CN107643219A - 一种三维编织复合材料高温拉伸试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维编织复合材料高温拉伸试验装置及方法，专用试验件和专用夹具，专用试验件包括燕尾形夹持端以及中间圆弧试验段；专用夹具包括试验件夹头、中间垫块、外档块、环形挡圈以及紧固螺栓等。其中专用试验件贴合夹具夹头安装，然后将适当厚度中间垫块与试验件夹持端贴合，再用外挡块将中间垫块压紧，最后通过环形挡圈和螺栓将整体紧固。本发明整体结构简单，易加工，可适用于诸如碳基、陶瓷基以及金属基等多种耐高温复合材料的拉伸试验。
Description
技术领域
本发明涉及了一种三维编织复合材料高温拉伸试验方法，具体的说涉及了一种超高温环境下三维编织碳/碳复合材料拉伸试验方法。
背景技术
碳/碳复合材料是一种力学性能优异的新型高温材料，它强度高，在超高温环境下能保持高强度，并具有良好的烧蚀性能，因而在航空航天、医疗、汽车、船舶等领域得到重要应用。三维编织工艺具有纤维多向取向、整体连续分布的特点，从而使得由三维织物合成的复合材料具备优良的抗冲击损伤性能、力学性能和耐烧蚀性能。它克服了复合材料层合板的层间强度低、受冲击后容易损伤、在机械连接孔和几何形状突变的强度显著下降等诸多弱点，这就使三维编织复合材料作为制作第一承力结构件和高性能制件成为可能，因而这种新的复合材料结构形式备受重视。
三维编织碳/碳复合材料在进行拉伸试验时，多采用板材试验件，由于碳/碳复合材料横向刚度和强度较差，故需要在夹持端贴合加强片，贴合加强片所用胶水的工作温度均在300℃以内，当温度升高后，胶水软化，黏合强度降低，在进行拉伸试验时，极易在夹持端产生“脱胶”现象，且夹持端夹紧力不易控制，在拉伸试验过程中，极易产生夹持端局部破坏或“压溃”现象，造成试验件根部断裂，导致试验失败。
若采用对试验件夹持端打孔，然后筒盖销钉与试验机连接的方法，会造成孔边应力集中，造成夹持端率先发生破坏。
基于以上问题，将试验件夹持端设计成燕尾形，通过专用夹具，使高温拉伸试验形成“试验件—夹具—试验机”系统，成为三维编织碳/碳复合材料高温拉伸试验重要的研究手段。然而，三维编织复合材料的拉伸强度与模量对纤维的完整性要求较高
由于受夹持方案的限制，目前国内外对于高温编织复合材料的力学性能测试方法为将试验件的夹持端加工成燕尾形，通过专用夹具将试验件与试验机相连，这一方法可保证试验件在拉伸过程中，夹持端无滑移和破坏现象，但同时也破坏了材料纤维的完整性，材料的破坏形式由原本的纤维拉伸和剪切破坏为主转变为纤维拔出破坏，造成材料力学性能显著低于材料的真实值。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种三维编织复合材料高温拉伸试验装置及方法，本发明整体结构简单，易加工，可适用于诸如碳基、陶瓷基以及金属基等多种耐高温复合材料的拉伸试验。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种三维编织复合材料高温拉伸试验装置，用于对三维编织复合材料的试验件(1)进行高温拉伸试验，包括两个夹具，分别为上夹具和下夹具，所述夹具包括试验件夹头(2)、中间垫块(3)、外档块(4)、环形挡圈(5)以及紧固螺栓，所述试验件(1)由两端到中间依次为燕尾形夹持段(11)、过渡段(12)以及中间测试段(13)；试验件夹头(2)一端为圆柱段(21)，该圆柱段(21)用于通过试验机的楔形夹块夹持与试验机相连，另一端为夹持端(22)，所述夹持端(22)上开设有燕尾槽(23)，所述燕尾槽(23)的开口侧面位于夹持端(22)的侧面上，燕尾槽(23)的短底边(232)的开口位于夹持端(22)远离圆柱段(21)的一侧，燕尾槽(23)的长底边(231)的底面位于夹