数字图像相关（DIC）测量系统在软物质实验力学中的应用

近日由中国科学技术大学与安徽淮南理工大学联合承办的《软物质实验力学测试技术学术研讨会》在淮南市寿县召开。与会学者围绕“生命软物质、智能软材料、柔性电子器件、新型纳米材料”等前沿方向展开研讨。软物质实验力学研究通常关注三个问题一是变形场如何在空间中分布二是应变如何随加载过程演化三是局部失稳区域如何产生并扩展。数字图像相关DIC测量系统和高速摄像机围绕上述研究需求提供空间分辨能力、时间分辨能力以及局部细节解析能力。中科君达视界携千眼狼Revealer高速摄像机NEO 25、数字图像相关DIC应变测量系统3D-DIC RVM-STD参会并向与会专家学者展示了软物质实验力学研究方向上的典型应用案例。应用方向1-生命软物质研究对象以生物组织为主其力学行为具有空间非均匀性与各向异性。以手部皮肤握拳变形为例DIC测量系统可以获得表面全场应变分布并进一步提取主应变及其方向从而识别皮肤在弯曲与拉伸耦合作用下的局部应变集中区域及空间扩展特征图1。在另一项人体肌肉力学测试中通过时间序列图像可以提取局部区域的应变演化速率图2。DIC测量系统价值在于将原本只能通过整体响应推测的生物组织行为转化为可直接观测的空间分布问题为组织力学建模与医疗工程应用提供依据。图1图2应用方向2-智能软材料针对智能软材料的典型对象如水凝胶及响应性材料实验研究重点在于大变形及功能响应过程中的局部演化。水凝胶拉伸实验中通过DIC测量系统可以获得应变场的空间梯度分布并识别应变局部化带的起始位置、特征宽度及其随加载过程的演变图3。在生物材料裂变前的应变分布测试中通过跟踪主应变峰值及其空间梯度可以建立裂纹萌生前的应变依据图4。DIC测量系统的关键作用在于将失效前的渐进演化过程转化为可量化的应变场特征。图3图4应用方向3-柔性电子器件“柔性电子器件”方向研究重点转向柔性结构变形与功能稳定性之间的关系千眼狼Revealer此次会议中展示的柔性材料位移测量与薄膜振动实验案例是典型代表。柔性基底在弯曲或拉伸过程中DIC系统能够提供全场位移与应变分布用于分析器件在弯曲、拉伸或扭转条件下的形变一致性图5。在薄膜振动测试中结合高速摄像机基于时间序列位移场进行频域分析提取振型、固有频率及振幅分布以验证器件在动态环境中的稳定性与可靠性图6。图5图6应用方向4-新型纳米材料新型纳米材料研究重点在于几何结构与力学响应之间的耦合关系。如镂空结构在压缩-扭转载荷下其应变场呈现出明显的空间梯度分布通过DIC测量系统对应变场进行空间统计分析可以提取应变沿结构方向的梯度变化识别局部强化或弱化区域图7为结构设计与性能优化提供直接实验依据。图7当上述研究涉及冲击或高应变率过程如弹性材料落锤冲击实验中通过高速摄像机配合DIC测量系统可获得瞬态应变场并支持进一步提取应变峰值、传播速度以及能量扩散特征DIC测量系统的时间分辨能力决定是否能够完整记录材料响应过程。综合来看上述四类前沿方向虽对象有差异但实验研究层面具有一致的核心需求需要同时获得高空间分辨率的全场信息与时间分辨率的动态过程数据。DIC系统负责将图像转化为位移与应变等可分析量高速摄像机则负责保证分析量在时间维度的不断切分与连续。随着数字图像相关DIC技术与高速成像技术持续发展软物质实验研究正在逐步获得同时覆盖空间与时间的信息获取能力。千眼狼RevealerDIC应变测量系统和高速摄像机让原本难以观测的变形细节变得可量化也为进一步理解软物质材料行为提供实验基础。