CN102445386A - 单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器，所述的单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器，包括旋转圆盘，旋转圆盘上固定有定位针架，每个定位针架内嵌有一个定位针，定位针的前端固定连接微金属丝，两侧的微金属丝之间设有单纤维。本发明在疲劳测量时微金属丝直接与所测单纤维作定点握持，并可进行无剪切作用的压紧和接触握持以及对中调整。该握持器可用于单纤维及纳米单纤维的弯曲疲劳的测量，解决了现有弯曲疲劳装置对纳微粗细（50nm~1μm）单纤维测量不准或无法测量的问题。

Description

单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器

技术领域

本发明涉及一种适用于微尺度柔性材料如单纤维和膜类材料的定点弯曲疲劳的握持装置，属精密测量技术领域。

背景技术

单纤维是柔软细长体，耐弯曲疲劳性极好，如天然、再生和合成单纤维单纤维，如果对单纤维做弯曲疲劳，而且是非定点的弯曲疲劳，不仅实验结果无代表性，而且实验的疲劳次数是天文数据，因此准确表达必须采用定点弯曲作用。

高性能单纤维的拉伸性质优秀，高强高模，但是其原纤结构且相互间作用较弱，极易在剪切作用下劈裂而失效，如Kevlar，PBO芳纶单纤维等。因此，设计和使用中必须对其弯曲疲劳作出客观正确的评价。而实现此类评价的关键是弯曲疲劳测量中的定点握持和微尺度的握持，这是保证弯曲疲劳测量正确有效的两个基本保证。

目前国内外柔性弯曲疲劳测试装置主要有钟摆式、滑轮式弯曲疲劳仪，以及在专利“一种用于柔性材料的弯曲疲劳性能测量装置”介绍的定点弯曲疲劳测试装置。这三类都只适合于较粗的，即10微米尺度以上的单纤维、甚至是纱线。而且钟摆式、滑轮式弯曲疲劳仪是变弯曲点的弯曲疲劳测量，即弯曲点在移动。另外，单纤维的弯曲疲劳性能取决于夹持的松紧和夹持器的形态。上述传统方法对纳微尺度（直径≤10μm）单纤维的弯曲疲劳测量，则根本无法进行。

专利“一种用于柔性材料的弯曲疲劳性能测量装置”（ZL 200410053598.7，申请日：2004年8月10日, 授权公告日：2006年6月7日）为定点弯曲疲劳，解决了传统弯曲仪的非定点握持的问题。在单纤维粗细的适应性上亦有所进展，但也只能勉强适于大于5μm粗细单纤维的弯曲疲劳测量。且被测单纤维越细，该测量的误差越大，或无法测量。有关适合不同尺度柔性材料弯曲疲劳的定点握持装置的测量技术，尤其是对纳微粗细（50nm~1μm）单纤维弯曲疲劳性能的精准测量未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器，以保证对不同粗细、尤其是纳微粗细或厚度的单纤维或膜类材料的准确有效握持和弯曲疲劳性质的精准性测量。

为了实现上述目的，本发明提供了一种单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器，包括旋转圆盘，其特征在于，旋转圆盘上固定有一对定位针架，每个定位针架内嵌有一个定位，定位针的前端固定连接微金属丝，两微金属丝之间可夹持单纤维。

优选地，所述的旋转圆盘设于弯曲疲劳仪上。

优选地，所述的定位针架上还设有定位针竖直方向调节装置和定位针水平方向调节装置。

更优选地，所述的定位针竖直方向调节装置包括设于定位针架上的一对对钮钉，定位针设于该一对对钮钉之间，每个对钮钉皆可沿竖直方向移动。对钮钉同相移动时调节定位针沿竖直方向移动；相对移动时夹紧定位针；分离移动时松开定位针，以便粗微调钮调节定位针的水平移动。

