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碳材料在通电条件下的电化学膨胀行为（使用高速数字图像相关（DIC）系统解析）。
1、实验背景
石墨烯、碳纳米管等碳基材料在通电条件下呈现电致膨胀现象，涉及电-热-力多场耦合效应，与电荷传输、焦耳热效应及晶格振动密切相关，是开发柔性电子、电致动器、人工肌肉的基础。传统测量方法难以捕捉毫秒级膨胀过程，某材料实验室，引入中科君达视界的数字图像相关（DIC）技术，高速、非接触、全场测量碳材料表面的位移与应变分布，为多物理场耦合模型提供实验验证数据。
2、实验设计
2.1 实验设备
高速摄像机：采用中科君达视界自研的千眼狼高分辨率高速摄像机G520_Pro，2560×1920@2000fps，用于捕捉碳材料膨胀瞬态序列图像。
数字图像相关（DIC）软件：千眼狼RDIC应变测量软件，用于追踪数字散斑，计算逐帧位移场与拉格朗日应变。
碳材料试件为多层石墨复合材料，通电装置提供可控电流电压，模拟实际电化学工况。
2.2 实验过程：
第一步 搭建高速DIC测量系统，视场覆盖5 cm×5 cm；
第二步 将试件放置于试验台上，启动电流电压装置；
第三步 调整LED光源，消除试件表面反光，千眼狼高速摄像机G520_Pro采集帧率设置为500帧/秒，记录时间1秒，捕捉膨胀瞬态图像；
第四步 利用DIC软件进行位移与应变后处理计算。
2.3 测量点选取
实验中选取2个阶段点，通过DIC分析比对应变差异，揭示碳材料通电膨胀的空间异质性。
阶段点0：位于试件中心，受边界效应影响小，可反映材料本征响应。
阶段点1：位于试件边缘，受边界约束、电流密度梯度影响，易产生应力集中。
3. 实验数据
基于千眼狼高速摄像机G520_Pro采集的图像序列及RDIC软件处理，获取了碳材料试件通电后1.0 s内的全场位移与应变演化数据，重点分析沿电流主轴方向即Exx方向的面内应变及合位移分布，发现如下：
3.1 应变随时间序列变化特征
中心点：Exx应变在0~0.5 s内快速上升，呈正向抛物线增长，t=0.5 s达到拉伸应变峰值30000 με。表明碳材料在通电瞬间，电流注入引起的焦耳热效应，导致材料温度升高，热膨胀进一步加剧层间间距，从而导致应变急剧增加。0.5~1.0 s阶段应变曲线非线性衰减，t=1.0 s回落至5000 με，表明材料达到最大膨胀后开始发生应力释放，同时碳材料的多孔结构发生微变形，导致应变回落。
边缘点：相同时间范围内，Exx方向应变呈负向变化，表现为反抛物线趋势，0.5 s达到谷值约-3000 με，表明此边缘区域受边界约束，中心区域的膨胀行为对边缘形成径向挤压，导致Exx发生收缩，符合泊松效应。0.5 s后应变逐渐恢复至零，说明随着中心区域应变回落，边缘约束应力逐渐弛豫。
3.2 位移场空间分布特征
全场位移从边缘到中心存在明显的穹顶型梯度分布，合位移峰值出现在中心边缘环状带，边缘点的合位移约0.8 mm、中心点的合位移低于0.3 mm，均低于环状带。
中心点：中心区域经历拉伸应变，但位移模式主要是垂直于碳材料试件表面的离面位移，即隆起状态，但其面内径向位移趋于0，故二者矢量和即合位移较低，＜0.3 mm。
环状高位移带：该区域是连接剧烈膨胀的中心和边缘的过渡区域，环状带材料发生显著的离面位移，且承受强烈的径向拉伸，离面与面内位移叠加，导致了合位移矢量和达到最大值。
边缘点：边缘区域受夹具或自身几何约束位移被限制，但受内部膨胀材料驱动，产生了一定的面内位移，合位移＞0.8 mm，验证了碳材料在通电过程中的非均匀膨胀。
4、实验结论
I. 实验使用千眼狼高速数字图像相关（DIC）系统有效测量了碳材料在通电条件下毫秒级的应变场与位移场。
II. 高速DIC系统解析了局部膨胀不均匀性及其力学机理：碳材料通电膨胀是电-热-力序列耦合过程，即电流注入后，材料中心区在焦耳热剧增下发生热膨胀并对周围区域产生拉扯，边缘区在边界约束下产生负应变为主，环状区则表现为隆起+径向扩张的复合运动，最终呈现 “穹顶梯度分布” 。
III. “穹顶梯度分布” 将有助于研究人员定位碳材料形变能量集中区域—环状带，为电致动材料关键响应区域的结构设计，提高疲劳寿命提供数据支撑。
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