CN106596296A - 单纤维界面剪切强度测试方法及所用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单纤维界面剪切强度测试装置，包括单丝拉伸仪、定夹具、动夹具、单纤维拔出辅助装置；单纤维拔出辅助装置包括支座组件、辅助夹具、显示器及伸缩调控组件；支座组件由滑动支座、固定支座和支座底板组成；在辅助夹具上设置显示器；在辅助夹具的两侧各设置一个伸缩调控组件，两个伸缩调控组件相对于辅助夹具成镜面对称；每个伸缩调控组件由依次排列的伸缩端、固定端套管以及含刻度的旋转端组成，局部套装在固定端套管内的旋转端与固定端套管螺纹相连，局部套装在固定端套管内的伸缩端与旋转端固定相连；伸缩端与辅助夹具相连。本发明还同时公开了利用上述装置进行的单纤维界面剪切强度测试法。

Description

单纤维界面剪切强度测试方法及所用装置

技术领域

本发明涉及到一种单纤维界面剪切强度测试方法及所用装置。

背景技术

复合材料与传统金属材料相比，具有高比强度、高比模量耐腐蚀、耐疲劳等特点，广泛应用于航空航天、船舶、交通、医疗等承载能力要求较高的行业。而复合材料是由基体、增强材料两相组成，相与相之间会产生界面，界面将增强材料与基体结合成一个整体，有效地传递应力，共同承受外界荷载，因此，研究复合材料界面性能并对其进行准确地表征具有重要意义。

目前，主流的测试纤维与基体间界面性能的方法有单纤维拔出、临界纤维长度法、微脱粘法等。其中微脱黏法试验的试样制作较为简便，但试验设备成本高昂且不易于操作。而单纤维树脂拔出法具有试验方法简便、观察方便、设备制作成本低等优点，该方法是将单根纤维一端埋入树脂基体中，待树脂固化后脱模取出形成单纤维复合材料，通过试验机在纤维上端施加沿纤维轴向作用力将单纤维从树脂基体中脱离，记录拔出过程中产生的最大荷载从而获得界面剪切强度、摩擦系数等。

目前单纤维拔出法所用的SFPOT系统包括自动加载系统、变形测定器、微型计算机、显微观测系统；在样品制备时较难，纤维上端夹持，下端接触树脂并伸入一定深度，待固化后测试，上端自动匀速加载上升，得出荷载-位移曲线。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种单纤维界面剪切强度测试装置及其测试方法，采用本发明能解决现有技术中存在试样制作困难、操作过程中因夹持精度不当造成试验失败等问题，本发明可方便快捷的测试纤维与树脂拔出时所产生的剪切强度，即，测试单纤维与树脂界面剪切强度，能有效降低试验离散度。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种单纤维界面剪切强度测试装置，包括单丝拉伸仪、定夹具、动夹具，还包括单纤维拔出辅助装置；

所述单纤维拔出辅助装置包括支座组件、辅助夹具、显示器及伸缩调控组件；

所述支座组件由滑动支座、固定支座和支座底板组成；在支座底板的两端分别设置滑动支座和固定支座，所述滑动支座与支座底板滑动相连，固定支座与支座底板固定相连；

在辅助夹具上设置显示器；

在辅助夹具的两侧各设置一个伸缩调控组件，两个伸缩调控组件相对于辅助夹具成镜面对称；

每个伸缩调控组件由依次排列的伸缩端、固定端套管以及含刻度的旋转端组成，局部套装在固定端套管内的旋转端与固定端套管螺纹相连，局部套装在固定端套管内的伸缩端与旋转端固定相连；伸缩端与辅助夹具相连；