持端(22)靠近圆柱段(21)的一侧，所述燕尾槽(23)的侧面底面(233)位于夹持端(22)内；试验时，上夹具用于夹持试验件(1)一端的燕尾形夹持段(11)，而下夹具用于夹持夹持试验件(1)另一端的燕尾形夹持段(11)；所述中间垫块(3)、燕尾形夹持段(11)、外档块(4)由内到外依次设置于燕尾槽(23)内，且所述中间垫块(3)位于燕尾形夹持段(11)与燕尾槽(23)的侧面底面(233)之间；所述环形挡圈(5)设置于夹持端(22)的外表面，通过紧固螺栓收紧环形挡圈(5)，进而将外档块(4)、燕尾形夹持段(11)、中间垫块(3)依次固定在燕尾槽(23)内。
优选的：所述燕尾形夹持段(11)与外档块(4)之间设置有压紧垫片，所述压紧垫片表面经过打磨处理增加试验件与夹具之间的摩擦力。
优选的：燕尾形夹持段(11)、过渡段(12)以及中间测试段(13)之间通过圆角过渡。
优选的：中间测试段(13)长度大于一个单胞长度，即三维编织工艺参数中的花节长度，可通过式(1)～(2)得到，其中h为单胞长度，b1为纤维被挤压后截面的椭圆短轴，γ为内部编织角，Wx为织物宽度，m为编织纱线排数。中间测试段(13)张角大于试验件表面编织角，内部编织角γ和表面编织角θ的关系如式(3)所示：
优选的：所述燕尾槽(23)的侧面底面(233)到开口侧面的深度小于夹持端(22)的厚度，所述燕尾槽(23)的侧面底面(233)到开口侧面的深度大于夹持端(22)一半的厚度。
一种三维编织复合材料高温拉伸试验方法，采用上述的三维编织复合材料高温拉伸试验装置，包括以下步骤：
步骤1，分别将上夹具和下夹具的圆柱段(21)通过试验机的楔形夹块加紧在试验机的上、下作动筒上；
步骤2，根据试验件(1)厚度，在燕尾槽(23)的侧面底面(233)添加相应厚度对中间垫块(3)，保证试验件(1)的两端燕尾形夹持段(11)均在夹持端(22)的中间位置；
步骤3，将试验件(1)放入燕尾槽(23)中，之后放入相应厚度压紧垫片和外档块(4)，此时外档块(4)高于燕尾槽(23)，以保证紧固螺栓能够将外档块(4)与试验件(1)扣紧；
步骤4，将环形挡圈(5)与夹持端(22)通过紧固螺栓锁死；
步骤5，在安装好上、下夹具和试验件(1)之后，将高温炉安装至试验件(1)的中间测试段(13)，进行高温炉升温、保温、试验件机的操作。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明所设计的试验件可有效避免复合材料高温试验中试验件夹持端“脱胶”现象，而所设计的试验件中间测试段可有效避免过多的纤维拔出，使得到的试验数据符合材料的实际力学性能；试验件与专用夹具通过燕尾配合，在试验件拉伸过程中，燕尾形卡槽对试验件提供主要拉伸力，试验件与中间垫块为过盈配合，通过螺栓的紧固为试验件拉伸提供摩擦力，试验件夹持端接触面积增大，降低试验件在拉伸过程中发生“根切”现象，夹具整体结构简单，易加工，可适用于诸如碳/碳、陶瓷基金属基等多种耐高温复合材料的拉伸试验。
附图说明
图1为试验件的结构示意图。
图2为夹头结构示意图。
图3为垫片结构示意图。
图4为外挡块结构示意图。
图5为环形挡圈结构示意图。
图6为本发明夹具的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种三维编织复合材料高温拉伸试验装置，用于对三维编织复合材料的试验件1进行高温拉伸试验，包括一种特定试验件和配套的专用夹具，如图1所示，专用试验件为板材试验件，所述试验件1由两端到中间依次为燕尾形夹持段11、过渡段12以及中间测试段13。燕尾形夹持段11、过渡段12以及中间测试段13之间直接通过圆角过渡。中间测试段13长度略大于一个单胞长度，即三维编织工艺参数中的花节长度，可通过式(1)～(2)得到，其中h为单胞长度，b1为纤维被挤压后截面的椭圆短轴，γ为内部编织角，Wx为织物宽度，m为编织纱线排数。中间测试段13张角大于试验件表面编织角，内部编织角γ和表面编织角θ的关系如式(3)所示：
