CN106769545A - 碳纤维丝束可展开性测试装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维丝束可展开性测试装置，包括沿碳纤维的行进方向顺次连接的驱动放卷装置、展丝加热装置、3辊驱动装置、图像传感器以及收卷机。本装置利用驱动电机和张力控制系统，实现碳纤维丝束展开过程中张力和运行速度可控；通过调节红外加热器功率和展丝棒位置，实现碳纤维丝束温度和展开宽度可调；利用图像传感器在碳纤维展开过程中采集不同位置处的展开宽度并通过图像处理软件获得碳纤维丝束宽度值，保证了测量结果的准确性，并可以实现碳纤维长度方向展开宽度稳定性的连续测量。

Description

碳纤维丝束可展开性测试装置及测量方法

技术领域

本发明涉及纤维性能测试技术领域，特别涉及一种碳纤维丝束可展开性测试装置及测量方法。

背景技术

碳纤维由于其优异的综合性能，成为现今备受关注的高性能材料。由碳纤维浸渍树脂而制成的复合材料利用了碳纤维材料良好的力学性能，可以达到增强构件承载能力的目的，同时可以减轻构件的重量，提高疲劳性能、耐腐蚀性能、减小能耗等，具有巨大的经济效益。碳纤维丝束由几千～几十万根碳纤维单丝组成。对于碳纤维复合材料来说，纤维丝束越薄，单位面积质量越小，其物理性能偏差越小，同时基体与碳纤维丝的接触面积更大，浸渍质量和界面粘结性能更好，力学性能越优异，可以最大限度地发挥由碳纤维产生的纤维强化作用。因此，要想提高碳纤维复合材料的力学性能，获得宽而薄的碳纤维带并进行充分的浸润是关键。通过展纤工艺将碳纤维丝束展成宽度适中、厚度薄且均匀的丝束带，不仅可以提高树脂对纤维束的浸润性，提高生产效率，而且重排了单丝，在复合材料铺层时减少了铺层角度错位及纤维屈曲等制造缺陷，大大增强了复合材料的力学性能。碳纤维的展丝已成为碳纤维预浸料制备、复合材料缠绕成型等必不可少的工艺环节。

目前，碳纤维丝束展开装置大多针对实际生产过程所设计，如申请号为CN203977026 U和CN 203960467 U的中国专利，虽然展纤效果较好，但装置复杂，操作繁琐，成本相对较高，没有很好的普遍性和适用性。专利CN102002787A、CN102121153A公开了碳纤维的扩丝装置和扩丝方法，目的是扩宽碳纤维丝，使其蓬松度高，有效提高碳纤维丝的浸润性，从而大幅增加复合材料产品的剪切强度和模量。专利CN104153085A公开了一种碳纤维振动展纤装置，通过升降机构改变两进纱加热辊间包角的大小，包角越大，丝展开越大，设加热展纤辊和振动电机，使加热展纤辊上下运动，从而达到良好的纤维展宽目的。目前，对于碳纤维预浸料的实际生产，大多采用多辊机械式原理进行展丝，并通过对碳纤维进行加热调节碳纤维丝束的可展开性。在测量碳纤维展开宽度时，大多数采用目测或利用游标卡尺进行测量，受人为因素影响较大，造成测量结果误差较大，也无法实时、连续测量碳纤维长度方向上丝束可展开性的波动情况。此外，实际应用中发现一些碳纤维产品的可展开性较差，展开宽度不稳定或展开时纤维断丝现象明显，严重影响了后续生产的复合材料的质量和性能稳定性，因此需要对碳纤维可展开性进行定量的测试以评价碳纤维的工艺性能。现有专利主要注重如何使碳纤维展开，而没有关注碳纤维展开的稳定性，展开宽度也往往根据展开装置的设定值或产品中的纤维排布状态判定，属于定性评价。结合实际需求，本发明提出了一种基于热辗法的碳纤维丝束可展开性测量装置及基于图像传感器的展宽测量方法，操作简单，易于实现，不仅与碳纤维预浸料实际生产过程相接近，而且能够实时、连续定量地测定碳纤维丝束展宽。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单、普遍适用的碳纤维丝束可展开性测试装置及测量方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种碳纤维丝束可展开性测试装置及测量方法，其特征在于：包括安装碳纤维的行进方向顺次连接的驱动放卷装置、展丝加热装置、3辊驱动装置、图像传感器以及收卷机。

