CellScale BioTester双轴力学试验机表征机翼蒙皮乳胶材料的机械性能

变形飞机不断调整其机翼几何形状，以在各种飞行条件下实现最佳飞行特性。变形飞机技术的设计挑战之一是开发能够促进变形的蒙皮，同时保持机翼的空气动力学形状。软聚合物材料因其可在多轴方向上发生大变形和非常低的刚度而被广泛应用。来自哈利法科学技术大学(Khalifa University)的Rafic M. Ajaj团队，表征了乳胶蒙皮在所有可能模式下的变形，例如单轴、纯剪切、双轴和等双轴，以考虑单晶型和多晶型应用。还研究了应变率、厚度和长径比对磁滞损失、应力松弛和刚度的影响。

全面了解乳胶蒙皮在不同变形模式下的非线性粘弹性行为以及大变形下的明显耗散损失，为模拟整个耦合变形翼结构（刚性和软性）铺平道路，所以需要在所有可能的变形模式下对这类材料进行全面表征。

在单轴(UX)，纯剪切(PS)，双轴(BX)和等双轴(EB)变形模式下测试乳胶的双轴测试设备，最大应变为80%。每个夹具由五个间距1 mm的小钨(W)齿组成。将每侧五个等距的尖齿插入试样中。每个齿的直径为305 μm，穿刺深度为1.9 mm。在初始试样上手动标记矩形，当试样发生变形时，会检测到真实的应变。

对于双轴试验，取正方形试样，边长7mm。使用剪刀将试样切割成所需的尺寸。夹具安装在拐角处，以实现夹具与夹具之间的距离为6 mm，用纸包裹以防止打滑。选择用于测试的材料是乳胶皮。乳胶是一种天然橡胶基半透明聚合物。这些板材采用高质量的表面处理，对各种材料具有出色的粘附性能。

在1.66%/s的固定应变率下，不同厚度的UX、PS、BX和EB变形模式的加卸载曲线。对于双轴，Y方向应变率(BX-Y)为X方向应变的50%，即0.83%/s。使用三种厚度(0.25，0.50，1.05 mm)的乳胶进行实验。磁滞损耗是粘弹性材料的典型行为，由多余能量的耗散引起。多余的能量是由于在装卸循环中周围和乳胶皮之间的热传递而产生的。当加载时，乳胶的分子链、缠结和交联变得更加定向。这降低了随机性，从而减少了产生加热效应的材料熵。另一方面，在卸载过程中，链和纠缠的随机性增加，从而增加了熵。因此，它变得更冷，因此从环境中吸收热量以达到平衡温度。周围环境和材料之间的这种传热会导致滞后损失。

随着厚度的增加，特定应变下的应力不断减小。这主要是由于两个原因。一是对于较薄的片材，乳胶的横截面积较小。因此，施加在厚板上的力值相同时，会产生更多的应力。第二个原因是，与较厚的链相比，薄片中的链和交联数量较少。因此，薄材料内部的链条被迅速拉伸，与厚板相比，需要更大的力才能达到特定的应变。

试样以0.018/s的固定应变速率拉伸50 s以达到约80%应变，然后保持600 s以达到平衡状态。然后以相同的应变率将其带回原始位置以完成测试。

当有负载时，链之间的随机性和内摩擦和交联减少。在较高的应变率下，链、缠绕和交联没有足够的时间放松。由于材料的这种粘弹性，在较高的应变率下变得更硬。这种现象在较高的应变率下会导致更多的滞后损失。弹性模量（刚度）也随着应变率的增加而增加。

总之：纯剪切变形模式产生的滞后损失和应力松弛最小。另一方面，双轴模式创造了最高的刚度。滞后损失随应变率的增加而增加，但随长宽比而减小。同样，变形中的主要机械性能，如滞后损失、应力松弛、割线弹性模量和特定应变下的应力，随厚度而明显下降。这种类型的柔性材料更适合单晶型机翼应用，其中由于刚度较低，需要较少的驱动力。就自由度而言，平面变形似乎是乳胶蒙皮最有前途的应用。

研究论文以"Multiaxial mechanical characterization of latex skin for morphing wing application"为题，发表在《Polymer Testing》杂志上。

doi: 10.1016/j.polymertesting.2021.107408