采集，拉力傳感器5拉力數(shù)據(jù)采集使用美國國家儀器公司生產(chǎn)的N1-USB6008數(shù)據(jù)采集卡，采樣率為lOks/s，而在實驗過程中一般采用lks/s的采樣率，這種高速采集數(shù)據(jù)對于這種拉伸薄膜材料是非常重要的。既實現(xiàn)了拉力采集時間分辨達到I毫秒，同時也避免了過多的數(shù)據(jù)點帶來的處理數(shù)據(jù)復(fù)雜度。高精度滾珠絲杠9驅(qū)動該拉伸裝置的拉伸部分在預(yù)熱爐7和拉伸爐8間轉(zhuǎn)換，“風琴式”防護罩10用于爐體側(cè)面密封，既起到密封加熱腔體作用，又不占據(jù)空間，熱風循環(huán)系統(tǒng)能完成加熱腔體的快速升溫過程，同時保證加熱腔體的溫度均勻性。高精度伺服電機I選擇SGMGV-09ADC61，其編碼器分辨率高達16個脈沖/轉(zhuǎn)。
[0043]該裝置采用Labview軟件編寫伺服電機運動控制程序，通過電機驅(qū)動器將控制指令發(fā)給編碼器，控制電機精確運動，同時可以對薄膜施加不同速度模式的拉伸。
[0044]該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的薄膜加工參數(shù)，如溫度、拉伸方式、拉伸速度等能達到工業(yè)薄膜拉伸加工條件。
[0045]實驗實例:
[0046]加工參數(shù)對聚丙烯薄膜應(yīng)力響應(yīng)及結(jié)構(gòu)的影響。
[0047]實驗?zāi)康?
[0048]薄膜拉伸加工過程中，外場參數(shù)(拉伸方式、拉伸速度、拉伸比)對薄膜的結(jié)構(gòu)和形態(tài)有著重要影響，進而會影響薄膜產(chǎn)品的性能，如力學(xué)性能和光學(xué)性能。建立外場參數(shù)與薄膜結(jié)構(gòu)及性能的關(guān)系利于指導(dǎo)薄膜工業(yè)加工。本實驗旨在研究拉伸方式、拉伸速度、拉伸比對薄膜結(jié)構(gòu)及薄膜拉伸過程中應(yīng)力響應(yīng)的影響。
[0049]實驗過程:
[0050]聚丙烯熔體從擠出機口模擠出后經(jīng)冷卻輥驟冷得到0.7mm厚的鑄片，將鑄片裁剪成尺寸為130X130X0.7mm3的樣品后，裝夾在氣動夾具上，打開高壓氮氣閥，完成鑄片裝夾。鑄片被拉伸部分的尺寸為104mm2。設(shè)定預(yù)熱爐和拉伸爐的溫度，將拉伸部件移至預(yù)熱工位，待預(yù)熱至110°C時，將拉伸部件移至拉伸爐，2min后鑄片溫度達到拉伸溫度，對鑄片實施拉伸，拉力傳感器記錄拉伸過程中力的變化。薄膜完成拉伸之后，將拉伸部件移至預(yù)熱爐，熱定型lOmin，此時溫度為125°C。結(jié)合拉力和樣品形態(tài)，可以得到外場參數(shù)對薄膜結(jié)構(gòu)的影響。本實例固定拉伸溫度(152°C)，將拉伸方式、拉伸速度和拉伸比作為變量，研究外場參數(shù)對薄膜拉伸過程中力學(xué)響應(yīng)及結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響。
[0051]實驗結(jié)果:
[0052]圖5是在不同拉伸方式下得到薄膜的照片，其中單向受限拉伸垂直方向夾具保持樣品寬度不變，單向不受限拉伸垂直方向樣品自由收縮，雙向同步拉伸兩個方向同時拉伸，雙向異步拉伸兩個方向先后完成拉伸。
[0053]圖6是不同拉伸方式下工程應(yīng)力應(yīng)變曲線。單向受限拉伸機器方向速度是20mm/s，拉伸比是5，垂直方向夾具保持薄膜厚度方向?qū)挾炔蛔儭？梢钥闯觯瑱C器方向拉力經(jīng)歷線性增加后到達屈服點，之后拉力經(jīng)歷下降過程，而垂直方向拉力在屈服點之后保持不變。單向不受限拉伸機器方向速度是20mm/s，拉伸比是5，垂直方向樣品寬度自由收縮，因而無拉力信息，機器方向拉力在屈服點之后有緩慢上升，原因是分子鏈沿機器方向取向。雙向同步拉伸兩個方向速度均為20mm/s，拉伸比均為5，兩個方向的拉力在屈服點之后均緩慢下降，由于鑄片沿機器方向有一定的預(yù)取向，拉伸過程中機器方向拉力略大于垂直方向。雙向異步拉伸是分步進行的，機器方向拉伸時(拉伸比是5)，垂直方向夾具保持樣品寬度不變，拉力變化和單向受限拉伸時類似；垂直方向拉伸時，機器方向夾具保持樣品寬度不變，垂直方向拉力經(jīng)歷線性增加-屈服-緩慢下降過程，由于機器方向沒有拉伸，拉力變化由樣品收縮引起，變化幅度較小。
