彈性材料的動態(tài)測試

    現(xiàn)代彈性體的動態(tài)材料性能數(shù)據(jù)比以前任何時候更為重要。彈性組份在所有產(chǎn)品，從汽車、計算機到高爾夫球中都起著關(guān)鍵作用。預測產(chǎn)品有效期內(nèi)的防震性和負荷性能非常重要。為了保證獲得準確的模型，必須收集各種工作條件下的動態(tài)材料性能數(shù)據(jù)，包括動態(tài)負荷條件、溫度史和疲勞史，尤其在投資是采用非線性有限單元分析工具進行新產(chǎn)品開發(fā)時更是這樣，因為材料性質(zhì)不準確會導致不準確的性能預測。

液壓伺服測試系統(tǒng)一直被用于測試彈性組分，其高負載能力和較長的行程非常適用于測量各組分的行為，但這種技術(shù)用于表征基礎(chǔ)材料時也有缺點。傳統(tǒng)的DMA/DMTA測試系統(tǒng)是第二選擇，但它們?nèi)狈Ρ碚鞣蔷€性彈性體，如充氣輪胎用途和隔振設(shè)備所需的負荷和行程范圍。

一種新型電磁技術(shù)對于許多彈性材料的動態(tài)表征看來都是完美的選擇，它使用一個活動磁鐵而不是活動線圈。不管需要完成的是動態(tài)機械分析、應力松馳、蠕變、超彈性、高周疲勞還是龜裂增長試驗，此新技術(shù)的性能范圍都可保證模型能預測真實世界的行為。

以往的觀點

正如上面提到的那樣，現(xiàn)有兩種技術(shù)用于彈性材料的動態(tài)試驗。每種技術(shù)都有其各自的優(yōu)點和缺點，因此有著各自適合的細分市場領(lǐng)域。包括：

液壓技術(shù)，其高壓油（200-350bar）提供能量推動活塞；
電磁技術(shù)，通常稱為語音線圈，它的固定磁鐵和活動線圈（電磁）相互作用產(chǎn)生運動。

液壓系統(tǒng)，類似MTS系統(tǒng)和Instron，可提供很寬的頻率范圍（靜態(tài)到1000赫茲）和較高的負荷（10000牛頓或更高）。這些能力結(jié)合在一起使得這項技術(shù)成為動態(tài)測試的常規(guī)選擇。

不過，液壓系統(tǒng)非常昂貴，而且它有許多活動部件和密封件，維護費用高。另外，其能源成本也很高，因為泵必須連續(xù)運轉(zhuǎn)，而且油被看作有害廢料，一旦污染就必須更換。由于傳動裝置和/或伺服閥的密封件摩擦，分辨率和保真度可能受到限制，而且傳動裝置的活動質(zhì)量非常高。在多軸應用時由于摩擦，傳動裝置的側(cè)向負荷還會引起波形扭曲或密封件磨損。

與Rheometric Scientific、TA Instruments、ThermoHaake和Mettler Toledo公司電磁系統(tǒng)類似的系統(tǒng)可以創(chuàng)造從靜態(tài)到高頻（某些超過400赫茲）的高保真運動。它們已被廣泛用于各種測試條件下聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測量、模擬固化過程和聚合物的動態(tài)性能表征。

這些系統(tǒng)非常節(jié)能：不過大多使用空氣軸承，會需要一個氣壓源。負荷范圍寬（從毫微牛頓到幾百牛頓），但是大多數(shù)用于材料測試的系統(tǒng)都限制在40牛頓或更低的最大負荷。行程范圍通常也受到限制（6mm或更?。?。雖然用于保持電磁系統(tǒng)校準（機械、空氣軸承或隔膜）的系統(tǒng)通常需要維護，以保證最佳性能，但維護成本通常很低，這也使得活動線圈具有有限的疲勞壽命。線圈組合件的活動質(zhì)量相當高，這限制了其動態(tài)性能。

為什么要采用活動電磁馬達

Bose公司在電磁、材料科學和運動控制方面具有技術(shù)優(yōu)勢，它使用活動線圈馬達設(shè)計（例如聲轉(zhuǎn)換器...）最終開發(fā)出了高性能的線性傳動裝置。最近，Bose公司又推出了一種完全不同類型的線性傳動裝置，被稱為活動電磁馬達，它在動態(tài)材料性能測試時的能力要高得多，而且沒有了傳統(tǒng)材料測試技術(shù)的一些缺陷。

