从“被动承载”到“主动感知”：功能材料对力学测试提出了什么新要求
高分子聚合物、电子元件与能源电池材料看似分属不同工业门类，但在微观力学评价层面共享一组正在收敛的技术需求。柔性电子中的应变传感器需要被施加精确、可重复的已知应变，才能标定其灵敏度、线性度和稳定性。高分子聚合物在动态载荷下的储能模量与损耗模量，直接决定其作为阻尼、封装或结构件的服役表现，而这些粘弹性参数必须在程序化的正弦、三角波或循环加载下才能被可靠提取。锂离子电池的电极涂层与集流体之间的附着力，若在干燥态下测量，可能给出一个看似合格但体内无法复现的数值；电极极片在辊压和循环中的压缩模量与回弹行为，则直接影响电池的堆叠一致性和循环寿命。
这些需求的共同点在于：力学量本身很小（薄膜附着力、传感器标定中的微小应变、聚合物动态模量），但必须与非力学信号（电阻、电容、电位）在时间上严格对齐，或者在特定的环境（液相、温控）中完成。传统万能试验机擅长静态、大载荷、干燥条件下的体相测试，对“力–电同步”和“微小力值下的粘弹性”缺乏原生的硬件支持；动态力学分析仪（DMA）能测聚合物模量，但通常不具备拉伸/压缩/剥离的形态适配性和液相兼容性。MACH-1在这一交叉地带的定位，是将0.5 N起的小力量程、100 nm位移分辨率、多模式加载（拉伸/压缩/弯曲/剥离/压痕）以及力–电同步测量附件集成于同一平台，使功能材料的“力学–电学”联合表征不再依赖两套设备的先后拼合。
典型应用场景：传感器标定、聚合物粘弹性与能源材料界面
电子元件与柔性传感器：MACH-1被用于对毛细管应变传感器施加高度可控、可重复的单轴应变谱，评估其灵敏度、线性度和稳定性。系统预设的位移曲线使PDMS基底产生已知的应变，贴附其上的传感器在加载/卸载过程中的响应被同步记录，DIC用于验证施加应变的均匀性。同一配置可迁移至柔性电子中导电薄膜、压阻传感器和微流控芯片的力学–电学联合标定。
高分子聚合物的粘弹性与DMA：MACH-1适用于聚合物、凝胶等材料的机械刺激与表征，可获取刚度、强度、模量、粘弹性、塑性、硬度、附着力、溶胀和松弛等参数。通过高分辨率轴向或剪切动态加载，对材料施加正弦波、三角波等周期性刺激，实时测定储能模量、损耗模量及复数模量。在具体操作中，动态测试（sinusoid）通过Mach-1 Analysis软件按SOP04分析，提取弹性模量E、储能模量E‘、损耗模量E’‘和相位角。对于非纯弹性材料（粘弹性或多孔弹性），杨氏模量会随应变率变化，MACH-1的程序化加载能力使“应变率–模量”关系可以被系统量化。
能源电池材料（延伸应用） ：MACH-1的剥离测试模式可用于评价电极涂层与集流体之间的界面附着力，在液相或温控环境中完成更接近电池实际工况的附着强度测量。压缩和压痕模式可用于表征电极极片或隔膜的压缩模量与回弹行为，而力–电同步附件则允许在力学加载过程中监测电阻或电化学阻抗的变化，为“力学–电化学”耦合研究提供数据链。
案例摘要
案例一：毛细管应变传感器的精确单轴标定（NSF-funded study）。 该研究使用Biomomentum Mach-1对PDMS基底施加预设的位移曲线，使贴附其上的毛细管传感器承受已知应变谱。Mach-1提供的高度可控、可重复的机械变形，确保了传感器在增量应变水平下的响应被一致测量，从而实现对灵敏度、线性度和稳定性的评估。DIC被用于验证施加应变的均匀性和全场分布。该案例的典型价值在于：传感器性能标定的核心是“施加应变的已知性和可重复性”，而MACH-1的亚微米位移控制和程序化加载序列恰好提供了这一计量基础。
案例二：高分子聚合物的动态力学分析（DMA）与粘弹性参数提取。 在聚合物材料的动态表征中，MACH-1被配置为对样品施加正弦波或三角波等周期性载荷，通过Mach-1 Analysis软件按标准化SOP处理动态测试数据，同时输出弹性模量E、储能模量E‘、损耗模量E’‘和相位角。对于粘弹性显著的聚合物，这一能力使其能够在同一平台上完成静态应力松弛/蠕变测试与动态频率扫描，避免跨设备比较中因样品状态差异引入的离散度。青岛大学等国内机构已将MACH-1用于聚合物、凝胶等材料的精密力学表征。
案例三：能源材料界面的力学评价框架（产品功能映射）。 在锂离子电池电极的力学评价中，涂层与集流体之间的附着力是决定电极机械完整性的关键参数。MACH-1的剥离测试模式支持对涂层–基底界面施加受控的剥离载荷，记录力–位移曲线以量化附着强度。同时，系统的压缩模式可用于测定电极极片在堆叠压力下的变形与回弹行为，而力–电同步附件则允许在力学加载过程中监测界面电阻的变化。这一组合使“电极涂层附着力—极片压缩模量—界面电学响应”可以在同一实验框架内被关联分析，而非分散在剥离试验机、材料试验机和电化学工作站上分别完成。
产品优势亮点
力–电同步的硬件级集成，而非软件层面的时间对齐。 MACH-1支持在力学加载的同时同步采集电学信号，MA068带四探针电极的拉伸夹具将电学测量路径嵌入力学加载路径。对于应变传感器和导电聚合物，这意味着“应变–电阻”关系是实时记录的，而非在两套设备上先后测量后通过时间戳推测对应关系。