一个伸缩调控组件中的固定端套管与滑动支座固定相连，另一个伸缩调控组件中的固定端套管与固定支座固定相连。

作为本发明的单纤维界面剪切强度测试装置的改进：

所述辅助夹具由两个成镜面对称的上大下小的倒直角梯形组成，两个倒直角梯形的斜边配合形成辅助夹具的夹持口。

作为本发明的单纤维界面剪切强度测试装置的进一步改进：

显示器为显微镜显示器。

作为本发明的单纤维界面剪切强度测试装置的进一步改进：

固定端套管的内壁上设有内螺纹，旋转端的外壁上设有与所述内螺纹相配套的外螺纹；依靠内螺纹和外螺纹的配合，旋转端与固定端套管实现螺纹相连。

作为本发明的单纤维界面剪切强度测试装置的进一步改进：

旋转端上刻度的精度为0.001mm。

作为本发明的单纤维界面剪切强度测试装置的进一步改进：

辅助夹具为金属制成的辅助夹具；

辅助夹具的夹持口设置倒角，从而避免单丝纤维引入时被夹持口的金属边缘切断或者表面磨损产生测试误差；

辅助夹具保证精度，尺寸公差在0.01mm以内。

本发明还同时公开了利用上述装置进行的单纤维界面剪切强度测试法，依次进行以下步骤：

1)、制作试样：

在单丝纤维的下端固定树脂，单丝纤维在树脂中埋入的长度为L；

即，试样制备参照微脱黏试验制作，具体为：先将单丝纤维粘贴在模具上，擦拭模具及单丝纤维表面，用树脂滴至模具中的单丝纤维上，控制树脂浸渍单丝纤维的长度，等待固化即可；单丝纤维在树脂中埋入的长度为L；

2)、通过移动滑动支座，使辅助夹具的夹持口处于夹紧状态，记下旋转端上的初始刻度Ⅰ；

通过旋转旋转端，使辅助夹具的夹持口处于松开状态，将单丝纤维的上端固定在单丝拉伸仪的动夹具上，使单丝纤维的下端自然下垂穿过辅助夹具的夹持口，树脂位于辅助夹具的下方；通过显示器观察并调整单丝纤维的位置，使单丝纤维位于夹持口的中间位置处，且不与辅助夹具发生接触(即，不与辅助夹具相贴附)；

再通过旋转旋转端，使单丝纤维在测试时刚好从夹持口(即夹具缝隙)中通过，再记下旋转端上的测试刻度Ⅱ，初始刻度Ⅰ与测试刻度Ⅱ的差值为单丝纤维的直径D；

说明：使单丝纤维在测试时刚好从夹持口(即夹具缝隙)中通过，即，此状态下，辅助夹具刚好与单丝纤维相接触，但是不对单丝纤维产生垂直于单丝纤维的力；

3)、启动单丝拉伸仪，通过拉伸仪测试记录拔出过程中最大拉伸荷载F及力-位移曲线；

所述最大拉伸荷载F为单丝纤维拔出过程中树脂与单丝纤维脱黏时的荷载；

4)、根据公式计算复合材料的界面剪切强度τ：

τ＝F/πDL；

其中τ为复合材料界面剪切强度，单位为MPa；F为单丝纤维拔出过程中树脂与纤维脱黏时最大荷载(该数据从单丝拉伸仪上能直接获得)，单位为mN；π为圆周率；D为所测试的单丝纤维直径，单位为μm；L为复合材料中单丝纤维埋入树脂中的长度，单位为μm。

作为本发明的单纤维界面剪切强度测试法的改进：

当单丝纤维为碳纤维时，埋置深度为100±10μm。

在本发明中，辅助夹具采用金属制成，从而满足高精度的需求。辅助夹具需要控制夹持口精度，包括夹持口线性及倒角精度，精度保证在0.01mm以内。

在本发明中，碳纤维直径较低，约为7μm，树脂球直径约40μm以上。

本发明所采用的测试仪器的核心部件是单纤维拔出辅助装置。伸缩调控组件类似于千分尺，右端的旋转端刻有标尺，通过旋转可调控伸缩端，从而精确调整夹具水平位置，精度达到0.001mm。

在本发明中，如果取消了单纤维拔出辅助装置，原装置只能测试纤维拉伸强度和模量等指标，无法测试单纤维界面剪切强度。

本发明的单纤维树脂界面剪切强度测试装置及方法具有如下技术优势：

1、具有精度高、操作方便、易拆装的特点，结合微脱黏试验试样易于制作，即，试样制作简便。

2、利用本发明的装置，可以测量直径5μm以上的纤维，适用于不同直径的纤维测试剪切强度，同时测试时可以测量纤维直径及树脂基体直径。

具体如下：使辅助夹具的夹持口处于夹紧状态，记下此状态下左右旋转端对应的刻度Ⅰ，通过旋转旋转端，使单丝纤维在测试时刚好从夹持口(即夹具缝隙)中通过，再记下此状态下左右旋转端对应的刻度Ⅱ，刻度Ⅰ与刻度Ⅱ的差值为单纤维的直径D；树脂基体的直径测试同理。

3、本发明的辅助装置测试精度达0.001mm，可以同时旋转左右旋转端而调节夹具，便于不同直径的纤维测试。

4、本发明的辅助装置可以在测试前调整夹具位置以保证加载方向与纤维轴向一致。即，在测试前调整装置位置及夹具位置，使单丝纤维自由下垂恰好穿过夹具而不贴附夹具，这样可以使得拉伸过程中夹具仅对单丝纤维施加沿纤维方向的剪切力。