線性馬達設(shè)計有著以下材料測試優(yōu)勢：

負荷范圍（從毫微牛頓到最高可達6000牛頓）和行程范圍（毫微米到25毫米）覆蓋了材料測試需要的大部分區(qū)域；
很高的馬達輸出力，加上低磁鐵質(zhì)量，意味著加速度最高可達1500米/平方秒，頻率超過400赫茲，速度高于3米/秒；
優(yōu)異的動態(tài)性能，加上無摩擦阻力的撓性懸掛系統(tǒng)，提供優(yōu)異的保真度和準確性；
線性馬達高度節(jié)能，因為電能是與所需負荷成正比（無需氣壓源或油壓源，而且沒有機械摩擦損失）； 
沒有密封件或軸承的摩擦磨損，沒有活動部件和浮動磁頭，線性馬達已證實具有特別優(yōu)異的耐用性，運轉(zhuǎn)150億周期以上未出現(xiàn)故障或進行維修。無需維護、更換油或濾清器。

活動電磁馬達是如何工作的？

圖1是活動電磁馬達的一個簡單圖示?；顒与姶篷R達的磁性部分由三個基本元素組成：磁鐵、線圈和磁心。磁鐵左右移動，而線圈和磁心保持靜止。

為了滿足測試市場的需要，Bose公司在活動磁鐵馬達上使用了最新技術(shù)的含釹鐵硼（NdFeB）磁鐵。描述此功能的一個簡單方法就是把磁心和線圈組合看作一個隨電流產(chǎn)生北極和南極的電磁。施加電流時，磁鐵的適當極相互吸引或排斥，產(chǎn)生力。電流越強，產(chǎn)生的力就越大。

磁鐵是如何懸掛在間隙中？

為了使馬達性能保持最佳，磁鐵和磁心之間的間隙和磁鐵厚度比必須非常小。機械懸掛可實現(xiàn)許多重要功能。首先，懸掛允許磁鐵沿著所需的軸向路徑移動，且阻力最小。第二，懸掛使得磁鐵不會與磁心表面發(fā)生碰撞。和磁心接觸會產(chǎn)生不希望有的摩擦和馬達的非線性行為。

為了滿足這些要求，Bose公司創(chuàng)造了低質(zhì)量的撓性懸掛系統(tǒng)，無摩擦、無限壽命，橫向剛性高、而軸向剛性低。懸掛采用特殊的不銹鋼合金制成，具有優(yōu)異的疲勞性能，已證實在超過150億周期時仍然有效。

撓性設(shè)計帶來的一個額外好處是撓曲在主軸的橫向和扭矩方向可抵抗負荷，從而可以經(jīng)濟地完成樣品的多軸測試，不會損害線性馬達、密封件和軸承的摩擦效果。

把線性馬達并入測試儀器

EnduraTEC Systems公司和Bose公司組成了技術(shù)聯(lián)盟，將Bose公司的活動電磁線性馬達技術(shù)與EnduraTEC的材料測試系統(tǒng)相結(jié)合，以充分利用線性馬達優(yōu)異的性能范圍。聯(lián)合的結(jié)果是ElectroForce（ELF）系列測試儀。測試儀包括臺式，負載能力最高可達4500牛頓（試驗臺，ELF3200和3300）和立式，（ELF3400）負載能力最高可達6000牛頓。他們?nèi)坑蓸藴孰娫床遄峁﹦恿?，不需要其他額外的基礎(chǔ)設(shè)施。其結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約空間，空氣冷卻，符合無塵室的要求，運行時噪音低，多種線性和扭矩馬達可同時安裝在同一臺儀器上，用于多軸應用程序。

利用傳統(tǒng)的電磁技術(shù)，負荷和行程范圍作為頻率的函數(shù)也會受到限制。伺服液壓系統(tǒng)允許較高的負荷和行程，但運轉(zhuǎn)和維護成本高，而且密封件摩擦和活動質(zhì)量還會限制了其較小的振幅激勵。而由活動電磁線性馬達驅(qū)動的測試系統(tǒng)提供了開發(fā)者比其他測試系統(tǒng)更寬的正弦激勵，且范圍正好疊加了彈性材料動態(tài)測試的需要。

ELF3230的正弦性能是行程和頻率的函數(shù)，這表明在遠遠超過50赫茲時，即使顯著施加負載，仍可達到12.5毫米的全動態(tài)行程。線性馬達的精確性允許測試在低至0.00001赫茲（約為一天一轉(zhuǎn)）的頻率下進行。Bose線性馬達的性能已在實際情況下通過測試數(shù)據(jù)獲得證實，包括夾具質(zhì)量和樣品剛性。