[0054]圖7為鑄片及不同拉伸方式下薄膜的二維小角散射花樣，鑄片的散射圖是彌散的環(huán)，豎直方向強度有微弱增加，表明鑄片有較弱的取向，這也是機器方向拉力大于垂直方向拉力的原因。單向受限拉伸和單向不受限拉伸得到的薄膜，在拉伸方向出現(xiàn)散射極大值，表明拉伸過程中形成了分子鏈沿拉伸方向取向的片晶結(jié)構(gòu)。對于雙向同步拉伸和雙向異步拉伸得到的薄膜，其散射花樣是彌散的，表明同步拉伸生成了各向同性的片晶，且周期性不好。
[0055]圖8為在雙向同步拉伸方式下，拉伸速度為20mm/s時，拉伸比分別為3 X 5和7 X 5時得到薄膜的照片。
[0056]圖9為在雙向同步拉伸方式下，兩個方向拉伸比為5時，拉伸速度均為40mm/s時拉力變化曲線，可以看出，機器方向拉力值大于拉伸速度為20mm/s時的拉力，且在機器方向出現(xiàn)了應(yīng)變硬化現(xiàn)象。
[0057]實驗結(jié)論:
[0058]從圖5照片和圖7 二維小角散射圖可以看出，不同的拉伸方式得到薄膜結(jié)構(gòu)不同，因而產(chǎn)品會有不同的用途。
[0059]從圖6和圖8的拉力隨拉伸比變化曲線中可以看出，增加拉伸速度可以增加薄膜中分子鏈取向，以達到增加薄膜的性能的目的。
[0060]本發(fā)明未詳細闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
[0061]盡管上面對本發(fā)明說明性的【具體實施方式】進行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于【具體實施方式】的范圍，對本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。
【權(quán)利要求】
1.一種溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸裝置，其特征在于:包括高精度伺服電機(1)，”井”字形導(dǎo)軌(2)，剪叉式機構(gòu)(3)，高壓氣動夾具(4)，拉力傳感器(5)，預(yù)熱爐(7)，拉伸爐(8)，高精度滾珠絲杠(9)，”風琴式”防護罩(10)，應(yīng)變、拉伸速度控制系統(tǒng)(11)和熱風循環(huán)系統(tǒng)(12);其中: 高精度伺服電機(I)驅(qū)動”井”字形導(dǎo)軌(2)獨立運動，使得剪叉式機構(gòu)(3)完成伸縮運動，剪叉式機構(gòu)(3)通過多個高壓氣動夾具(4)，實現(xiàn)對薄膜樣品(6)的拉伸，拉伸過程中，拉力傳感器(5)跟蹤兩個方向拉力變化，應(yīng)變、拉伸速度控制系統(tǒng)(11)對伺服電機的控制和拉力傳感器信號采集進行集成，能夠進行同步控制與數(shù)據(jù)采集，拉力傳感器(5)的拉力數(shù)據(jù)采集使用美國國家儀器公司生產(chǎn)的N1-USB6008數(shù)據(jù)采集卡，高精度滾珠絲杠(9)驅(qū)動該拉伸裝置的拉伸部分在預(yù)熱爐(7)和拉伸爐(8)間轉(zhuǎn)換，”風琴式”防護罩(10)用于爐體側(cè)面密封，既起到密封加熱腔體作用，又不占據(jù)空間，熱風循環(huán)系統(tǒng)(12)能完成加熱腔體的快速升溫過程，同時保證加熱腔體的溫度均勻性，應(yīng)變、拉伸速度控制系統(tǒng)(11)使用Labview軟件控制系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸裝置，其特征在于，高壓氣動夾具(4)兩個方向獨立運動，可以實現(xiàn)單向、雙向同步、雙向異步的拉伸方式，且精確控制拉伸速率和拉伸比，并實時檢測樣品的流變和力學(xué)性能參數(shù)，實現(xiàn)薄膜預(yù)熱、拉伸、退火過程的精準控溫，模擬實際薄膜拉伸加工條件，揭示薄膜拉伸加工中結(jié)構(gòu)演化行為與加工性能的關(guān)系。
