CN103674757A

CN103674757A - 碳纤维复合材料湿膨胀系数测试装置及其测试方法

Info

Publication number: CN103674757A
Application number: CN201310594296.XA
Authority: CN
Inventors: 郝旭峰; 诸静; 王竹; 居建国
Original assignee: Shanghai Composite Material Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Composite Material Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: CN103674757B

Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料湿膨胀系数测试装置及其测试方法；该测试装置主体采用热机械分析仪(TMA)，在热机械分析仪的基础上进行改进设计，配置一套湿度精度控制的湿度控制器(包括水蒸汽炉以及湿度传感器，湿度控制范围5％-100％)，在一定的湿度范围内，利用热机械分析仪的位移传感器与力学传感器进行湿变形测试，利用该设备测试湿变形具有测试速度快、测试范围宽、分辨率高等特点，可满足多种复合材料湿变形的测试。

Description

碳纤维复合材料湿膨胀系数测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维复合材料湿膨胀系数测试装置及其测试方法。

背景技术

光学及遥感卫星采用三轴稳定姿态控制方式，图像扫描为多通道二维扫描成像，扫描精度及成像质量要求很高，具有以下特点：

①多种有效载荷，且有效载荷的体积大、重量重，有效载荷安装要求复杂，对星体的尺寸变形控制提出了很高的要求；

②有效载荷的安装精度和成像精度要求高，如XX-4卫星采用三轴稳定的姿态控制方式，卫星对有效载荷的成像精度和图像分辨率提出了更高的要求，其对有效载荷支撑结构的精度要求为沿光轴方向800mm长度的变形量小于0.01mm(分解至吸湿变形)；

③卫星运行轨道高，空间温度环境相当复杂。从地面到空间环境的变化(吸湿)引起卫星结构的变形将直接影响到卫星有效载荷的安装精度和成像精度，进而影响到卫星有效载荷的成像质量。

现国内航天复合材料制造装配的一般环境条件要求为：温度20～25℃，湿度≤75％，而在南方地区，雨季的湿度常在85％以上，甚至90％，如此大的湿度变化范围，卫星复合材料构件在地面贮存，包括成型、装配、试验过程中，由于复合材料树脂基体的高分子结构以及复合材料内部孔隙、气泡的存在导致复合材料会吸收水分膨胀，引起复合材料构件的尺寸和力学性能变化。

根据美国GOES8-12卫星的经验，为了保证图像质量，需要对卫星有效载荷和有关结构平台进行特殊的设计和结构变形控制。所以，必须对卫星结构的变形(热变形及湿变形)进行研究，摸清卫星结构变形的规律，进行“微变形”结构的设计，目前，热变形的测试技术已成熟，湿变形通过以常温高湿条件下试样的尺寸变化来评价湿度对复合材料尺寸稳定性的影响，具体试样尺寸根据测试仪器要求确定，对于湿变形即湿膨胀系数的测试，国内外还未有成熟且统一的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中湿变形测试存在的技术问题，提供一种碳纤维复合材料湿膨胀系数测试装置及其测试方法。该方法具体为将碳纤维复合材料试片置于湿的气氛下，测试一定湿度变化范围内试样的变化率。本发明的装置在现有的热机械分析仪测试设备(TMA)基础上进行改进设计，配置一套湿度精度控制的湿度控制器(湿度控制范围5％～100％)，在一定的湿度范围内，利用热机械分析仪的位移传感器与力学传感器进行湿变形测试；利用本发明的方法测试湿变形具有测试速度快、测试范围宽、分辨率高等特点，可满足多种复合材料湿变形的测试。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一方面，本发明涉及一种碳纤维复合材料湿膨胀系数测试装置，所述装置包括热机械分析仪，以及与所述热机械分析仪分别相连的水蒸汽炉以及湿度传感器；所述热机械仪主要包括位移传感器、力学传感器、质量流量计和恒温水浴。水蒸汽炉与湿度传感器与热机械仪集成后组成湿膨胀系数测试装置，主要为热机械仪测试过程中提供精确的湿度气氛。该湿膨胀系数测试装置主要用于测试试样静态下的热膨胀。

优选地，所述水蒸汽炉为耐驰公司生产的专用湿度气氛提供设备。

优选地，所述湿度传感器的湿度控制范围为5％～100％。

优选地，所述湿度传感器为耐驰公司水蒸汽炉专用控制设备。

第二方面，本发明还涉及一种利用上述的装置测试碳纤维复合材料湿膨胀系数的方法，包括如下步骤：

A、将碳纤维复合材料试样置于所述热机械分析仪的测试室内，固定；采用所述位移传感器将试样长度调零，通过所述力学传感器测得试样初始质量W₀；

B、通过所述水蒸汽炉调节所述测试室内温度至设定温度，通过所述湿度传感器调节湿度至设定湿度，保持预设时间；

C、通过所述位移传感器测得试样长度，通过所述力学传感器测得试样质量变化△W；

D、通过下式即得所述试样的湿膨胀系数β：

β=ε/△M

△M=(△W/W₀)×100，其中，ε为应变。该应变数据由湿膨胀测试设备获得。

优选地，步骤A中，所述试样的规格为：3mm×3mm×30mm，其中30mm方向为纤维0°或90°。即：3mm×3mm×30mm(0°)或3mm×3mm×30mm(90°)。