所述驱动放卷装置采用电机驱动放卷，并设有可独立设定运行张力的张力控制系统。丝束在运行时可自动跟随设定张力，放丝速度与3辊驱动速度自动同步，无论驱动速度快慢变化，均不影响丝束运行张力。

所述展丝加热装置主要包括红外加热装置和三组展丝棒。其中，每组展丝棒由一根方管和圆管组成，丝束从圆管进入方管后被挤压展平。丝束在进入展丝棒前，可通过调节红外加热器的输出功率使丝束达到所需的温度；在展丝过程中，可通过调节展丝棒与丝束的包角和红外加热器的输出功率来调节丝束展开宽度。

所述3辊驱动装置采用轮条传动方式，在整线系统中为丝束运行提供动力并确保丝束进入收丝机前的张力平稳。

所述图像传感器主要是在丝束展开过程中以一定频率采集不同位置处碳纤维丝束展开宽度的图像，并通过图像处理软件获得不同展丝条件下不同位置处碳纤维丝束宽度值。图像传感器的位置和采样速率可根据实际需要进行调整。

所述收丝机用于碳纤维的卷绕，丝束经导纱片引导通过往复螺杆运动缠绕到纱管上，采用导丝轮与卷绕锭轴分离的方式设计，有效减小由于导丝轮夹角与卷绕纱锭切线的夹角造成的张力不平稳，提高卷绕纱锭的质量。

使用如上面所述的测试装置测试碳纤维丝束可展开性的测试步骤如下：

1)将一轴碳纤维纱锭固定在放卷装置的导向轮上，并将碳纤维丝束另一端缠绕到收丝机的卷绕锭轴上。

2)通过放卷装置中的电机驱动和张力控制系统预设放丝速度和运行张力，所述放丝速度调整范围为1-15m/min，所述运行张力调整范围为100-2000g。

3)调节红外加热器的输出功率，使碳纤维丝束在进入展丝棒前达到所需的温度，温度范围为室温到200℃。

4)打开电机驱动使丝束通过导向轮按照预设的放丝速度开卷，随后依次经过张力控制系统、展丝加热装置、3辊驱动装置和图像传感器，最后缠绕到收丝机的卷绕锭轴上。

5)根据图像传感器的采集结果，可以进一步调整放丝速度、运行张力、展丝棒与丝束的包角以及红外加热器的输出功率等参数，使碳纤维丝束的展开宽度接近所需值，并将优化得到的上述工艺参数用于实际的产品生产。

6)展丝过程中，实时、连续测量碳纤维丝束展开宽度，图像传感器通过相机采集实时图像，并存储为数值矩阵，再利用控制器内的处理软件分析矩阵的灰度值，从而确定碳纤维丝束的展开宽度，即为满足灰度值要求的像素块数量与单位像素块尺寸的乘积。

本发明的优点在于：

1)本发明所述的测试装置可用于测试1K-24K及以上丝束规格的碳纤维纱锭的展开性能，操作简单、方便，成本相对较低，具有很好的普遍性和适用性。

2)本发明所述的测试装置采用电机驱动并具有张力控制系统，可实现放丝速度和运行张力可控。

3)本发明所述的测试装置可以通过调节展丝棒与丝束的包角及红外加热器的加热温度来调节碳纤维丝束的展开宽度，以满足不同展宽需求。

4)本发明采用图像传感器和相应的处理软件对丝束展开宽度进行测量，不仅对丝束展开过程无干扰，而且大大提高了测量结果的准确性和测量的连续性。

5)本发明实现了展丝过程中丝束宽度的实时、连续定量测量，可以评价碳纤维展开性能的稳定性。

附图说明

图1为本发明中碳纤维丝束可展开性测试装置的结构示意图。

图中：1-驱动放卷装置、2-导向轮、3-张力控制系统、4-过渡辊、5-展丝加热装置、6-红外加热器、7-展丝棒、8-三辊驱动装置、9-图像传感器、10-收丝机、11-导丝轮、12-往复螺杆、13-卷绕锭轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，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保护范围。此外应理解，在阅读本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样属于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明提供了一种碳纤维丝束可展开性测试装置，其特征在于：包括按照碳纤维的行进方向顺次连接的驱动放卷装置1、展丝加热装置5、3辊驱动装置8、图像传感器9以及收卷机10。

