1、應(yīng)用背景介紹
PI膜(聚酰亞胺膜)指主鏈上含有酰亞胺環(huán)(-CO-N-CO-)的一類聚合物，是綜合性能最佳的有機高分子材料之一。其耐高溫達400°C以上，長期使用溫度范圍-200～300°C，部分無明顯熔點，高絕緣性能，103赫茲下介電常數(shù)4.0，介電損耗僅0.004～0.007，屬F至H級絕緣。PI加熱片可提供各種形狀、規(guī)格和功率大小的撓性電加熱板,厚度僅0.25mm,可以根據(jù)工件的形狀任意彎曲，確保與工件接觸緊密，保證的熱能傳遞。
聚酰亞胺作為一種特種工程材料，已廣泛應(yīng)用在航空、航天、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領(lǐng)域。上世紀60年代，各國都在將聚酰亞胺的研究、開發(fā)及利用列入 21世紀最有希望的工程塑料之一。聚酰亞胺，因其在性能和合成方面的突出特點，不論是作為結(jié)構(gòu)材料或是作為功能性材料，其巨大的應(yīng)用前景已經(jīng)得到充分的認識，被稱為是"解決問題的能手"(problem solver)，并認為"沒有聚酰亞胺就不會有今天的微電子技術(shù)"。
如何測試PI膜在一定溫度環(huán)境下的屈服強度、延伸率、泊松比、楊氏模量等力學性能，并且在測試過程可以觀察到PI膜的斷裂過程，這些參數(shù)是制定柔性電子制造過程工藝關(guān)鍵參數(shù)。一般情況下，該類測試載荷精度要求較高，且樣品小，在進行屈服、強度、延伸率等力學性能測試時，更重要的是保證溫度的冷熱環(huán)境，且還需配備DIC或視覺引伸計。文天精策儀器科技(蘇州)有限公司研發(fā)的冷熱原位拉伸測試系統(tǒng)可以解決該類小尺度變溫環(huán)境的的測試。
2、冷熱原位拉伸顯微測試系統(tǒng)介紹
冷熱原位拉伸測試系統(tǒng)主要應(yīng)用于小尺度的相關(guān)的生物、金屬、陶瓷、涂層、玻璃、有機聚合物、纖維等各種材料科學研究，可實現(xiàn)溫度范圍-190~600℃，溫控精度±0.1℃，最大載荷5kN。冷熱原位拉伸測試系統(tǒng)通過實時獲取材料動態(tài)載荷下，形變和溫度等數(shù)據(jù)，并結(jié)合DIC或視頻引伸計聯(lián)用進行材料微觀結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了定量分析材料微觀力學性質(zhì)、相變行為、取向變化、裂紋萌生和擴展、材料疲勞和斷裂機制、材料彎曲、高溫蠕變性、分層、形成滑移面以及脫落等現(xiàn)象，實現(xiàn)各種材料性能的研究。
a.可適應(yīng)多種材料測試，可用于金屬、半導體、陶瓷、高分子、纖維復合涂層等多個學科的材料科學研究；
b.變溫范圍寬，可實現(xiàn)-190~600℃，溫控精度±0.1℃；
c.載荷加載功能多，可更換多種專用夾具，可實現(xiàn)測試樣品的拉伸、擠壓、彎曲測試等；最大拉伸載荷5kN，載荷精度0.5%；
d.視覺系統(tǒng)非接觸測量，避免接觸對測量的影響；
e.亞像素級精度，圖像相關(guān)法，計算精度高；
f.多方向同測，對縱、橫向應(yīng)變同時計算；
g.多點對共測，適用于多試樣、多標段測試。
圖1視頻引伸計(顯微版)
視頻引伸計采用非接觸式測量方式，對于試樣的大小、材質(zhì)等限制較小，非常適合用于小尺寸試樣測量中使用。
3、使用方法步驟
在柔性小尺寸試樣測試過程中，冷熱原位拉伸測試系統(tǒng)的使用方法及步驟如下：(1)通過專用的小試樣散斑噴涂裝置，制作散斑涂層。當然，也可以通過畫線等方式制作標記，視頻引伸計均可支持，但制作散斑涂層后面還可以擴展到其他用途，所以我們建議處理為散斑涂層。制作完成的試樣類似下圖。
圖2 小尺寸試樣散斑噴涂效果
(2)夾持試樣，將小試樣正常放在對應(yīng)的試驗機上夾持住。
圖3 冷熱原位拉伸測試系統(tǒng)加載試樣
圖4 小尺寸試樣使用原位臺夾持
(3)架設(shè)視頻引伸計，保證視頻引伸計和試樣的對中。在視頻引伸計的軟件中，可通過快捷鍵調(diào)出對中輔助線，幫助方便快捷的調(diào)節(jié)對中。同時，視頻引伸計軟件內(nèi)置的算法，也有消除部分對中偏差的功能。
圖5 視頻引伸計對中輔助界面
(4)選擇標距。通過視頻引伸計將變形數(shù)值實時傳輸?shù)皆囼灆C上，
圖6 配合試驗機得到應(yīng)力應(yīng)變曲線
(5)設(shè)置溫度值、拉伸速度，開始測試。一般情況下，通過溫控界面輸入目標溫度，保持一段時間后，等待溫度穩(wěn)定后開始加載測試。冷熱原位拉伸測試系統(tǒng)會得到應(yīng)力應(yīng)變曲線，最后計算得到彈性模量、斷裂延伸率等參數(shù)。
圖7 升溫曲線
圖8 溫度波動曲線
圖9 應(yīng)力應(yīng)變曲線
4、冷熱原位拉伸測試系統(tǒng)測試優(yōu)勢
冷熱原位拉伸測試系統(tǒng)在小尺寸試樣測試中，優(yōu)勢如下：
(1)冷熱溫控范圍大，精度高，從-190~600℃范圍可保持任意溫度值，溫度波動±0.1℃；
(2)冷熱塊緊貼測試樣品，樣品溫差??；
(3)可更換多種專用夾具，可實現(xiàn)測試樣品的拉伸、擠壓、彎曲、疲勞測試等；拉伸載荷200N~5000N，可更換測試量程；
(4)系統(tǒng)軟件提供多種模式的材料檢測模式，溫度、載荷、位移閾值設(shè)置，曲線生成、三維圖像生成，數(shù)據(jù)自動采集、多種格式輸出。
(5)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，占用空間?。?br />
(6)視覺引伸計最高分辨力0.2μm，精度高于1μm。
(7)可擴展應(yīng)變、位移云圖分析。
圖10 計算得到的位移場(上)和應(yīng)變場(下)
5、總結(jié)
冷熱原位拉伸測試系統(tǒng)可在柔性小尺寸試樣中，高精度實時獲取不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，是解決柔性小尺寸試樣變溫環(huán)境應(yīng)力應(yīng)變測量問題的較佳方案。文天精策儀器科技(蘇州)有限公司針對小尺寸試樣力學試驗中的測量難題，可為用戶提供成套解決方案，在小試樣的加載裝置、夾具設(shè)計、環(huán)境控制等方面均有相關(guān)解決方案。
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