Chất đàn hồi polydimethylsiloxane (PDMS) được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực cảm biến linh hoạt, hệ thống quang học linh kiện điện tử và cơ sinh học do tính linh hoạt, tính trong suốt quang học, không cháy, ổn định hóa học, không độc hại, tương thích sinh học và chi phí thấp. Trong các ứng dụng này, các thành viên PDMS thường ở trạng thái căng thẳng đa trục phức tạp và đi kèm với hành vi biến dạng lớn. Để đạt được sự lựa chọn hợp lý của vật liệu mềm trong điều kiện làm việc thực tế, điều quan trọng là phải mô tả chính xác và dự đoán phản ứng căng thẳng-căng thẳng của PDMS ở các chế độ biến dạng khác nhau. Để đạt được mục đích này, Satya Pal và Abir Bhattacharya của Viện Công nghệ Ấn Độ đã thực hiện các phép đo chính xác về trường căng thẳng trên bề mặt của mẫu thử dưới sự căng thẳng hạn chế bằng cách sử dụng kỹ thuật liên quan kỹ thuật số hình ảnh không tiếp xúc (DIC), thảo luận về ảnh hưởng của các mẫu biến dạng đối với phản ứng căng thẳng của chúng và trên cơ sở đó xác định các quy luật tiến hóa của tỷ lệ Poisson theo sự căng thẳng của PDMS.

Bài viết này lần đầu tiên được kiểm tra cơ học ở chế độ nén trục đơn, kéo dài trục đơn và biến dạng cắt đơn giản, với mô hình mẫu được hiển thị trong Hình 1 và sự tiến hóa của trường căng thẳng trong quá trình này được thu thập bởi PDMS thông qua DIC như trong Hình 2 đến Hình 4. Kết quả cho thấy công nghệ DIC có thể mô tả tốt hơn quy luật tiến hóa của trường căng thẳng theo thời gian tải của PDMS ở các chế độ biến dạng khác nhau.

Hình 1 Mô hình mẫu

Hình 2 Biến dạng trục theo thời gian trong điều kiện làm việc nén trục đơn

Hình 3 Căng thẳng kéo dài phát triển theo thời gian trong điều kiện làm việc kéo dài trục đơn

Hình 4: Biến dạng cắt theo thời gian trong điều kiện cắt đơn giản

Dựa trên các phép đo trường căng ở trên, bài viết này nghiên cứu các đường cong quan hệ căng thẳng-căng thẳng của PDMS để thu được tỷ lệ đóng rắn khác nhau trong nén trục đơn, kéo dài trục đơn và điều kiện làm việc cắt đơn giản, như thể hiện trong Hình 5. Kết quả cho thấy tỷ lệ đóng rắn càng cao, mô đun rõ ràng của PDMS càng lớn. Có sự khác biệt lớn trong hành vi cơ học của PDMS ở các chế độ biến dạng khác nhau, hành vi phi tuyến tính là đáng kể trong điều kiện nén trục đơn, và hành vi làm cứng căng thẳng chiếm ưu thế; PDMS trong điều kiện làm việc cắt đơn giản thể hiện mối quan hệ căng thẳng-căng thẳng của độ đàn hồi gần đúng; Trong khi dưới độ bền kéo trục đơn, khi chất đóng rắn chiếm tỷ lệ tương đối cao (10: 1), PDMS cho thấy phản ứng phi tuyến tính đầu tiên làm mềm sau khi cứng, trong khi chất đóng rắn chiếm tỷ lệ tương đối thấp chỉ cho thấy làm mềm căng thẳng. Hiện tượng này có thể liên quan đến phạm vi căng thẳng trung bình được nghiên cứu trong bài viết này.

Hình 5 Mối quan hệ căng thẳng-căng thẳng của PDMS ở các chế độ biến dạng khác nhau

Cuối cùng, quy luật tiến hóa của tỷ lệ Poisson với sự căng thẳng của PDMS thu được trực tiếp từ dữ liệu trường căng thẳng trong thử nghiệm độ bền kéo trục đơn, như trong Hình 6. Kết quả cho thấy tỷ lệ Poisson không liên quan đến tỷ lệ căng thẳng, tỷ lệ đóng rắn, trung bình khoảng 0,44. Bài viết này dựa trên giả định độ đàn hồi tuyến tính để thu được mô đun Young và mô đun đàn hồi của PDMS riêng biệt, dẫn đến giá trị tỷ lệ Poisson gần với kết quả tỷ lệ Poisson thu được trực tiếp thông qua trường căng thẳng. PDMS hoạt động như một chất rắn không nén được dưới các biến dạng nhỏ và có thể mô tả hành vi cơ học của nó thông qua các mô hình đàn hồi tuyến tính.

Hình 6 Sự tiến hóa của tỷ lệ PDMS Poisson với căng thẳng kéo

Tóm lại, bài viết này đã sử dụng DIC để đo trường căng bề mặt của PDMS ở ba chế độ biến dạng điển hình và xác định kích thước của tỷ lệ Poisson dựa trên giả thuyết đàn hồi tuyến tính và các phép đo căng thẳng trực tiếp, tương ứng. Kết quả cho thấy có sự khác biệt đáng kể trong hành vi cơ học của PDMS ở các chế độ biến dạng khác nhau, có thể được coi là chất rắn đàn hồi tuyến tính trong các điều kiện biến dạng nhỏ. Cần lưu ý rằng vì phạm vi nghiên cứu căng thẳng trong bài viết này không vượt quá 40%, hành vi xơ cứng căng thẳng của PDMS không được thể hiện đầy đủ. Do đó, các nghiên cứu thực nghiệm về mức độ căng thẳng lớn hơn vẫn cần thiết khi thiết lập các mô hình cấu trúc phi tuyến tính trong điều kiện biến dạng lớn, trong đó khả năng áp dụng phương pháp DIC có thể bị hạn chế.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Polymer Testing với tựa đề "Measurement of axial and shear mechanical response of PDMS elastomers and determination of Poisson's ratio using digital image correlation".