更优选地，所述的定位针水平方向调节装置包括设于定位针架端部的粗微调钮，粗微调钮的一端活动连接定位针的后端，随粗微调钮的转动活动连接的定位针可沿水平方向移动。

优选地，所述的微金属丝点焊于定位针的前端。

更优选地，所述的定位针端面为圆柱形，与微金属丝平行接触且微金属丝轴线平行于定位针的端面，微金属丝中部以及微金属丝的两端为点焊点。

优选地，所述的微金属丝为直径为0.5μm-0.5mm的不锈钢丝、钢丝、铜丝或合金丝。

优选地，所述的定位针架为槽形，定位针架的内壁固定有双弹簧片，定位针设于双弹簧片之间。双弹簧片用于定位针的定位与握持。

优选地，所述的单纤维的上下两端分别设有上夹头和下夹头。

本发明的单纤维定点弯曲疲劳的微尺度握持器可用于单纤维或薄膜带的定点弯曲疲劳试验握持点的精准握持，尤其是对纳米或微米粗细（50nm~1μm）单纤维的精准接触或夹紧握持。

本发明的特点和有益效果在于：(a) 仅在原弯曲疲劳仪握持器的定位针上焊接不同直径的金属丝，就实现了纳米或微米尺度单纤维的有效精准握持，方法简洁、实用；(b) 由于引入微尺度金属针和二维微调节机构，实现了对夹持单纤维的对中和定点握持，使纳、微尺度单纤维的定点弯曲疲劳和精准测量成为可能；(c) 由于点焊的方便和定位针的模块式拆卸与安装，所以可根据被测单纤维的粗细或膜的厚薄直接更换带有不同粗细微金属针的定位针，便可适应不同尺度单纤维和膜的定点握持，操作灵活、方便。

附图说明

图1为单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器结构示意图；

图 2为单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器俯视图；

图3为定点弯曲疲劳试验实测曲线。

图中：1―旋转圆盘；2―定位针架；3―定位针；4―微金属丝；5―对钮钉；6―粗微调钮；7―双弹簧片；8―点焊点；9―螺钉；10―单纤维；11―上夹头；12―下夹头。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

    如图1所示，为单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器结构示意图，图2为其俯视图，所述的单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器包括旋转圆盘1，旋转圆盘1上固定有定位针架2，每个定位针架2内嵌有一个定位针3，定位针3的前端固定连接微金属丝4，微金属丝4之间设有单纤维10。

所述的定位针架2上还设有定位针竖直方向调节装置和定位针水平方向调节装置。所述的定位针竖直方向调节装置包括设于定位针架2上的一对对钮钉5，定位针3设于该一对对钮钉5之间，每个对钮钉5皆可沿竖直方向移动。所述的定位针水平方向调节装置包括设于定位针架2端部的粗微调钮6，粗微调钮6的一端活动连接定位针3的后端，并随粗微调钮6的转动活动连接的定位针3可沿水平方向移动。

所述的定位针3端面为圆柱形，与微金属丝平行接触且微金属丝轴线平行于定位针的端面，微金属丝4中部以及微金属丝4的两端为点焊点8。所述的定位针架2为槽形，定位针架2的内壁固定有双弹簧片7，定位针3设于双弹簧片7之间。双弹簧片用于定位针的定位与握持。所述的单纤维10的上下两端分别设有上夹头11和下夹头12。

定位针3的水平相对移动为微金属丝4的接触或夹紧单纤维，由粗微调钮6的前进推动完成。一对定位针3的水平同向移动，为一对微金属丝4的水平同步向左或向右推动单纤维平移对中，这由一个粗微调钮6的前推和另一个粗微调钮6的同步后撤完成。本发明所述的接触单纤维是指微金属丝仅轻微地接触单纤维而握持；本发明所述的夹紧单纤维是指微金属丝有较大地压入单纤维而握持，一般两侧的压入量各为单纤维直径的2%~10%。

定位针3的上、下移动对分布在单纤维两侧的一对在各自定位针上的微金属丝4来说，有两种移动方式：一是错位移动，以调节这对微金属丝4在同一水平线上；一是同向移动，以调整该水平线过旋转圆盘1的转动中心。

应用例1~3：Kevlar 49单纤维的定点弯曲疲劳试验

采用实施例1所述的单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器。先根据所测单纤维10的尺度选择微金属丝4，并点焊于定位针3上。然后，将带有微金属丝4的定位针3插于固定在旋转圆盘1上的定位针架2中。将单纤维10一端夹持在上夹头11上，然后将单纤维10穿过握持器的一对定位针3间，再用下夹头12夹持单纤维10的另一端。通过对钮钉5调节定位针3的水平和对中；通过转动粗微调钮6使微金属丝4与单纤维10准确有效地握持。然后进行单纤维的定点弯曲疲劳试验，实测曲线如图3所示。

