CN101650282A - 一种单丝纤维压缩性能的测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种测量精度高、稳定性能好、纤维压缩性能评价可靠的单丝纤维压缩性能的测量方法及其装置。它是由位移控制器、位移加载台、单丝纤维、应变梁、数据采集系统和数字解调系统组成的，位移控制器连接位移加载台，位移加载台连接单丝纤维，单丝纤维连接应变梁，应变梁连接数据采集系统，数据采集系统连接数字解调系统。测量方法是通过显微镜的测量系统对要进行压缩的单丝纤维长度进行测量。单丝纤维通过微位移加载台对金属梁施加载荷，通过应变片记录悬臂梁的变形情况直到纤维被压断，进而间接计算出单丝纤维整个压缩过程所受到的力及压缩强度。整体系统测量精度高，稳定性能好，纤维压缩性能评价可靠。

Description

一种单丝纤维压缩性能的测量方法及其装置

(一)技术领域

本发明涉及材料科学，具体说就是一种单丝纤维压缩性能的测量方法及其装置。

(二)背景技术

随着纤维增强复合材料的广泛应用，人们在认识纤维性能的影响因素方面进行了深入探索，主要研究如何改善碳纤维的拉伸性能，结果是某些纤维的拉伸强度大幅度提高并超出以前采用“最弱环节”理论所推断的预测值。然而，仍存在限制纤维复合材料广泛应用的一个主要障碍，即相对于好的拉伸性能来说其压缩性能太差。实质上，在压缩形变和压缩断裂机制方面过去很少引起人们的关注。因此如何评价纤维单丝的轴向压缩性能在复合材料性能评价参数中有着重要的意义。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种测量精度高、稳定性能好、纤维压缩性能评价可靠的单丝纤维压缩性能的测量方法及其装置。

本发明的目的是这样实现的：所述的单丝纤维压缩性能的测量装置，它是由位移控制器、位移加载台、单丝纤维、应变梁、数据采集系统和数字解调系统组成的，位移控制器连接位移加载台，位移加载台连接单丝纤维，单丝纤维连接应变梁，应变梁连接数据采集系统，数据采集系统连接数字解调系统。

所述的单丝纤维压缩性能的测量方法，步骤如下：

步骤一：实验样件制作：在透明的薄玻璃片上制作一个凹槽做为单丝纤维控制观察平台和固定平台，在单丝纤维的尾部连接微移动尺对单丝纤维伸出台面长度实行控制，整体操作过程在2000倍的显微镜下进行，并通过显微镜的测量系统对要进行压缩的单丝纤维长度进行测量；

步骤二：载荷测量：主要包括驱动装置和应变测量装置，其中驱动装置由AH-SC3电动位移台运动控软件和AH-STA05超薄型电动平移台组成，应变测量装置由移动尺和微小悬臂梁组成，悬臂梁采用的材料是不锈钢片，其尺寸：长、宽、厚度为L＝56.2mm a＝10mmb＝0.3mm，单丝纤维固定在超薄型电动平移台最前端，通过移动尺调整单丝纤维与加载梁的位置，单丝纤维所受压缩载荷是通过弯曲承载结构悬臂梁传递给传感器，单丝纤维通过微位移加载台对金属梁施加载荷，通过应变片记录悬臂梁的变形情况直到纤维被压断，进而间接计算出单丝纤维整个压缩过程所受到的力及压缩强度。

本发明一种单丝纤维压缩性能的测量方法及其装置，采用在悬臂梁根部粘贴应变片的方法来放大纤维承受的载荷应变。解决了微米级纤维所能承受微小压缩力不宜识别的主要技术问题，金属应变片传感器技术成熟，具有灵敏度高、重量轻、便于与计算机连接、解调技术成熟等优点。采用位移连续微加载平台驱动纤维单丝向悬臂梁施加载荷。整体系统测量精度高，稳定性能好，纤维压缩性能评价可靠。

