Polydimethylsiloxan-Elastomere (PDMS) sind aufgrund ihrer ausgezeichneten Eigenschaften wie Flexibilität, optische Transparenz, Nichtbrennbarkeit, chemische Stabilität, Nichtgiftigkeit, Biokompatibilität und niedrige Kosten in Bereichen wie Flexibilitätssensoren, Elektronikkomponenten-Optik und Biomechanik weit verbreitet. In diesen Anwendungen befinden sich PDMS-Komponenten häufig in komplexen mehrachsigen Spannungszuständen und begleiten ein großes Verformungsverhalten. Um eine vernünftige Auswahl von weichen Materialien unter praktischen Bedingungen zu erreichen, ist es wichtig, die Spannungs- und Beanspruchungsreaktion von PDMS unter verschiedenen Verformungsmustern genau zu charakterisieren und vorherzusagen. Zu diesem Zweck haben Satya Pal und Abir Bhattacharyya des Indian Polytechnic mit der berührungslosen Bildtechnik Digital Correlation (DIC) das Spannungsfeld der Probenoberfläche unter begrenzter Beanspruchung genau gemessen, die Auswirkungen des Verformungsmusters auf ihre Beanspruchung-Beanspruchung diskutiert und auf dieser Grundlage das evolutionäre Gesetz der Poisson-Ratio-Beanspruchung von PDMS bestimmt.

In diesem Artikel wurden zunächst mechanische Tests unter einachsiger Kompression, einachsiger Dehnung und einfacher Schnittdeformation durchgeführt, wobei das Probenmodell wie in Abbildung 1 gezeigt ist und die Spannungsfeldevolution des PDMS während dieses Prozesses durch DIC erfasst wurde, wie in Abbildungen 2 bis 4 gezeigt. Die Ergebnisse zeigten, dass die DIC-Technik die Evolutionsgesetze der Spannungsfelder von PDMS mit der Ladezeit in verschiedenen Verformungsmustern besser beschreiben kann.

Abbildung 1 Probenmodell

Abbildung 2 Evolution der Axialspannung unter einachsiger Kompression im Laufe der Zeit

Abbildung 3 Entfaltung der Dehnungsspannung unter einachsigen Dehnungsbedingungen im Laufe der Zeit

Abbildung 4 Schnittspannungen bei einfachen Schnittbedingungen entwickeln sich im Laufe der Zeit

Auf der Grundlage der oben genannten Spannungsfeldsmessungen wurden die Spannungs- und Spannungsverhältniskurven von PDMS mit unterschiedlichen Härter-Anteilen unter einachsiger Kompression, einachsiger Dehnung und einfachem Schneiden weiter ermittelt, wie in Abbildung 5 gezeigt. Die Ergebnisse zeigten, dass je höher der Anteil des Härters war, desto größer das scheinbare Modul des PDMS war. Es gibt große Unterschiede in der mechanischen Verhaltensweise von PDMS unter verschiedenen Verformungsmodi, nicht-lineares Verhalten unter einachsigen Kompressionsbedingungen ist signifikant, und das Verhalten der Spannungshärtung dominiert; PDMS unter einfachen Schnittbedingungen zeigt eine ungefähre lineare Elastizität der Spannung-Spannung-Beziehung; Bei einer einachsigen Dehnung zeigt PDMS eine nichtlineare Antwort auf die Erweichung nach der Härtung, wenn der Härtungsanteil relativ hoch ist (10: 1), während es nur eine Spannungsverweichung zeigt, wenn der Härtungsanteil relativ niedrig ist. Dieses Phänomen kann mit dem mittleren Spannungsbereich verbunden sein, der in diesem Artikel untersucht wird.

Abbildung 5 Spannung-Spannungsverhältnis von PDMS bei verschiedenen Verformungsmustern

Schließlich erhält dieser Artikel direkt das Gesetz der Evolution des Poisson-Verhältnisses von PDMS mit Beanspruchung durch Beanspruchungsfelddaten in einachsigen Dehnungsversuchen, wie in Abbildung 6 gezeigt. Die Ergebnisse zeigten, dass das Porason-Verhältnis nicht mit der Dehnungsrate und dem Verhältnis des Härters verbunden war, und der Durchschnittswert lag bei etwa 0,44. Dieser Artikel basiert auf der Hypothese der linearen Elastizität, um das Yang-Modul und das Elastizitätsmodul des PDMS zu erhalten, um den Wert des Poisson-Verhältnisses abzuleiten, der dem direkt durch das Spannungsfeld erzielten Poisson-Verhältnis ähnlich ist. PDMS verhalten sich unter geringen Beanspruchungen als nicht komprimierbare Feststoffe und können ihr mechanisches Verhalten durch ein lineares Elastizitätsmodell beschreiben.

Abbildung 6 PDMS Poisson-Vergleich mit Dehnungsspannung

Zusammenfassend wurde in diesem Artikel das Oberflächenspannungsfeld von PDMS unter drei typischen Verformungsmustern mit DIC gemessen und die Größe des Poisson-Verhältnisses basierend auf der Hypothese der linearen Elastizität und der direkten Spannungsmessung bestimmt. Die Ergebnisse zeigten, dass sich das mechanische Verhalten von PDMS unter verschiedenen Verformungsmustern erheblich unterscheidet und unter geringen Verformungsbedingungen als linear elastische Feststoffe betrachtet werden kann. Es ist darauf hingewiesen zu werden, dass, da die Spannungsstudie in diesem Artikel nicht mehr als 40% umfasst, ist das Verhalten der PDMS nicht ausreichend manifestiert. Daher sind bei der Erstellung eines nichtlinearen Konstruktionsmodells unter großen Deformationsbedingungen noch experimentelle Studien mit größeren Spannungsniveaus erforderlich, bei denen die Anwendbarkeit der DIC-Methode eingeschränkt sein kann.

Die Studie wurde unter dem Titel „Measurement of axial and shear mechanical response of PDMS elastomers and determination of Poisson’s ratio using digital image correlation“ veröffentlicht.