一、引言

薄膜、柔性電子、水凝膠、生物軟組織等高分子材料在實(shí)際服役中普遍處于面內(nèi)雙軸應(yīng)力狀態(tài)。傳統(tǒng)單軸或“離線"測(cè)試難以復(fù)現(xiàn)其真實(shí)力學(xué)響應(yīng)，也無(wú)法在加載過(guò)程中同步捕捉微觀結(jié)構(gòu)演化。雙軸原位加載技術(shù)通過(guò)在兩個(gè)正交方向獨(dú)立或耦合施加載荷，并耦合光學(xué)/光譜/斷層成像手段，實(shí)現(xiàn)了“應(yīng)力-應(yīng)變-結(jié)構(gòu)"多參量同步表征，已成為高分子材料設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)的核心實(shí)驗(yàn)手段。

二、技術(shù)原理與加載模式

1. 對(duì)稱加載保持中心不動(dòng)

雙軸原位拉伸臺(tái)普遍采用“四鉗夾持、對(duì)稱驅(qū)動(dòng)"方案，即上下、左右兩對(duì)夾具由獨(dú)立或聯(lián)動(dòng)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，使十字或矩形試樣的幾何中心始終位于視場(chǎng)中心，方便顯微成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)追蹤同一區(qū)域 。

2. 加載模式

- 比例加載：兩軸應(yīng)變比或應(yīng)力比恒定，用于測(cè)定面內(nèi)各向同性參數(shù)。

- 非比例加載：兩軸可異步、異幅、異相，模擬復(fù)雜服役路徑，研究材料棘輪、疲勞及損傷耦合行為。

- 循環(huán)疲勞：頻率 0.001–1 Hz，峰值載荷 5–300 N，可疊加正弦、三角或自定義波形，對(duì)柔性電子封裝、薄膜電容器等進(jìn)行等雙軸疲勞加速試驗(yàn) 。

3. 環(huán)境耦合

通過(guò)模塊化附件實(shí)現(xiàn)室溫~400 ℃高溫、–196 ℃低溫、恒溫水浴、腐蝕電解液或可控濕度環(huán)境，實(shí)現(xiàn)“力-熱-濕-化"多場(chǎng)原位耦合 。

三、關(guān)鍵裝備與性能指標(biāo)

國(guó)產(chǎn)商業(yè)化系統(tǒng)已具備以下指標(biāo)：

- 載荷峰值300N，位移分辨率 0.1 µm，滿足超軟水凝膠、< 5 µm 厚柔性薄膜的低載荷測(cè)試；

- 雙軸獨(dú)立閉環(huán)控制，支持應(yīng)力/應(yīng)變/位移多通道反饋，可實(shí)現(xiàn) 10?? s?1 級(jí)準(zhǔn)靜態(tài)到 1 Hz 動(dòng)態(tài)加載；

- 兼容高景深光學(xué)顯微鏡、共聚焦拉曼、X-ray CT 及二維 DIC，實(shí)現(xiàn) 1 µm 空間分辨、0.01 % 應(yīng)變分辨的在線測(cè)量 。

四、微觀表征與數(shù)據(jù)分析

1. 原位 DIC：通過(guò)非接觸視頻引伸計(jì)或高速二維 DIC，實(shí)時(shí)獲取全場(chǎng)應(yīng)變分布，揭示頸縮、剪切帶、局部皺曲等變形局域化現(xiàn)象。

2. 光譜/成像耦合：結(jié)合共聚焦拉曼可追蹤分子鏈取向、結(jié)晶度變化；同步輻射 X-ray CT 可三維量化孔洞、裂紋在雙軸應(yīng)力下的萌生-擴(kuò)展-貫通過(guò)程 。

3. 本構(gòu)建模：基于原位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)超彈性、粘彈性-粘塑性或損傷耦合模型參數(shù)，為柔性器件有限元仿真提供材料卡片。

五、典型應(yīng)用案例

1. 柔性電子封裝

對(duì)聚酰亞胺/銅箔異質(zhì)膜進(jìn)行雙軸疲勞（1 Hz，±0.5 % 等雙軸應(yīng)變），發(fā)現(xiàn)界面微裂紋在 103 周即萌生；通過(guò)調(diào)整 PI 交聯(lián)密度，疲勞壽命提升 5 倍 。

2. 水凝膠人工軟骨

在 37 ℃磷酸鹽緩沖液中對(duì)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠實(shí)施非比例加載，觀測(cè)到第二網(wǎng)絡(luò)鏈斷裂導(dǎo)致的瞬時(shí)模量下降 28 %，為關(guān)節(jié)替代材料設(shè)計(jì)提供失效判據(jù) 。

3. 生物病變血管

采用 5 N 小載荷傳感器與魚鉤夾具，對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊切片進(jìn)行雙軸拉伸，結(jié)合 OCT 成像，發(fā)現(xiàn)纖維帽厚度 < 65 µm 時(shí)，雙軸應(yīng)力峰值超過(guò) 250 kPa，易引發(fā)破裂 。

六、挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)

1. 大尺寸/高均勻性：現(xiàn)有試樣多 10–20 mm，向 6 英寸晶圓級(jí)、> 100 mm 幅寬擴(kuò)展需解決張力均勻與邊緣效應(yīng)。

2. 高頻動(dòng)態(tài)與慣性補(bǔ)償：柔性電子服役頻率可達(dá) kHz 級(jí)，需開發(fā)輕量高剛性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與慣性補(bǔ)償算法。

3. 多尺度原位耦合：將宏觀雙軸加載與 AFM、納米紅外或同步輻射納米 CT 聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)從納米鏈段到宏觀薄膜的跨尺度表征。

4. AI 驅(qū)動(dòng)逆向設(shè)計(jì)：利用原位實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)“加載路徑-微觀結(jié)構(gòu)-宏觀性能"反向優(yōu)化，加速高分子薄膜材料的按需設(shè)計(jì)。

七、結(jié)語(yǔ)

雙軸原位加載技術(shù)已從實(shí)驗(yàn)室原型發(fā)展為面向柔性電子、生物醫(yī)療、能源薄膜等產(chǎn)業(yè)的精密測(cè)試平臺(tái)。隨著多物理場(chǎng)耦合、高通量數(shù)據(jù)及人工智能的深度融合，它將在高分子材料研發(fā)-制造-服役全鏈條中扮演愈發(fā)關(guān)鍵的角色，為下一代高性能、高可靠性高分子器件提供堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)與理論支撐。