宽模量覆盖与微力值分辨率的结合。 系统模量覆盖范围3 Pa–670 GPa，从超软凝胶到硬质陶瓷和金属均可表征。载荷传感器可互换，覆盖±0.1 N至±250 N，载荷精度为最大值的1/20,000（最小5 μN）。这一组合使同一台设备既能在聚合物薄膜的微小力值区间保持信噪比，也能对电池极片或电子封装材料施加足够的压缩载荷。
多模式加载与功能材料形态的匹配。 拉伸、压缩、弯曲（三点/四点）、剥离/搭接剪切、压痕和摩擦磨损等模式集成于一体，可适配从聚合物薄膜、传感器基底、电极涂层到封装材料的多种形态。可编程的正弦、三角波、斜坡和自定义波形使DMA、应力松弛、蠕变和循环加载成为标准操作，而非需要额外附件的特殊配置。
成熟性与合规背景。 MACH-1自1999年商业化，全球超过1000篇文献，20余年发展历史，国内同济大学、青岛大学、上海交通大学等高校已有使用记录。Biomomentum质量体系通过ISO 13485:2016认证，设备被描述为FDA认可的多功能材料测试系统之一。核心测量链为加拿大原产，外围夹具和力–电附件可按具体材料形态适配。
产品核心参数（电子/聚合物/能源材料方向）
模量范围：3 Pa–670 GPa。
载荷传感器：可互换，覆盖±0.1 N至±250 N；载荷精度最大值的1/20,000（最小5 μN）。
位移分辨率：100 nm（0.1 μm）。
测试模式：拉伸、压缩、三点/四点弯曲、剥离/搭接剪切、压痕、摩擦磨损、动态正弦/三角波/循环加载。
力–电同步：MA068四探针Ag/AgCl电极拉伸夹具，实时测量电阻与电导率。
粘弹性输出：储能模量E‘、损耗模量E’‘、相位角、复数模量（Mach-1 Analysis SOP04）。
环境控制：液体浸没腔室；培养箱兼容（≤37°C，干模式）。
典型应用文献
文献编号 1
文献中英文标题： Characterization of capillaric strain sensors using precise uniaxial strain / 利用精确单轴应变表征毛细管应变传感器
作者/通讯作者： NSF-funded study（作者信息以原文为准）
期刊： NSF Public Access Repository（学位论文/项目报告） 年份：约2020s IF：非期刊
研究领域： 柔性应变传感器、力学标定、DIC验证
研究目的 / 科学问题： 评估毛细管应变传感器的灵敏度、线性度和稳定性，需要向传感器施加精确、可重复、已知的应变谱。
实验方法： Biomomentum Mach-1对PDMS基底施加程序化单轴位移，使贴附其上的毛细管传感器承受已知应变；加载/卸载过程中相机记录图像，通过DIC进行全场应变验证。
核心结果： Mach-1提供了高度可控、可重复的机械变形，使传感器在已知应变谱下的响应被准确测量；增量应变水平下的分析支持了灵敏度、线性度和稳定性的评估。
结论： Mach-1的亚微米位移控制和程序化加载能力适用于柔性应变传感器的力学标定；精确的应变施加是传感器性能评估的计量基础。
文献编号 2
文献中英文标题： Dynamic mechanical analysis of polymers using Mach-1: storage modulus, loss modulus and phase angle extraction / 使用Mach-1对聚合物进行动态力学分析：储能模量、损耗模量与相位角提取
作者/通讯作者： Biomomentum 应用方法学/SOP04技术文档
期刊： 产品标准操作规程/技术文档 年份：持续更新 IF：非期刊
研究领域： 高分子聚合物、粘弹性、动态力学分析
研究目的 / 科学问题： 建立利用MACH-1对聚合物材料进行动态正弦加载、提取储能模量和损耗模量的标准化流程。
实验方法： Mach-1对样品施加正弦波或三角波等周期性载荷；动态测试数据通过Mach-1 Analysis软件按SOP04分析；提取弹性模量E、储能模量E‘、损耗模量E’‘和相位角。
核心结果： MACH-1可在同一平台上完成聚合物的静态应力松弛/蠕变与动态频率扫描；对于非纯弹性材料，程序化加载使“应变率–模量”关系可被系统量化。
结论： MACH-1的DMA能力为高分子聚合物的粘弹性表征提供了与静态测试同平台、同环境条件的集成方案，降低了跨设备比较的离散度。
文献编号 3
文献中英文标题： Mach-1多尺度特征机械表征系统（剥离测试与力–电同步功能说明）
作者/通讯作者： Biomomentum / 授权代理商技术文档
期刊： 产品技术资料 年份：持续更新 IF：非期刊
研究领域： 能源电池材料、界面附着力、力–电耦合
研究目的 / 科学问题： 定义MACH-1在能源材料方向的测试能力映射：电极涂层剥离附着力、极片压缩模量、力学加载同步电阻/阻抗监测。
实验方法： 剥离测试模式评价涂层–集流体界面附着强度；压缩/压痕模式表征极片压缩与回弹；力–电同步附件在力学加载中监测电学信号。
核心结果： 系统功能覆盖了电极涂层附着力、极片压缩行为和界面电学响应的联合评价需求，可将三者纳入同一实验框架。
结论： MACH-1的剥离、压缩与力–电同步能力的组合，为能源电池材料的“力学–电学”耦合表征提供了可操作的平台化方案。
沪公网安备31011702892430号