5、利用含有辅助装置的本发明的测试装置，能精确测量复合材料的剪切强度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明的测试装置中的单纤维拔出辅助装置的立体结构示意图；

图2为图1中的辅助夹具5实际使用状态时的结构示意图；

图3是本发明的测试装置实际使用状态示意图。

图中：1--单丝纤维(含树脂)，2--显示器，3--伸缩端，4--旋转端，5--辅助夹具，6--固定端套管，7--支座底板，8--滑动支座，9--固定支座，10--单丝拉伸仪，11--定夹具，12--动夹具。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、一种单纤维界面剪切强度测试装置，包括带有定夹具11和动夹具12的单丝拉伸仪10，还包括单纤维拔出辅助装置。

单纤维拔出辅助装置包括支座组件、辅助夹具5、显示器2及伸缩调控组件。支座组件由滑动支座8、固定支座9、支座底板7组成；在支座底板7的两端分别设置滑动支座8和固定支座9，所述滑动支座8与支座底板7滑动相连，固定支座9与支座底板7固定相连。

在辅助夹具5的两侧各设置一个伸缩调控组件，两个伸缩调控组件相对于辅助夹具5成镜面对称。每个伸缩调控组件由依次排列的伸缩端3、固定端套管6、含刻度的旋转端4组成，局部套装在固定端套管6内的旋转端4与固定端套管6螺纹相连，具体为：固定端套管6的内壁上设有内螺纹，旋转端4的外壁上设有与所述内螺纹相配套的外螺纹；依靠内螺纹和外螺纹的配合，从而实现旋转端4与固定端套管6实现螺纹相连。局部套装在固定端套管6内的伸缩端3与旋转端4固定相连；伸缩端3与辅助夹具5固定相连。一个伸缩调控组件中的固定端套管6与滑动支座8固定相连，另一个伸缩调控组件中的固定端套管6与固定支座9固定相连。

所述辅助夹具5由两个成镜面对称的上大下小的倒直角梯形组成，两个倒直角梯形的斜边配合形成辅助夹具5的夹持口。在辅助夹具5上设置显示器2，显示器2为显微镜显示器。显示器2正对夹持口，从而便于观察夹持口内的情况。

辅助夹具5为金属制成的辅助夹具；辅助夹具5的夹持口设置倒角，从而避免单丝纤维1引入时被夹持口的金属边缘切断或者表面磨损产生测试误差。辅助夹具5应保证精度，尺寸公差在0.01mm以内。旋转端4上刻度的精度为0.001mm。

单丝拉伸仪10的支架101与底座102固定相连，在支架101上设有能相对于支架101上下移动的动夹具12，在支架101上还设有与支架101固定相连的定夹具11，动夹具12位于定夹具11的上方。

单纤维拔出辅助装置被置于底座102上，且位于定夹具11的下方。调整动夹具12位置，使其能夹持单丝纤维1上端，从而实现将单丝纤维1固定在动夹具12上，测试时动夹具12将会向上拉伸同时实时测试拉伸力。定夹具11用于固定单丝纤维1，进行纤维拉伸试验。

本发明还同时提供了利用上述装置进行的单纤维界面剪切强度测试法，依次进行以下步骤：

1)、制作试样：

试样制备参照微脱黏试验制作，具体为：先将单丝纤维1粘贴在模具上，擦拭模具及单丝纤维1表面，用树脂滴至模具中的单丝纤维1上，控制树脂浸渍单丝纤维1的长度，等待固化即可；单丝纤维1在树脂中埋入的长度为L；即，单丝纤维1的下端固定有树脂；

对于直径较小的碳纤维单丝而言，埋置深度通常控制在100μm左右；

对于较大直径的玻璃纤维及芳纶纤维单丝，埋置深度可为0.3～1mm左右；

2)、通过移动滑动支座8，使辅助夹具5的夹持口处于夹紧状态，记下旋转端4上的初始刻度Ⅰ；

通过旋转旋转端4，使辅助夹具5的夹持口处于松开状态，将单丝纤维1的上端固定在单丝拉伸仪10的动夹具12上，使单丝纤维1的下端自然下垂穿过辅助夹具5的夹持口，使得纤维上端拉伸时夹持夹具5仅施加沿纤维方向的剪切力，树脂位于辅助夹具5的下方；通过显示器2观察并调整单丝纤维1的位置，使单丝纤维1位于夹持口的中间位置处，且不与辅助夹具5发生接触(即，不与辅助夹具5相贴附)；