所述驱动放卷装置1采用电机驱动放卷，碳纤维纱线通过导向轮2开卷，经由张力控制系统3，再由过渡辊4向前输送。导向轮2带有电机驱动、传感、变频器，变频器驱动电机控制跟随纱线的牵引速度自动调节纱绽的放卷速度，保持纱线张力平稳；张力控制系统3可独立设定张力，并由三轮传感器检测、输出张力信号，丝束运行时自动跟随设定张力，放丝速度与3辊驱动速度自动同步，无论驱动速度快慢变化，均不影响丝束运行张力。该驱动放卷装置1的放卷原理为旋转纱锭切线放纱，可以避免放卷过程中的加捻；放卷方式为一锭单独运行，如果丝断，张力控制系统3中的摆杆垂下使驱动停止，不产生浪费及妨碍其他锭位正常生产。

所述展丝加热装置5主要包括红外加热器6和三组展丝棒7。其中，每组展丝棒7由一根方管和圆管组成，丝束从圆管进入方管后被挤压展平。丝束在进入展丝棒前，可通过调节红外加热器6的输出功率使丝束达到所需的温度；在展丝过程中，可通过调节展丝棒7与丝束的包角来调节丝束展开宽度。

所述3辊驱动装置8采用轮条传动方式，在整线系统中为丝束运行提供动力并确保丝束进入收丝机前的张力平稳。

所述图像传感器9主要是在丝束展开过程中以一定频率采集不同位置处碳纤维丝束展开宽度的图像。图像传感器9主要包括控制器、相机、镜头、光源控制器、光源、电源和线缆等几大部分。图像传感器9可通过调控光源控制器改变光源，使碳纤维丝束能在控制器显示屏上清晰显示。在展丝过程中，图像传感器9通过相机采集实时图像，并存储为数值矩阵，再利用控制器内的处理软件分析矩阵的灰度值，从而确定碳纤维丝束的展开宽度，即为满足灰度值要求的像素块数量与单位像素块尺寸的乘积。图像传感器9的位置和采样速率可根据实际需要进行调整。

所述收丝机10用于碳纤维的卷绕，丝束经导纱片引导通过往复螺杆12运动缠绕到纱管上，采用导丝轮11与卷绕锭轴13分离的方式设计，有效减小由于导丝轮11夹角与卷绕纱锭切线的夹角造成的张力不平稳，提高卷绕纱锭的质量。该收丝机10采用塑料锭轴设计，通过张紧圈将纱锭内锭紧固，使人手换纱操作简便，节约时间、人力、物力，保护功能完善。

在本发明中，作为一种优选的实施方式，所述驱动放卷装置1中导丝元件的材质为硬质铝合金，所述展丝棒7及3辊驱动装置8中辊筒的材质为普通碳钢，表面均镀硬质化处理，表面光洁，能够有效减少碳纤维丝束运行时产生的损伤。

在本发明中，所述驱动放卷装置1、展丝加热装置5、3辊驱动装置8、图像传感器9和收卷机10分别独立，可以按照实际需要摆放。

本发明还提供了一种使用所述碳纤维丝束可展开性测试装置测量碳纤维丝束展开宽度的方法，包括以下步骤：

1)将碳纤维纱锭固定在驱动放卷装置1中的导向轮2上，并将碳纤维丝束另一端缠绕到收丝机10中的卷绕锭轴13上。

2)通过驱动放卷装置1中的电机驱动和张力控制系统3预设放丝速度和运行张力，所述放丝速度调整范围为1-15m/min，所述运行张力调整范围为100-2000g。

3)调节红外加热器6的输出功率，使碳纤维丝束在进入展丝棒前达到所需的温度，温度范围为室温到200℃。

4)打开电机驱动使丝束通过导向轮2按照预设的放丝速度开卷，随后依次经过张力控制系统3、展丝加热装置5、3辊驱动装置8和图像传感器9，最后缠绕到收丝机10的卷绕锭轴13上。

