万能拉力试验机在柔性材料测试中的应用：以水凝胶贴片为例

随着柔性材料科学的快速发展，水凝胶作为一种具有三维高分子网络结构的高含水材料，因其独特的生物相容性、可调控力学性能和环境响应性，在多个领域展现出广阔的应用前景。

从传统的伤口敷料、药物递送系统到新兴的柔性电子器件和工程防护领域，水凝胶材料正经历着从实验室研究向实际应用的关键转变。特别是在人体可穿戴应用中，水凝胶贴片需要具备与人体表皮相匹配的力学性能，以实现在动态使用条件下的稳定粘附与功能保持。

本文科准测控小编将通过系统的控制加载-卸载试验，深入分析水凝胶贴片在不同应变条件下的力学响应和能量耗散特性，为其应用性能评估提供科学依据。

一、测试原理

控制加载-卸载测试是评估材料循环力学性能的重要方法，特别适用于分析水凝胶等粘弹性材料在动态应力作用下的行为。该测试通过连续施加不同幅度的拉伸应变并记录应力响应，能够全面表征材料的以下特性：

非线性弹性行为：水凝胶的应力-应变曲线通常呈现明显的非线性特征，反映其网络结构的复杂变形机制。

迟滞现象：加载与卸载路径不重合形成的迟滞环，体现了材料内部能量耗散过程，包括分子链摩擦、动态键断裂与重组等。

疲劳损伤累积：通过多级应变循环可观察材料性能的演变，评估其抗疲劳特性。

迟滞能（Hysteresis Energy）指加载-卸载循环中应力-应变曲线包围的面积，计算公式为：

∮σdε（积分沿整个循环路径）

能量耗散系数（Energy Dissipation Coefficient）定义为迟滞能与加载过程总输入能量的比值，反映材料将机械能转化为热能的效率。

二、测试标准

ISO 37:2017 《硫化橡胶或热塑性橡胶——拉伸应力-应变性能的测定》

ASTM D412-16 《硫化橡胶和热塑性弹性体的标准试验方法——拉伸性能》

ASTM D638-14 《塑料拉伸性能的标准试验方法》

三、测试仪器

1、KZ-68SC-05XY万能拉力试验机

1. 气动夹具

型号：50N/100N气动单推夹具

夹持面：锯齿状防滑设计

气压调节范围：0.2-0.8MPa

1. 试验条件

试 验 温 度：25℃

试 验 速 度：50 mm/min

载荷传感器： 50 N（0.5 级）

1. 测试流程

步骤一、试样尺寸

长度：61.50mm

宽度：40.50mm

厚度：0.78mm

标距：25mm（夹具间距）

制备要求：

使用精密裁刀切割，确保边缘整齐无缺陷

厚度均匀，偏差不超过±0.02mm

测试前在25°C环境下平衡24小时

步骤二、仪器准备

校准载荷传感器和位移传感器

设置气动夹具压力为0.5MPa

预热试验机至25°C

步骤三、试样安装

调整夹具间距至25mm

垂直夹持试样两端，确保对中

启用样品保护功能，预加载至0.5N

步骤四、测试参数设置

试验速度：50mm/min

应变级别：10%、20%、30%、40%、50%

每个应变级别完成一个完整的加载-卸载循环

循环间无停顿

步骤五、数据采集

连续记录力-位移曲线

采样频率≥100Hz

自动计算各循环的最大力、迟滞能、耗散系数

步骤六、测试终止

完成所有预设应变级别

或试样发生断裂（力值骤降超过90%）

五、结果分析

通过对水凝胶试样进行控制加载-卸载测试，获得如下典型结果：

1、力学性能变化

最大载荷从10%应变时的3.643N增加到50%应变时的12.755N

呈现典型的应变硬化特征，反映高分子网络取向和链伸展

2、能量耗散特性

迟滞能随应变增加而增大，表明绝对耗能量增加

能量耗散系数降低，说明弹性储能比例提高

第一循环迟滞明显，反映初始网络结构调整

3、微观机制解释

初始循环的显著迟滞源于动态交联点（如氢键）的断裂

后续循环中，共价交联网络主导弹性响应

耗散系数降低表明材料逐渐趋于稳定状态

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