。
夹持段与专用夹具相连，过渡段根据试验机加热炉的尺寸调整长度，试验段保证试验件破坏位置、破坏方式以及数据的可靠性。夹持段端点导圆角，保证应力夹持段和过渡段之间通过圆弧过渡以降低应力集中，试验段包括圆弧段和直线段，直线段较短，仅包含一个单胞长度，以降低纤维的拔出破坏量，圆弧段则防止破坏位置出现在试验段和过渡段直接，试验段外侧张角大于复合材料表面编织角，保证了内部纤维为连续纤维。
如图2-6所示，包括两个专用夹具，分别为上夹具和下夹具，所述夹具包括试验件夹头2、中间垫块3、外档块4、环形挡圈5以及紧固螺栓，其中专用试验件贴合圆形试验件夹头安装，然后将适当厚度中间垫块与试验件夹持端贴合，再用外挡块将中间垫块压紧，最后通过环形挡圈和螺栓将整体紧固。如图2所示，试验件夹头2一端为圆柱段21，该圆柱段21用于通过试验机的楔形夹块夹持与试验机相连，另一端为夹持端22，所述夹持端22上开设有燕尾槽23，所述燕尾槽23的开口侧面位于夹持端22的侧面上，燕尾槽23的短底边232的开口位于夹持端22远离圆柱段21的一侧，燕尾槽23的长底边231的底面位于夹持端22靠近圆柱段21的一侧，所述燕尾槽23的侧面底面233位于夹持端22内。燕尾槽23的侧面底面233有较高平面度要求，以保证试验件在贴合夹具时能够竖直悬挂。试验件与燕尾槽23之间放置对中间垫块3，通过对中间垫块3厚度对试验件进行前后对中，试验件与外档块4之间放置压紧垫片，压紧垫片表面经过打磨，增加垫片与试验件之间摩擦力，压紧垫片厚度要使得外挡块略高于燕尾槽，以保证螺栓能够将外挡块与试验件扣紧，增加试验件与夹具之间的摩擦力。用如图5所示的环形挡圈5将夹具夹头扣紧，最后通过环形挡圈5上的螺栓将整体锁死。在进行拉伸试验时，夹具夹头的圆柱段通过试验机的楔形夹块夹紧在试验机的上、下作动筒上，试验件通过对中垫片、压紧垫片、外挡块以及幻想挡圈固定在夹头燕尾槽内，夹具通过燕尾槽斜边和垫片传递拉力。因此，试验时，上夹具用于夹持试验件1一端的燕尾形夹持段11，而下夹具用于夹持夹持试验件1另一端的燕尾形夹持段11；所述中间垫块3、燕尾形夹持段11、外档块4由内到外依次设置于燕尾槽23内，且所述中间垫块3位于燕尾形夹持段11与燕尾槽23的侧面底面233之间；所述环形挡圈5设置于夹持端22的外表面，通过紧固螺栓收紧环形挡圈5，进而将外档块4、燕尾形夹持段11、中间垫块3依次固定在燕尾槽23内。所述燕尾槽23的侧面底面233到开口侧面的深度小于夹持端22的厚度，所述燕尾槽23的侧面底面233到开口侧面的深度大于夹持端22一半的厚度。
一种三维编织复合材料高温拉伸试验方法，采用上述的三维编织复合材料高温拉伸试验装置，包括以下步骤：
步骤1，分别将上夹具和下夹具的圆柱段21通过试验机的楔形夹块加紧在试验机的上、下作动筒上；
步骤2，所设计的夹头燕尾槽深大于夹头半径，根据试验件1厚度，在燕尾槽23的侧面底面233添加相应厚度对中间垫块3，保证试验件1的两端燕尾形夹持段11均在夹持端22的中间位置；
步骤3，将试验件1放入燕尾槽23中，之后放入相应厚度压紧垫片和外档块4，此时外档块4高于燕尾槽23，以保证紧固螺栓能够将外档块4与试验件1扣紧；
步骤4，将环形挡圈5与夹持端22通过紧固螺栓锁死；
步骤5，在安装好上、下夹具和试验件1之后，将高温炉安装至试验件1的中间测试段13，进行高温炉升温、保温、试验件机的操作。
