CN103234784B - 碳纤维层间剪切强度测试的制样方法及专用模具 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种碳纤维层间剪切强度测试的制样方法及专用模具，该方法包括：碳纤维丝束刷环氧树脂、放入模具中烘烤固化、冷却，完成制样工序，采用该方法使制样工序简单易操作，大大缩短了人工作业的时间，而且使得制样中的碳纤维丝束分布更均衡；该模具包括底座、活塞和C型钳；底座上端面有贯穿底座前后两侧的凹槽，活塞由上部的上盖和下端有契合底座凹槽的凸台构成，凸台的高度小于底座凹槽的深度，C型钳固定配合安装后的底座与活塞，该模具完全符合该方法的需求，而且结构简单，方便加工。

Description

碳纤维层间剪切强度测试的制样方法及专用模具

技术领域

本发明涉及碳纤维层间剪切强度测试的制样方法；本发明还涉及一种碳纤维层间剪切强度测试的制样方法的专用模具。

背景技术

碳纤维是由一种含碳量在92％以上的新型高性能纤维材料，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能，广泛应用于航空航天、军事国防、体育器械及工业领域，是国家重要的战略性基础材料。

碳纤维作为一种脆性材料很少单独使用，多是与环氧树脂结合制成复合材料以充分发挥其优良性能。碳纤维层间剪切强度是衡量碳纤维表面处理效果即与环氧树脂界面结合性能的指标，已有相关的测试标准，通过将碳纤维丝束和环氧树脂固化后剪切成长为20mm、宽为10mm、高为2mm的薄片，用压力机测试薄片的耐压性和延展性。

目前,通常采用的制样方法流程为：先将碳纤维丝束经放丝辊放入浸胶槽再卷绕辊制成单向预浸布，预浸布干燥后经剪切、叠层、加热压合制成平板，再经机械加工制成制样，完成整套工艺需要10小时以上，不仅工艺流程长、工艺复杂，且制得的制样容易出现含胶量不匀的现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于碳纤维层间剪切强度测试的制样方法，用该方法制备制样不仅流程短、工艺简单，且易制得含胶量均匀的制样，从而获得更准确的碳纤维层间剪切强度的测试结果；本发明还提供一种实施上述方法的专用模具。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种碳纤维层间剪切强度测试的制样方法，包括以下步骤：

a)将碳纤维丝束依次平铺在隔离纸上；

b)依次用环氧树脂涂刷在碳纤维丝束的两面；

c)模具的底座和活塞之间配合后留有间隙，将涂刷环氧树脂的碳纤维丝束依次放入模具中，使得碳纤维丝束的体积占模具容积的40％-60％；

d)将模具放入烘箱中加热固化，加热固化温度为120-180℃，时间为2-3小时；

e)冷却至室温并取出制样，结束碳纤维层间剪切强度测试的制样工序；

所述的模具包括底座、活塞和C型钳；

底座上端面有贯穿底座前后两侧的凹槽；

活塞由上部的上盖和下端有契合底座凹槽的凸台构成，凸台的高度小于底座凹槽的深度；

C型钳固定配合安装后的底座与活塞；

所述的底座包括L形板和侧板；L形板为高度不同的两阶段台阶，分别为第一台阶和第二台阶，第一台阶的高度大于第二台阶的高度，侧板固定联接在第二台阶远离第一台阶的侧壁上。

先采用排笔或毛刷蘸取配制的环氧树脂涂刷在碳纤维丝束的两面,使得碳纤维丝束两面都均匀的涂刷上环氧树脂,排笔或毛刷的宽度为2-8厘米更好的契合碳纤维丝束的宽度,涂刷时避免有盲区；