(四)附图说明

图1为本发明的压缩时间与压缩应力变化曲线图；

图2为本发明的数据采集系统实时监测图；

图3为本发明的位移控制系统造作界面；

图4为本发明的悬臂梁受力图；

图5为本发明的截面受力图；

图6为本发明的纤维单丝压缩系统示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图6，本发明一种单丝纤维压缩性能的测量方法及其装置，所述的单丝纤维压缩性能的测量装置，是由位移控制器、位移加载台、单丝纤维、应变梁、数据采集系统和数字解调系统组成的，位移控制器连接位移加载台，位移加载台连接单丝纤维，单丝纤维连接应变梁，应变梁连接数据采集系统，数据采集系统连接数字解调系统。

所述的单丝纤维压缩性能的测量方法，步骤如下：

步骤一：实验样件制作：在透明的薄玻璃片上制作一个凹槽做为单丝纤维控制观察平台和固定平台，在单丝纤维的尾部连接微移动尺对单丝纤维伸出台面长度实行控制，整体操作过程在2000倍的显微镜下进行，并通过显微镜的测量系统对要进行压缩的单丝纤维长度进行测量；

步骤二：载荷测量：主要包括驱动装置和应变测量装置，其中驱动装置由AH-SC3电动位移台运动控软件和AH-STA05超薄型电动平移台组成，应变测量装置由移动尺和微小悬臂梁组成，悬臂梁采用的材料是不锈钢片，其尺寸：长、宽、厚度为L＝56.2mm a＝10mmb＝0.3mm，单丝纤维固定在超薄型电动平移台最前端，通过移动尺调整单丝纤维与加载梁的位置，单丝纤维所受压缩载荷是通过弯曲承载结构悬臂梁传递给传感器，单丝纤维通过微位移加载台对金属梁施加载荷，通过应变片记录悬臂梁的变形情况直到纤维被压断，进而间接计算出单丝纤维整个压缩过程所受到的力及压缩强度。

实施例2：结合图1-图5，本发明所述的单丝纤维为微米级单丝纤维，单丝纤维的被测量段尺寸小于50微米，保证单丝纤维轴向受压时不发生弯曲。不受纤维种类的限制，经过测量系统后即可测得纤维单丝的压缩强度，主要包括以下几个部分：

1)实验样件制作部分：在透明的薄玻璃片上制作一个很窄的凹槽做为纤维控制观察平台和固定平台，在纤维的尾部连接微移动尺对纤维伸出台面长度实行控制。整体操作过程在2000倍的显微镜下进行，并通过显微镜的测量系统对要进行压缩的纤维长度进行测量。

2)载荷测量部分：主要由两大部分构成，一个是驱动装置，一个是应变测量装置。其中驱动装置由AH-SC3电动位移台运动控软件图3和AH-STA05超薄型电动平移台组成，应变测量装置有移动尺和微小悬臂梁组成，悬臂梁采用的材料是不锈钢片，其尺寸长、宽、厚度为L＝56.2mm a＝10mm b＝0.3mm。纤维单丝固定在超薄型电动平移台最前端，通过移动尺调整纤维与加载梁的位置，纤维单丝所受压缩载荷是通过弯曲承载结构悬臂梁传递给传感器，纤维单丝通过微位移加载台对金属梁施加载荷，力的作用会使悬臂梁发生变形，悬臂梁受到微小外力作用时，悬臂梁会偏离原来的位置，产生挠度。因为悬臂梁变形后和变形前的夹角很小，所以认为它的应变是完全由截面的正应力产生的，通过应变片记录悬臂梁的变形情况知道纤维被压断。进而间接计算出单丝碳纤维的整个压缩过程所受到的力及压缩强度。

3)解调系统：由于测量过程中纤维收到的是连续位移载荷并且梁的变形量很小，所以对于解调装置的反应频率和精度有较高的要求。解调原理：半桥120欧桥臂电阻连接桥盒，经电桥将应变片电阻的变化转换为电流或电压信号。经差动放大器、滤波器A/D转换器由电脑控制软件输出测量结果。