3.—種溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸的實驗方法，利用權(quán)利要求1所述的溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸裝置，結(jié)合薄膜結(jié)構(gòu)表征方法，模擬工業(yè)薄膜拉伸加工條件，建立加工參數(shù)與薄膜結(jié)構(gòu)的關(guān)系； 該方法研究拉伸條件對薄膜結(jié)構(gòu)影響時實驗步驟為: 步驟(I)、將高精度伺服電機(I)的驅(qū)動器與應(yīng)變、拉伸速度控制系統(tǒng)(11)連接，將應(yīng)變、拉伸速度控制系統(tǒng)(11)分別與拉力傳感器(5)連接，接通熱風循環(huán)系統(tǒng)電路； 步驟(2)、將高分子鑄片置于高壓氣動夾具(4)內(nèi)，打開高壓氮氣，完成樣品裝夾； 步驟(3)、通過高精度滾珠絲杠(9)將拉伸部件置于預(yù)熱爐(7)工位，設(shè)定預(yù)熱爐(7)溫度及拉伸爐(8)溫度并開啟預(yù)熱爐(7)和拉伸爐(8)加熱系統(tǒng)； 步驟(4)、打開Labview軟件控制系統(tǒng)的Labview軟件控制界面,設(shè)定高精度伺服電機(I)的拉伸速率及拉伸時間； 步驟(5)、待預(yù)熱爐和拉伸爐達到設(shè)定溫度時，將拉伸部件移至拉伸爐工位，對樣品實施拉伸，同時記錄拉伸過程中拉力變化； 步驟(6)、通過對鑄片實施不同拉伸方式、拉伸速率及拉伸比，系統(tǒng)研究分子參數(shù)及外場參數(shù)對薄膜結(jié)構(gòu)演化的影響，將這些數(shù)據(jù)耦合起來最終獲得加工參數(shù)——薄膜結(jié)構(gòu)——廣品性能的關(guān)系。
4.如權(quán)利要求3所述的一種溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸的實驗方法，其特征在于，基于Labview控制軟件,通過控制電機的轉(zhuǎn)速和時間，精確實現(xiàn)不同的拉伸速度及拉伸比，而且可以實現(xiàn)不同速度模式的拉伸:恒定拉伸速度、恒定應(yīng)變速率。
5.如權(quán)利要求3所述的一種溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸的實驗方法，其特征在于，“井”字形導(dǎo)軌獨立運動，可以實現(xiàn)不同的拉伸方式，具體為單向受限拉伸、單向不受限拉伸、雙向同步拉伸、雙向異步拉伸。
6.如權(quán)利要求3所述的一種溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸的實驗方法，其特征在于，采用熱風循環(huán)系統(tǒng)控溫，既能快速升溫，提高實驗效率，同時能保證樣品溫度的均勻性，滿足不同樣品的要求。
7.如權(quán)利要求3所述的一種溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸的實驗方法，其特征在于，拉伸爐和預(yù)熱爐側(cè)面密封采用”風琴式”防護罩，既起到密封爐體作用，又可節(jié)省整個裝置所占空間。
8.如權(quán)利要求3所述的一種溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸的其實驗方法，其特征在于，Labview控制電機轉(zhuǎn)動的同時，可以采集兩個方向薄膜樣品拉力變化，得到不同樣品對不同外場刺激的響應(yīng)。
9.如權(quán)利要求3所述的一種溫控高速大應(yīng)變薄膜雙向拉伸的其實驗方法，其特征在于，拉伸爐和預(yù)熱爐在垂直方向尺寸較小，便于同薄膜結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)聯(lián)用，原位跟蹤薄膜拉伸后結(jié)構(gòu)隨時間演化。
【文檔編號】G01N3/18GK104132853SQ201410387451
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月7日
【發(fā)明者】李良彬, 孟令蒲, 林元菲, 陳曉偉, 徐佳麗, 李薛宇, 張瑞, 張前磊 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)