应用例1~3所选取的高性能单纤维试样为Kevlar 49单纤维，具体实验条件参数和所测得的疲劳结果见下表所列。

应用例4~5：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)单纤维的定点弯曲疲劳试验

采用实施例1所述的单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器。具体步骤同实施例1~3。

应用例4~5所选取的高性能单纤维试样为超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维，具体实验条件参数和所测得的疲劳结果见下表所列。

单纤维定点弯曲疲劳的微尺度握持器实测条件与疲劳结果的对比表

参数与结果

应用例1

应用例2

应用例3

应用例4

应用例5

应用例6

纤维

Kevlar 49

Kevlar 49

Kevlar 49

UHMWPE

UHMWPE

UHMWPE

纤维直径(μm)

12.2

12.2

8.1

7.3

7.3

7.3

金属丝

不锈钢丝

不锈钢丝

铜丝

不锈钢丝

镍合金丝

铜丝

金属丝直径(μm)

10

100

1

0.5

200

5

初张力(mN)

100

500

20

200

50

5

夹持状态

5%加紧

接触

10%加紧

接触

2%加紧

7%加紧

弯曲角

45o

160o

90o

120o

80o

20o

弯曲频率(Hz)

0.5

0.1

3

2

1

10

循环应力幅值

28.5 mN

86.7 mN

10.2 mN

4.5 mN

176.3 mN

13.9 mN

幅值调整间隔

不调

≈N/2

不调

600次

1000次

2000次

疲劳寿命N

4836次

6856次

5459次

12803次

25087次

33532次

疲劳寿命极差

503次

2384次

212次

485次

3712次

1890次

注：初张力为单纤维开始弯曲疲劳试验时单纤维绷紧的张力；弯曲角为下夹头来回摆动时的单侧摆动角；循环应力幅值为一个弯曲循环中的应力波的波动幅值；幅值调整间隔为初张力因疲劳衰减而需要回复原设定值所经历的弯曲疲劳次数。

Claims (10)

1.一种单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器，包括旋转圆盘（1），其特征在于，旋转圆盘（1）上固定有一对定位针架（2），每个定位针架（2）内嵌有一个定位针（3），定位针（3）的前端固定连接微金属丝（4），两微金属丝（4）之间可夹持单纤维（10）。

2.如权利要求1所述的单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器，其特征在于，所述的旋转圆盘（1）设于弯曲疲劳仪上。

3.如权利要求1所述的单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器，其特征在于，所述的定位针架（2）上还设有定位针竖直方向调节装置和定位针水平方向调节装置。

4.如权利要求2所述的单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器，其特征在于，所述的定位针竖直方向调节装置包括设于定位针架（2）上的一对对钮钉（5），定位针（3）设于该一对对钮钉（5）之间，每个对钮钉（5）皆可沿竖直方向移动。

5.如权利要求2所述的单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器，其特征在于，所述的定位针水平方向调节装置包括设于定位针架（2）端部的粗微调钮（6），粗微调钮（6）的一端活动连接定位针（3）的后端，并随粗微调钮（6）的转动活动连接的定位针（3）可沿水平方向移动。

6.如权利要求1所述的单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器，其特征在于，所述的微金属丝（4）点焊于定位针（3）的前端。

7.如权利要求5所述的单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器，其特征在于，所述的定位针（3）端面为圆柱形，与微金属丝平行接触且微金属丝轴线平行于定位针的端面，微金属丝（4）中部以及微金属丝（4）的两端为点焊点（8）。

8.如权利要求1所述的单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器，其特征在于，所述的微金属丝（4）为直径为0.5μm-0.5mm的不锈钢丝、钢丝、铜丝或合金丝。

9.如权利要求1所述的单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器，其特征在于，所述的定位针架（2）为槽形，定位针架（2）的内壁固定有双弹簧片（7），定位针（3）设于双弹簧片（7）之间。

10.如权利要求1所述的单纤维定点弯曲疲劳的微尺度定位握持器，其特征在于，所述的单纤维（10）的上下两端分别设有上夹头（11）和下夹头（12）。

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