经试验表明，本发明中的试验件能够很好的替代为加工的三维编织复合材料试验件，专用夹具可靠性高，所测试的试验件未出现夹持端断裂现象，试验件的断裂位置均在试验段区域，可重复性好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种三维编织复合材料高温拉伸试验装置，用于对三维编织复合材料的试验件(1)进行高温拉伸试验，其特征在于：包括两个夹具，分别为上夹具和下夹具，所述夹具包括试验件夹头(2)、中间垫块(3)、外档块(4)、环形挡圈(5)以及紧固螺栓，所述试验件(1)由两端到中间依次为燕尾形夹持段(11)、过渡段(12)以及中间测试段(13)；试验件夹头(2)一端为圆柱段(21)，该圆柱段(21)用于通过试验机的楔形夹块夹持与试验机相连，另一端为夹持端(22)，所述夹持端(22)上开设有燕尾槽(23)，所述燕尾槽(23)的开口侧面位于夹持端(22)的侧面上，燕尾槽(23)的短底边(232)的开口位于夹持端(22)远离圆柱段(21)的一侧，燕尾槽(23)的长底边(231)的底面位于夹持端(22)靠近圆柱段(21)的一侧，所述燕尾槽(23)的侧面底面(233)位于夹持端(22)内；试验时，上夹具用于夹持试验件(1)一端的燕尾形夹持段(11)，而下夹具用于夹持夹持试验件(1)另一端的燕尾形夹持段(11)；所述中间垫块(3)、燕尾形夹持段(11)、外档块(4)由内到外依次设置于燕尾槽(23)内，且所述中间垫块(3)位于燕尾形夹持段(11)与燕尾槽(23)的侧面底面(233)之间；所述环形挡圈(5)设置于夹持端(22)的外表面，通过紧固螺栓收紧环形挡圈(5)，进而将外档块(4)、燕尾形夹持段(11)、中间垫块(3)依次固定在燕尾槽(23)内。
2.根据权利要求1所述三维编织复合材料高温拉伸试验装置，其特征在于：所述燕尾形夹持段(11)与外档块(4)之间设置有压紧垫片，所述压紧垫片表面经过打磨处理增加试验件与夹具之间的摩擦力。
3.根据权利要求1所述三维编织复合材料高温拉伸试验装置，其特征在于：燕尾形夹持段(11)、过渡段(12)以及中间测试段(13)之间通过圆角过渡。
4.根据权利要求1所述三维编织复合材料高温拉伸试验装置，其特征在于：中间测试段(13)长度大于一个单胞长度，即三维编织工艺参数中的花节长度，可通过式(1)～(2)得到，其中h为单胞长度，b1为纤维被挤压后截面的椭圆短轴，γ为内部编织角，Wx为织物宽度，m为编织纱线排数；单胞长度中间测试段(13)张角大于试验件表面编织角，内部编织角和表面编织角的关系如式(3)所示：
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5.根据权利要求1所述三维编织复合材料高温拉伸试验装置，其特征在于：所述燕尾槽(23)的侧面底面(233)到开口侧面的深度小于夹持端(22)的厚度，所述燕尾槽(23)的侧面底面(233)到开口侧面的深度大于夹持端(22)一半的厚度。
6.一种三维编织复合材料高温拉伸试验方法，采用如权利要求1所示的三维编织复合材料高温拉伸试验装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，分别将上夹具和下夹具的圆柱段(21)通过试验机的楔形夹块加紧在试验机的上、下作动筒上；
步骤2，根据试验件(1)厚度，在燕尾槽(23)的侧面底面(233)添加相应厚度对中间垫块(3)，保证试验件(1)的两端燕尾形夹持段(11)均在夹持端(22)的中间位置；
步骤3，将试验件(1)放入燕尾槽(23)中，之后放入相应厚度压紧垫片和外档块(4)，此时外档块(4)高于燕尾槽(23)，以保证紧固螺栓能够将外档块(4)与试验件(1)扣紧；
步骤4，将环形挡圈(5)与夹持端(22)通过紧固螺栓锁死；
步骤5，在安装好上、下夹具和试验件(1)之后，将高温炉安装至试验件(1)的中间测试段(13)，进行高温炉升温、保温、试验件机的操作。
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