优选地，步骤A中，所述试样是利用热机械分析仪的推杆进行固定的。

优选地，步骤B中，所述设定温度为室温～250℃。

优选地，步骤B中，所述设定湿度为5％～90％。

优选地，步骤B中，所述测试室内真空度调整为10^-2Pa。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：本发明在现有的热机械分析仪测试设备(TMA)基础上进行改进设计，配置一套湿度精度控制的湿度控制器(湿度控制范围5％～100％)，在一定的湿度范围内，利用热机械分析仪的位移传感器与力学传感器进行湿变形测试；利用本发明的方法测试湿变形具有测试速度快、测试范围宽、分辨率高等特点，可满足多种复合材料湿变形的测试。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明专利的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明湿膨胀测试装置的结构示意图；

其中，1为力学传感器，2为样品，3为测试炉，4为位移传感器。

图2为本发明湿膨胀测试方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种碳纤维复合材料湿膨胀系数测试装置，如图1所示，由基本单元(高解析度位移传感器4与力传感器1)、水蒸汽炉、湿度控制器、恒温水浴、质量流量计等组成，其中热机械分析仪(TMA)为成熟设备(德国耐驰)，基本单元由位移传感器4、力传感器1、测试室(包括测试炉3)、推杆等组成，TMA设备具有测量样品小、测试范围宽、变形分辨率高等特点，完全满足碳纤维复合材料的变形测试要求，本实施例通过在TMA设备的测试室里集成一个水蒸汽炉并配备高精度的湿度传感器，提供测试样品2过程中的湿度气氛。

本实施例还涉及一种利用上述的装置测试碳纤维复合材料湿膨胀系数的方法，包括如下步骤：

A、试样准备

碳纤维复合材料试样采用模压工艺制作，铺层采用【0】₁₂(即：单向铺层，铺层层数12层)，固化后将样品按如下要求加工：

3mm×3mm×30mm(0°)6块；

3mm×3mm×30mm(90°)6块；

B、将试样清理干净后，放入测试室内利用推杆固定，将产品长度调零，测得试样初始质量W₀；

C、设置设备温度为25℃，湿度为30％，稳定30min，记录试样长度，保持测试室温度25℃，调节湿度至96％、65％，分别保持72h、144h后记录试样长度，具体测试及计算按照图2所示的流程进行；

D、湿膨胀系数β按下式计算：

β=ε/△M

△M=(△W/W₀)×100％

式中ε为应变，△W为材料质量变化，W⁰为材料初始质量，△M为吸湿率变化量。

其具体的技术指标为：

试样最大长度：30mm；

测量范围：±2500μm，分辨率0.125nm；

炉温：室温～250°C；

相对湿度控制：5～90％；

真空度：10^-2Pa。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种碳纤维复合材料湿膨胀系数测试装置，其特征在于，所述装置包括热机械分析仪，以及与所述热机械分析仪分别相连的水蒸汽炉以及湿度传感器；所述热机械仪包括位移传感器、力学传感器、质量流量计和恒温水浴。

2.如权利要求1所述的碳纤维复合材料湿膨胀系数测试装置，其特征在于，所述水蒸汽炉为耐驰公司生产的专用湿度气氛提供设备。

3.如权利要求1所述的碳纤维复合材料湿膨胀系数测试装置，其特征在于，所述湿度传感器的湿度控制范围为5％～100％。

4.如权利要求1所述的碳纤维复合材料湿膨胀系数测试装置，其特征在于，所述湿度传感器为耐驰公司水蒸汽炉专用控制设备。

5.一种利用如权利要求1所述的装置测试碳纤维复合材料湿膨胀系数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

D、通过下式即得所述试样的湿膨胀系数β：

β=ε/△M

△M=(△W/W₀)×100％，其中，ε为应变。

6.如权利要求5所述的测试碳纤维复合材料湿膨胀系数的方法，其特征在于，步骤A中，所述试样的规格为：3mm×3mm×30mm，其中30mm方向为纤维0°或90°。

7.如权利要求5所述的测试碳纤维复合材料湿膨胀系数的方法，其特征在于，步骤A中，所述试样是利用热机械分析仪的推杆进行固定的。

8.如权利要求5所述的测试碳纤维复合材料湿膨胀系数的方法，其特征在于，步骤B中，所述设定温度为室温～250℃。

9.如权利要求5所述的测试碳纤维复合材料湿膨胀系数的方法，其特征在于，步骤B中，所述设定湿度为5％～90％。

10.如权利要求5所述的测试碳纤维复合材料湿膨胀系数的方法，其特征在于，步骤B中，所述测试室内真空度调整为10^-2Pa。