将涂刷环氧树脂的碳纤维丝束依次拉直放入模具中,碳纤维丝束的体积占模具容积的40％-60％,使得加工出的制样更符合测试的要求；

之后，将模具连同模具内涂刷环氧树脂的碳纤维丝束放入烘箱中用温度120-180℃加热2-3小时，使得制样受热固化；

最后将加热后的模具取出，冷却至室温，取出冷却固化的制样，结束碳纤维层间剪切强度测试的制样工序。

模具底座的凹槽内依次放入涂刷环氧树脂的碳纤维丝束,因为凹槽贯穿底座前后两侧，碳纤维丝束两端分别伸出凹槽两端，后续将碳纤维丝束拉直，并利用底座的凹槽与活塞的凸台之间的配合结构，使得将制样塑型，而且在配合过程中排出碳纤维丝束与环氧树脂之间的空气和多余的环氧树脂，当底座与活塞之间完全配合后，C型钳的两端夹紧端分别夹紧底座下端面和活塞上端面，达到紧固模具的作用，不会因为运输过程中活塞与底座之间有相对运动，或是在烘烤的过程中受到涨力使活塞与底座之间产生相对运动。

底座通过L形板和侧板组合构成凹槽，使得整个底座结构更加方便加工，而且在结束烘烤工序后，使得脱模更方便。

采用这样的方法后，使得碳纤维层间剪切强度测试的制样工序简单易操作，大大缩短了人工作业的时间，而且使得制样中的碳纤维丝束分布更均衡，更符合测碳纤维层间剪切强度测试的标准。

以下为了更好、更方便的理解本发明所述的技术内容，将本发明碳纤维层间剪切强度测试的制样方法简称为本方法。

本方法中步骤b)每束碳纤维长度为40-60厘米,步骤c)、d)、e)模具长度为15-25厘米,碳纤维丝束的长度大于模具的长度，模具的间隙贯穿模具的长度方向两端面；步骤c)中涂刷环氧树脂的碳纤维丝束两端伸出模具两侧，先拉直碳纤维丝束，再去除伸出模具两侧外的碳纤维丝束和环氧树脂。

碳纤维丝束的长度大于模具的长度可以避免碳纤维丝束过短造成最终制造的制样内碳纤维含量不均匀，而且碳纤维丝束的长度大于模具的长度在放置时，将碳纤维丝束两端分别伸出模具两侧，先手动拉直碳纤维丝束，保证碳纤维丝束在模具中没有缠绕或者卷曲，待模具底座与活塞完全配合后,再去除伸出模具两侧外的碳纤维丝束和环氧树脂,可以确定碳纤维丝束的体积占模具容积的比例。

本方法中步骤d)、e)中模具内表面喷涂有脱模剂，方便制样成型后脱模。

本模具的L形板、活塞和侧板材质为不锈钢，采用不锈钢材质即降低了成本、方便工业加工，而且满足碳纤维层间剪切强度测试的制样方法中烘烤和涂抹工艺，使模具具有不锈钢材质不易腐蚀、韧性高、耐高温的优良特性。

附图说明

图1是本发明模具实施例底座和活塞配合的主视图。

图2是图1沿A-A方向的剖视图。

图3是本发明模具实施例底座和活塞配合的立体图。

图4是本发明模具实施例工作状态图。

具体实施方式

如图1至3所示，本模具的底座1包括L形板11和侧板12,L形板11为高度不同的两阶段台阶,第一台阶11a和第二台阶11b，第一台阶11a的高度大于第二台阶11b的高度,第一台阶11a的高度等于侧板12高度，侧板12通过三个紧固螺栓13固定在第二台阶11b远离第一台阶11a的侧壁上，使得侧板12的上端面与L形板11第一台阶11a的上端面处于同一水平面，侧板12与L形板11之间形成凹槽14。

本模具的活塞2上部有水平延伸的上盖21，上盖21下部有契合凹槽14的凸台22，凸台22的长度等于底座1的长度，凸台22的高度小于底座1凹槽14的深度。

活塞2和底座1配合时，凸台22完全深入凹槽14内，凸台22的下端面和凹槽14的底面之间有制样间隙4，制样间隙4截面宽为10mm、高为2mm；

如图4所示，活塞2和底座1配合后，用C型钳3的固定卡口31和夹紧卡口32分别接触模具的底座1下端面和活塞2上端面，达到防止底座1与活塞2相对运动的效果。

结合上述本发明专用的模具具体阐述本发明碳纤维层间剪切强度测试的制样方法。

在制样之前先按照碳纤维的规格和制样中碳纤维的含量计算所需碳纤维丝束的数量：

假设碳纤维在试样中所占的体积分数为fv，制样的宽度(制样间隙4的宽度)为w(单位是mm)，制样的厚度(等同与制样间隙4的高度)为t(单位是mm)，每根碳纤维丝束的密度为ρ(单位是g/cm³)，碳纤维丝束的线密度为ML(单位是g/m)，制样中碳纤维丝束数量N应该满足计算公式：N＝fVwtρ/ML。