再通过旋转旋转端4，使单丝纤维1在测试时刚好从夹持口(即夹具缝隙)中通过，再记下旋转端4上的测试刻度Ⅱ，初始刻度Ⅰ与测试刻度Ⅱ的差值为单丝纤维的直径D；

说明：使单丝纤维1在测试时刚好从夹持口(即夹具缝隙)中通过，即，此状态下，辅助夹具5刚好与单丝纤维1相接触，但是不对单丝纤维1产生垂直于单丝纤维的力；

3)、测试时将固化后的单丝纤维1夹持在夹具12上，穿过夹具5的中心位置，记录单丝纤维埋入树脂中的长度L，运行单丝拉伸仪10，同时记录仪表显示单丝纤维1拔出过程中最大拉伸荷载F及力-位移曲线；

所述最大拉伸荷载F为单丝纤维1拔出过程中树脂与单丝纤维1脱黏时的荷载；

4)、根据公式计算复合材料的界面剪切强度τ：

τ＝F/πDL；

其中τ为复合材料界面剪切强度，单位为MPa；F为单丝纤维1拔出过程中树脂与纤维脱黏时最大荷载，单位为mN；π为圆周率；D为所测试的单丝纤维1的直径，单位为μm；L为复合材料中单丝纤维1埋入树脂中的长度，单位为μm。

实验一、1#单丝纤维的材料为T700碳纤维，D为7μm，树脂为环氧树脂；L为45μm(树脂黏附在单丝纤维1后的直径，即树脂基体直径为45μm)，F为60.335mN。

根据τ＝F/πDL，因此最终所得的复合材料界面剪切强度τ为61Mpa。

实验二、2#单丝纤维的材料为T800碳纤维，D为5μm，树脂为环氧树脂；L为40μm(树脂黏附在单丝纤维1后的直径，即树脂基体直径为40μm)，F为44.588mN。

根据τ＝F/πDL，因此最终所得的复合材料界面剪切强度τ为71Mpa。

实验三、3#单丝纤维的材料为苎麻纤维，D为30μm，树脂为聚丙烯树脂；L为253μm(树脂黏附在单丝纤维1后的直径，即树脂基体直径为253μm)，F为293.1mN。

根据τ＝F/πDL，因此最终所得的复合材料界面剪切强度τ为12.3Mpa。

实验四、4#单丝纤维的材料为玄武岩纤维，D为7μm，树脂为乙烯基树脂；L为43μm(树脂黏附在单丝纤维1后的直径，即树脂基体直径为43μm)，F为60.489mN。

根据τ＝F/πDL，因此最终所得的复合材料界面剪切强度τ为64Mpa。

验证实验：

将实验一～实验四所述的材料按照目前本行业公认的检测精度最高的微脱粘法进行检测，所得结果分别为：61.3Mpa、71.6Mpa、12.1Mpa、64.4Mpa。

对比实验一、按照背景技术中告知的目前现有的单纤维界面剪切强度测试装置，对实验一所述材料进行检测，所得检测数据为：F(单纤维施加拉力的峰值)＝57.2mN；d(纤维直径)＝7μm；L＝埋入纤维的长度46μm，其依据的计算方式为：τ＝F/πdL，因此所得结果为：56.6MPa。

对比实验二、取消实施例1中的显示器2(显微镜显示器)的设置，其余等同于实施例1。以此所得检测装置对实验一所述材料进行检测：

检测所得数据为：D为7μm，树脂基体直径为47μm，F为57.8mN。L同实验一。

因此，τ为55.95Mpa。

该检测装置由于缺少显微镜显示器的原因，因此存在不能精确测试树脂基体直径的缺陷。

对比实验三、取消实施例1中的辅助夹具5的夹持口的倒角的设置，其余等同于实施例1。以此所得检测装置对实验一所述材料进行检测：

检测所得数据为：D为7μm，树脂基体直径为45μm，F为57.8mN。L同实验一。

因此，τ为58.43Mpa。

该检测装置由于辅助夹具5的夹持口没有设置倒角的原因，因此存在单丝纤维引入时表面磨损产生测试误差、甚至被夹持口的金属边缘切断的缺陷。

对比实验四、将实施例1中的金属制成的辅助夹具5改成塑料制成的辅助夹具5，其余等同于实施例1。以此所得检测装置对实验一所述材料进行检测：

检测所得数据为：D为7μm，树脂基体直径为45μm，F为58.1mN。L同实验一。

因此，τ为58.74Mpa。

该检测装置由于辅助夹具5用塑料制成的原因，因此存在夹具在测试过程中易于产生微小变形、导致数据出现偏差的缺陷。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.单纤维界面剪切强度测试装置，包括单丝拉伸仪(10)、定夹具(11)、动夹具(12)，其特征是：该测试装置还包括单纤维拔出辅助装置；