5)根据图像传感器9的采集结果，可以进一步调整放丝速度、运行张力、展丝棒7与丝束的包角以及红外加热器10的输出功率等参数，使碳纤维丝束的展开宽度接近所需值，并将优化得到的上述工艺参数用于实际的产品生产。

6)展丝过程中，实时、连续测量碳纤维丝束展开宽度。

Claims (10)

1.一种碳纤维丝束可展开性测试装置，其特征在于：包括沿碳纤维的行进方向顺次连接的驱动放卷装置、展丝加热装置、3辊驱动装置、图像传感器以及收卷机。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述驱动放卷装置采用电机驱动放卷，并设有可独立设定运行张力的张力控制系统；丝束在运行时可自动跟随设定张力，放丝速度与3辊驱动速度自动同步，无论驱动速度快慢变化，均不影响丝束运行张力。

3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述展丝加热装置主要包括红外加热装置和三组展丝棒；其中，每组展丝棒由一根方管和圆管组成，丝束从圆管进入方管后被挤压展平；丝束在进入展丝棒前，通过调节红外加热器的输出功率使丝束达到所需的温度；在展丝过程中，通过调节展丝棒与丝束的包角和红外加热器的输出功率来调节丝束展开宽度。

4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述3辊驱动装置采用轮条传动方式。

5.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述图像传感器主要是在丝束展开过程中以一定频率采集不同位置处碳纤维丝束展开宽度的图像，并通过图像处理软件获得不同展丝条件下不同位置处碳纤维丝束宽度值。

6.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述收卷机用于碳纤维的卷绕，丝束经导纱片引导通过往复螺杆运动缠绕到纱管上，采用导丝轮与卷绕锭轴分离的方式设计。

7.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述驱动放卷装置采用电机驱动放卷，碳纤维纱线通过导向轮开卷，经由张力控制系统，再由过渡辊向前输送；导向轮带有电机驱动、传感、变频器，变频器驱动电机控制跟随纱线的牵引速度自动调节纱绽的放卷速度。

8.根据权利要求7所述的测试装置，其特征在于：张力控制系统独立设定张力，并由三轮传感器检测、输出张力信号，丝束运行时自动跟随设定张力，放丝速度与3辊驱动速度自动同步。

9.根据权利要求7所述的测试装置，其特征在于：所述驱动放卷装置为旋转纱锭切线放纱；放卷方式为一锭单独运行，如果丝断，张力控制系统中的摆杆垂下使驱动停止。

10.一种使用权利要求1-9任一项所述的测试装置测量碳纤维丝束展开宽度的方法，包括以下步骤：

1)将碳纤维纱锭固定在驱动放卷装置中的导向轮上，并将碳纤维丝束另一端缠绕到收丝机中的卷绕锭轴上；

2)通过驱动放卷装置中的电机驱动和张力控制系统预设放丝速度和运行张力，所述放丝速度调整范围为1-15m/min，所述运行张力调整范围为100-2000g；

3)调节红外加热器的输出功率，使碳纤维丝束在进入展丝棒前达到所需的温度，温度范围为室温到200℃；

4)打开电机驱动使丝束通过导向轮按照预设的放丝速度开卷，随后依次经过张力控制系统、展丝加热装置、3辊驱动装置和图像传感器，最后缠绕到收卷机的卷绕锭轴上；

5)根据图像传感器的采集结果，可以进一步调整放丝速度、运行张力、展丝棒与丝束的包角以及红外加热器的输出功率，使碳纤维丝束的展开宽度接近所需值，并将优化得到的上述工艺参数用于实际的产品生产；

6)展丝过程中，实时、连续测量碳纤维丝束展开宽度，图像传感器通过相机采集实时图像，并存储为数值矩阵，再利用控制器内的处理软件分析矩阵的灰度值，从而确定碳纤维丝束的展开宽度，即为满足灰度值要求的像素块数量与单位像素块尺寸的乘积。