動態(tài)機械分析

動態(tài)機械分析（DMA），有時也被稱作動態(tài)機械熱分析（DMTA），是用于分析和表征材料通常是聚合物性能的技術(shù)。將一個正弦激勵應用于材料樣品，可測量負荷的動態(tài)振幅、相位和行程，然后將材料的動態(tài)性能表示為頻率、溫度、應變振幅、平均含量和預處理的函數(shù)。

ELF測試系統(tǒng)可以測量動態(tài)性能，如一種情況下以頻率對加速參數(shù)作圖。這個測試設(shè)計用于再造扭矩DMA系統(tǒng)的常規(guī)能力，一個例子就是在線性剪切、5%動態(tài)應變下測試四種不同分支程度的未固化橡膠化合物，溫度控制在120℃。

非線性材料模擬數(shù)據(jù)

大多數(shù)有限元素材料模型要求在不同情況下測量材料的負荷和偏轉(zhuǎn)行為。傳統(tǒng)技術(shù)集中于線性（小應變）范圍的粘彈性測量，而新型馬達設(shè)計用于測量更真實（大應變）情況下彈性材料的周期和時間依賴性能。馬達可以測試的應變水平超過100%，頻率從每天一轉(zhuǎn)到每秒400轉(zhuǎn)，以模擬模型化特定組份的關(guān)鍵情況。其大范圍的動態(tài)性能允許所有的所需測試可在同一系統(tǒng)中完成。

一個常規(guī)的拉伸夾具構(gòu)造可以最佳化來進行動態(tài)測試。樣品可以測試簡單的拉力、壓力、剪切力和純剪切（平面拉力），單軸或多軸負荷結(jié)構(gòu)中三或四點彎曲構(gòu)造，以測量彈性材料的所有關(guān)鍵反應。

應力松馳/蠕變

線性馬達測試技術(shù)的低活動質(zhì)量和高加速能力提供了最好的條件去測量材料的蠕變和應力松馳性能。測試可以以毫秒計，并非常準確。例如，10微秒內(nèi)樣品行程15毫米。相比而言，以前使用的伺服液壓系統(tǒng)獲得的最快時間是35微秒。

疲勞和斷裂力學分析

線性馬達提供了很寬的動態(tài)性能范圍和耐用性，使其非常適合研究材料的疲勞和斷裂性能。Bose線性馬達較高的頻率使材料迅速龜裂增長，或在短時間內(nèi)進行幾百萬周期有疲勞運轉(zhuǎn)。線性馬達先進的撓性設(shè)計意味著損害是施加于樣品，而不是標準測試系統(tǒng)的密封件或軸承，降低了維護成本，提高了每個系統(tǒng)的產(chǎn)品測試時間。

高保真度保證測試條件是準確而且可重復的，因此使測試中數(shù)據(jù)的散射最小化。測試可以覆蓋決定材料疲勞限制或斷裂韌性所需的所有情況。

盡管表征彈性體動態(tài)性能的測試可以結(jié)合傳統(tǒng)的伺服液壓系統(tǒng)和電磁技術(shù)完成，現(xiàn)代經(jīng)濟情況推動各公司去找到新的方法以降低成本 — 包括操作成本和資金成本。由于活動電磁線性馬達優(yōu)異的性能，研究者可以用一個測試系統(tǒng)完成所有的測試需要。建立一個新實驗室所需的資金也降低到一半或三分之一。如果再考慮到操作上的優(yōu)勢，如減少維護和能量成本，降低實驗室噪音，降低由于油和冷卻水處理帶來的環(huán)保費用，是非常值得以這種新型線性馬達技術(shù)來取代現(xiàn)有設(shè)備。

現(xiàn)在一個測試系統(tǒng)就可以提供所有的所需材料性能，增加了先進非線性有限元素分析的材料模型。系統(tǒng)特別適用于完成動態(tài)機械分析、應力松馳、蠕變、超彈性測試、高周疲勞和龜裂增長測試。同樣的系統(tǒng)還能用于測量輪胎簾布、尼龍纖維、固化/未固化橡膠化合物的動態(tài)性質(zhì)。靜止線圈和活動磁鐵的專利優(yōu)勢，加上無摩擦阻力撓性懸掛系統(tǒng)，實現(xiàn)了語音線圈和液壓測試系統(tǒng)所無可比擬的性能。