下列实施例中使用同一根碳纤维，所以其碳纤维的线密度相同。

实施例一

碳纤维层间剪切强度测试的制样方法，包括以下步骤：

步骤a)：取20根40cm长的碳纤维丝束依次平铺在垫有隔离纸上；

步骤b)：依次用宽度为2-8厘米的排笔或毛刷蘸取配制的环氧树脂涂刷在碳纤维丝束的两面,使得碳纤维丝束两面都均匀的涂刷上环氧树脂；

步骤c)：先在模具的凹槽14和凸台22上喷涂脱模剂，再将涂刷环氧树脂的碳纤维丝束依次放入长度为16cm的模具的凹槽14中,涂刷环氧树脂的碳纤维丝束两端伸出底座1两侧，依次将每根碳纤维丝束手动取直，用模具的活塞2与底座1配合，挤压凹槽14中的碳纤维丝束和环氧树脂，将凹槽14中的空气和多的环氧树脂挤出，活塞2与底座1完全配合时，用C型钳3的固定卡口31和夹紧卡口32分别接触底座1下端面和活塞2上端面，剪切模具两侧的碳纤维丝束,使得每根碳纤维丝束长度等于制样间隙4的长度，并且去除多余的环氧树脂,使得碳纤维丝束的体积占模具容积的40％,环氧树脂的体积占模具容积的60％；

步骤d)：将模具连同模具内涂刷环氧树脂的碳纤维丝束放入烘箱中,加热固化温度为120℃，时间为3小时，使得制样受热固化；

步骤e)：冷却至室温，将制样取出切割成8个长度为20mm、宽度为10mm、高度为2mm的测试薄片，结束碳纤维层间剪切强度测试的制样工序。

整个工序需要操作工1人时长4-5个小时。

实施例二

碳纤维层间剪切强度测试的制样方法，包括以下步骤：

步骤a)：取25根50cm长的碳纤维丝束依次平铺在垫有隔离纸上；

步骤b)：依次用宽度为2-8厘米的排笔或毛刷蘸取配制的环氧树脂涂刷在碳纤维丝束的两面,使得碳纤维丝束两面都均匀的涂刷上环氧树脂；

步骤c)：先在模具的凹槽14和凸台22上喷涂脱模剂，再将涂刷环氧树脂的碳纤维丝束依次放入长度为20cm的模具的凹槽14中,涂刷环氧树脂的碳纤维丝束两端伸出底座1两侧，依次将每根碳纤维丝束手动取直，用模具的活塞2与底座1配合，挤压凹槽14中的碳纤维丝束和环氧树脂，将凹槽14中的空气和多的环氧树脂挤出，活塞2与底座1完全配合时，用C型钳3的固定卡口31和夹紧卡口32分别接触底座1下端面和活塞2上端面，剪切模具两侧的碳纤维丝束,使得每根碳纤维丝束长度等于制样间隙4的长度，并且去除多余的环氧树脂,使得碳纤维丝束的体积占模具容积的50％,环氧树脂的体积占模具容积的50％；