所述单纤维拔出辅助装置包括支座组件、辅助夹具(5)、显示器(2)及伸缩调控组件；

所述支座组件由滑动支座(8)、固定支座(9)和支座底板(7)组成；在支座底板(7)的两端分别设置滑动支座(8)和固定支座(9)，所述滑动支座(8)与支座底板(7)滑动相连，固定支座(9)与支座底板(7)固定相连；

在辅助夹具(5)上设置显示器(2)；

在辅助夹具(5)的两侧各设置一个伸缩调控组件，两个伸缩调控组件相对于辅助夹具(5)成镜面对称；

每个伸缩调控组件由依次排列的伸缩端(3)、固定端套管(6)以及含刻度的旋转端(4)组成，局部套装在固定端套管(6)内的旋转端(4)与固定端套管(6)螺纹相连，局部套装在固定端套管(6)内的伸缩端(3)与旋转端(4)固定相连；伸缩端(3)与辅助夹具(5)相连；

一个伸缩调控组件中的固定端套管(6)与滑动支座(8)固定相连，另一个伸缩调控组件中的固定端套管(6)与固定支座(9)固定相连。

2.根据权利要求1所述的单纤维界面剪切强度测试装置，其特征是：

所述辅助夹具(5)由两个成镜面对称的上大下小的倒直角梯形组成，两个倒直角梯形的斜边配合形成辅助夹具(5)的夹持口。

3.根据权利要求2所述的单纤维界面剪切强度测试装置，其特征是：

显示器(2)为显微镜显示器。

4.根据权利要求1～3任一所述的单纤维界面剪切强度测试装置，其特征是：

固定端套管(6)的内壁上设有内螺纹，旋转端(4)的外壁上设有与所述内螺纹相配套的外螺纹；依靠内螺纹和外螺纹的配合，旋转端(4)与固定端套管(6)实现螺纹相连。

5.根据权利要求1～3任一所述的单纤维界面剪切强度测试装置，其特征是：

旋转端(4)上刻度的精度为0.001mm。

6.根据权利要求1～3任一所述的单纤维界面剪切强度测试装置，其特征是：

辅助夹具(5)为金属制成的辅助夹具；

辅助夹具(5)的夹持口设置倒角，从而避免单丝纤维引入时被夹持口的金属边缘切断或者表面磨损产生测试误差；

辅助夹具(5)保证精度，尺寸公差在0.01mm以内。

7.利用如权利要求1～6任一所述装置进行的单纤维界面剪切强度测试法，其特征是依次进行以下步骤：

1)、制作试样：

在单丝纤维(1)的下端固定树脂，单丝纤维(1)在树脂中埋入的长度为L；

2)、通过移动滑动支座(8)，使辅助夹具(5)的夹持口处于夹紧状态，记下旋转端(4)上的初始刻度Ⅰ；

通过旋转旋转端(4)，使辅助夹具(5)的夹持口处于松开状态，将单丝纤维(1)的上端固定在单丝拉伸仪(10)的动夹具(12)上，使单丝纤维(1)的下端自然下垂穿过辅助夹具(5)的夹持口，树脂位于辅助夹具(5)的下方；通过显示器(2)观察并调整单丝纤维(1)的位置，使单丝纤维(1)位于夹持口的中间位置处，且不与辅助夹具(5)发生接触；

再通过旋转旋转端(4)，使单丝纤维(1)在测试时刚好从夹持口中通过，再记下旋转端(4)上的测试刻度Ⅱ，初始刻度Ⅰ与测试刻度Ⅱ的差值为单丝纤维(1)的直径D；

3)、启动单丝拉伸仪(10)，通过拉伸仪测试记录拔出过程中最大拉伸荷载F及力-位移曲线；

所述最大拉伸荷载F为单丝纤维(1)拔出过程中树脂与单丝纤维(1)脱黏时的荷载；

4)、根据公式计算复合材料的界面剪切强度τ：

τ＝F/πDL；

其中τ为复合材料界面剪切强度，单位为MPa；F为单丝纤维(1)拔出过程中树脂与纤维脱黏时最大荷载，单位为mN；π为圆周率；D为所测试的单丝纤维(1)直径，单位为μm；L为复合材料中单丝纤维(1)埋入树脂中的长度，单位为μm。

8.根据权利要求7所述的单纤维界面剪切强度测试法，其特征是：

当单丝纤维(1)为碳纤维时，埋置深度为100±10μm。