4)数据采集系统：将解调系统获得的模拟信号数字化图2，并高速地将数据记录并分析，计算得到纤维单丝的压缩强度。系统通过通讯电缆和计算机并行端口EPP链接。数据采集可自行设定通道数，最高采样频率20kHz最低10Hz、采样速率准确率0.02％精度0.12微应变，由计算机控制16位D/A转换器实现自动平衡，采集到的数据以.txt和.mdb格式存储，经过计算得出目标性能参数值。使用环境符合GB6587.1-86II组条件的环境。

本发明所述的测量方法其测量原理是以悬臂梁纯弯曲时截面的静力关系理论为基础，通过计算使悬臂梁发生纯弯曲的外力F(即为碳纤维丝的压缩力)得到最后的压缩破坏力，进而求得压缩强度。当悬臂梁受到微小外力作用时，悬臂梁会偏离原来的位置，产生挠度。因为悬臂梁变形后和变形前的夹角很小，所以认为它的应变是完全由截面的正应力产生的，根据力学平衡方程，如图4，以A处截面为研究对象得出A处的力矩和B处外力的关系方程：

M＝FL    (1)

式中M-A处截面的力矩F-悬臂梁受的外力L-悬臂梁受力处到截面A的距离

再如图5，根据截面静力平衡关系，取微小面积单元dA，可得力矩和应力的关系：

$M={\∫}_A\mathrm{y\σdA}=2a{\∫}_0^{\frac{1}{2}b}\mathrm{y\σdy}---\left(2\right)$

式中σ-截面A处受到的正应力a-截面A的长度b-截面A的宽度y-微小单元到Z轴的距离

胡克定律σ＝Eε

(3)

根据力学平衡关系(1)、力矩和应力关系(2)和胡克定律(3)可得梁B处受的外力F(纤维丝对悬臂梁的作用力)和梁A处应变ε的关系：

$\mathrm{FL}=2\mathrm{aE\ϵ}{\∫}_0^{\frac{1}{2}b}\mathrm{ydy}=\frac{1}{4}\mathrm{E\ϵ}{\mathrm{ab}}^2---\left(4\right)$

式中ε-悬臂梁A处的应变E-悬臂梁的弹性模量

因为E通过查手册可以知道，ε可以通过应变测量系统测得，a、b又是已知，所以由式(4)计算出力F，再由应力公式

F＝σA    (5)

式中A-单丝纤维的横截面积

即可计算出单丝碳纤维的压缩强度σ_max。并绘制出受压缩时间与压缩应力变化曲线图1。

Claims (2)

1.一种单丝纤维压缩性能的测量装置，它是由位移控制器、位移加载台、单丝纤维、应变梁、数据采集系统和数字解调系统组成的，其特征在于：位移控制器连接位移加载台，位移加载台连接单丝纤维，单丝纤维连接应变梁，应变梁连接数据采集系统，数据采集系统连接数字解调系统。

2.一种单丝纤维压缩性能的测量方法，其特征在于：方法步骤如下：

步骤一：实验样件制作：在透明的薄玻璃片上制作一个很窄的凹槽做为单丝纤维控制观察平台和固定平台，在单丝纤维的尾部连接微移动尺对单丝纤维伸出台面长度实行控制，整体操作过程在2000倍的显微镜下进行，并通过显微镜的测量系统对要进行压缩的单丝纤维长度进行测量；

步骤二：载荷测量：主要包括驱动装置和应变测量装置，其中驱动装置由AH-SC3电动位移台运动控软件和AH-STA05超薄型电动平移台组成，应变测量装置由移动尺和微小悬臂梁组成，悬臂梁采用的材料是不锈钢片，其尺寸：长、宽、厚度为L＝56.2mm a＝10mmb＝0.3mm，单丝纤维固定在超薄型电动平移台最前端，通过移动尺调整单丝纤维与加载梁的位置，单丝纤维所受压缩载荷是通过弯曲承载结构悬臂梁传递给传感器，单丝纤维通过微位移加载台对金属梁施加载荷，通过应变片记录悬臂梁的变形情况直到纤维被压断，进而间接计算出单丝纤维整个压缩过程所受到的力及压缩强度。

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