步骤d)：将模具连同模具内涂刷环氧树脂的碳纤维丝束放入烘箱中,加热固化温度为150℃，时间为2.5小时，使得制样受热固化；

步骤e)：冷却至室温，将制样取出切割成10个长度为20mm、宽度为10mm、高度为2mm的测试薄片，结束碳纤维层间剪切强度测试的制样工序。

整个工序需要操作工1人3.5-4.5个小时。

实施例三

碳纤维层间剪切强度测试的制样方法，包括以下步骤：

步骤a)：取30根60cm长的碳纤维丝束依次平铺在垫有隔离纸上；

步骤b)：依次用宽度为2-8厘米的排笔或毛刷蘸取配制的环氧树脂涂刷在碳纤维丝束的两面,使得碳纤维丝束两面都均匀的涂刷上环氧树脂；

步骤c)：先在模具的凹槽14和凸台22上喷涂脱模剂，再将涂刷环氧树脂的碳纤维丝束依次放入长度为24cm的模具的凹槽14中,涂刷环氧树脂的碳纤维丝束两端伸出底座1两侧，依次将每根碳纤维丝束手动取直，用模具的活塞2与底座1配合，挤压凹槽14中的碳纤维丝束和环氧树脂，将凹槽14中的空气和多的环氧树脂挤出，活塞2与底座1完全配合时，用C型钳3的固定卡口31和夹紧卡口32分别接触底座1下端面和活塞2上端面，剪切模具两侧的碳纤维丝束,使得每根碳纤维丝束长度等于制样间隙4的长度，并且去除多余的环氧树脂,使得碳纤维丝束的体积占模具容积的60％,环氧树脂的体积占模具容积的40％；

步骤d)：将模具连同模具内涂刷环氧树脂的碳纤维丝束放入烘箱中,加热固化温度为180℃，时间为2小时，使得制样受热固化；

步骤e)：冷却至室温，将制样取出切割成12个长度为20mm、宽度为10mm、高度为2mm的测试薄片，结束碳纤维层间剪切强度测试的制样工序。

整个工序需要操作工1人3-4个小时。

用上述方法制得的碳纤维层间剪切强度测试的制样有着含胶量均匀的优点，不仅相对现有技术工艺更简单，模具加工更方便，便于工业化生产，而且大大缩短了制样时间。

上述提到的脱模剂采用市售的雾化硅油脱模剂；C型钳也是市场成熟产品，可以根据模具的大小选用不用型号的C型钳；环氧树脂也为市场成熟产品，本发明提到的环氧树脂为市场成熟产品,采用国产E44、E51等型号的环氧树脂；碳纤维丝束也为市场成熟产品，本发明提到的碳纤维丝束均采用K、6K、12K、24K等规格碳纤维产品。

Claims (5)

1.碳纤维层间剪切强度测试的制样方法，包括以下步骤：

a) 将碳纤维丝束依次平铺在隔离纸上；

b) 依次用环氧树脂涂刷在碳纤维丝束的两面；

c) 模具的底座和活塞之间配合后留有间隙，将涂刷环氧树脂的碳纤维丝束依次放入模具中，使得碳纤维丝束的体积占模具容积的40%-60% ；

d) 将模具放入烘箱中加热固化，加热固化温度为120-180℃，时间为2-3 小时；

e) 冷却至室温并取出制样，结束碳纤维层间剪切强度测试的制样工序；

所述的模具包括底座、活塞和C 型钳；

底座上端面有贯穿底座前后两侧的凹槽；

活塞由上部的上盖和下端有契合底座凹槽的凸台构成，凸台的高度小于底座凹槽的深度；

C 型钳固定配合安装后的底座与活塞；

所述的底座包括L 形板和侧板；L 形板为高度不同的两阶段台阶，分别为第一台阶和第二台阶，第一台阶的高度大于第二台阶的高度，侧板固定联接在第二台阶远离第一台阶的侧壁上。

2.根据权利要求1 所述的碳纤维层间剪切强度测试的制样方法，其特征在于：上述步骤c) 中模具的间隙贯穿模具的长度方向两端面，上述步骤b）、c) 中碳纤维丝束的长度大于模具的长度；

上述步骤c) 中涂刷环氧树脂的碳纤维丝束两端伸出模具两侧，先依次拉直碳纤维丝束，待模具底座与活塞完全配合后，再去除伸出模具外侧的碳纤维丝束和环氧树脂。

3.根据权利要求2 所述的碳纤维层间剪切强度测试的制样方法，其特征在于：所述的步骤a）、b）每束碳纤维长度为40-60 厘米，步骤c)、d）、e）模具长度为15-25 厘米。

4.根据权利要求1 所述的碳纤维层间剪切强度测试的制样方法，其特征在于：上述步骤b）涂环氧树脂的工具为排笔或毛刷，排笔或毛刷的宽度为2-8 厘米。

5. 根据权利要求1 所述的碳纤维层间剪切强度测试的制样方法，其特征在于：上述步骤d）、e）中模具内表面喷涂有脱模剂。