CN108318317A - 一种高通量制备微键脱粘实验试样的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高通量制备微键脱粘实验试样的装置及方法，包括模具、单丝定位叉、单丝定位叉固定装置，所述模具上开设有多个圆孔，模具采用一矩形板在其上加工成一系列圆孔形成；所述单丝定位叉固定装置包括一竖板和两个横板，两个横板固定在竖板的上部和下部，形成C型结构，竖板的中部开设有单丝定位叉固定槽；所述单丝定位叉一端开设与所述圆孔数量相等的单丝定位细缝，另一端插入单丝定位叉固定槽进行固定；所述单丝定位叉固定装置的顶部开设有螺纹孔，用于采用螺栓将单丝定位叉进行紧固。可以减少制备微键脱粘实验试样时间，节约材料与时间，一次可以制备多达50个试样。

Description

一种高通量制备微键脱粘实验试样的装置及方法

技术领域

本发明属于先进高分子基复合材料技术测量领域，特别涉及一种高通量制备微键脱粘实验试样的装置及方法。

背景技术

先进高分子基复合材料已经成为世界主导新型材料,尤其是在汽车、高铁和航空领域。以纤维为增强体材料的先进复合材料，它除了具有先进复合材料的主体性能高的比强度和比模量之外，还具有疲劳强度高、热膨胀系数小、耐腐蚀、结构尺寸稳定、材料性能可设计等一系列优异的性能。对于先进高分子基复合材料其性能主要取决于增强体纤维、树脂基体和纤维与树脂界面性能，其中纤维与树脂之间的界面力最重要。界面力，也称为界面粘合强度，即纤维断裂处通过高分子基基体向纤维传递应力的能力，直接影响到复合材料的强度、韧性和破坏模式等微观、宏观力学行为。因此，如何表征纤维和基体相之间的界面的微观性质，对预测材料宏观机械性能，设计、控制和优化纤维增强复合材料性能提供实验和理论基础。

目前，测量其界面力的方法主要有四种，microbond test,fibre pull-out,three-fibre method and fibre push-out。目前世界测量先进高分子基复合材料界面力的主要方法是microbond test即微键脱粘实验。国内主流测量纤维与树脂界面参数的方法，效率比较低，成本也较高，认为引起的数据误差大，通常是分别是一个模具制备一个单丝试样，一次仅测量一根单丝与树脂之间的界面参数，不能保证所有实验试样是同一规格，不能满足现在国家提倡的大数据、高通量要求。在微键脱粘实验测量其界面力这种方法中，主要缺点是高分子微滴的形状对其测量的准确性产生了很大的影响。因此控制液滴的形状以及在制备试样时保持所有微滴的规格都是相同参数就显得尤为重要。

随着2011年美国材料基因组计划的提出与实施，结合了高通量材料试验和材料数据库的高通量材料集成设计方法，得到了科学界和工业界的高度重视。在先进高分子基复合材料的设计和研发上，利用实验及计算机模拟方法来研究材料的最佳组分、结构和性能的关系，结合云端数据库设计出符合特定要求的新型材料，并通过高通量实验筛选，从而极大地加快先进高分子基复合材料的创新、缩短研发的周期。

因而开发出一种高通量制备微键脱粘实验试样的装置及方法尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的缺陷提供一种高通量制备微键脱粘实验试样的装置及方法。

一种高通量制备微键脱粘实验试样的装置，包括模具、单丝定位叉、单丝定位叉固定装置，所述模具上开设有多个圆孔，模具采用一矩形板在其上加工成一系列圆孔形成；所述单丝定位叉固定装置包括一竖板和两个横板，两个横板固定在竖板的上部和下部，形成C型结构，竖板的中部开设有单丝定位叉固定槽；所述单丝定位叉一端开设与所述圆孔数量相等的单丝定位细缝，另一端插入单丝定位叉固定槽进行固定；所述单丝定位叉固定装置的顶部开设有螺纹孔，用于采用螺栓将单丝定位叉进行紧固，在制备试样时，通过双面胶将模具固定在单丝固定叉上，模具的圆孔的中心与单丝定位细缝底部对齐，然后将单丝穿过圆孔及单丝定位细缝，单丝的两端固定在单丝定位叉固定装置的两个横板外侧，最后向圆孔中加注树脂液滴待其固化，即完成高通量微键脱粘实验试样的制备。

所述的装置，单丝定位叉固定装置顶部开有3个螺纹孔，其顶部横板和底部横板位置有单根纤维定位标记处以及双面胶黏贴处。

所述的装置，单丝定位叉固定槽的长度40cm。

所述的装置，单丝定位细缝数量为50个，用于定位单丝，单丝定位细缝采用激光加工。

所述的装置，模具采用在一个矩形薄铝板上加工50个小圆孔制成，矩形薄铝板的厚度在“100um-200um”之间，小孔的直径在“250um-400um”之间，采用激光加工，小孔的直径优选为300um。

根据任一所述的高通量制备微键脱粘实验试样装置的方法，步骤如下：

第一步，组装各组件，将单丝固定叉装入单丝定位叉固定装置中，然后用螺栓拧紧固定；再将模具用双面胶固定在单丝固定叉上部，圆孔的中心与单丝定位细缝的底部保持齐平；

第二步，在单丝定位叉固定装置上部横板及底部横板的双面胶粘贴处贴上双面胶，将单丝穿过单丝定位细缝及圆孔，将单根纤维丝的两端固定在单根纤维定位标记处；

第三步，向圆孔中依次滴入环氧树脂微滴，固化；固化完成后，用刀片削除模具底部多余的树脂微滴，然后用剪刀剪断单丝得到一定长度的树脂微滴单丝试样，取出模具，完成高通量制备微键脱粘实验试样的制备。

所述的方法，第三步中，在室温下固化15小时，在80℃温度下固化3小时。

所述的方法，第三步中，高通量制备树脂微滴单丝试样的长度一般为25mm。

本发明的有益效果在于：

1、可以减少制备微键脱粘实验试样时间，节约材料与时间，一次可以制备多达50个试样，完成对50根单丝进行界面性能测试，满足高通量测试要求，提高测量效率及测量精度；

2、树脂微滴的形状为圆柱形，可以减少传统微键脱粘实验中微滴于刀具受力时应力分布不均匀现象，保持所制得实验试样为同一规格，有助于减少实验数据波动误差；

3、有助于建立先进高分子复合材料的组分、结构和性能数据库，用于指导先进高分子基复合材料设计，通过高通量实验筛选加快先进高分子基复合材料的创新、缩短研发的周期。

附图说明

图1为本发明高通量制备微键脱粘实验试样的装置示意图；

图2为单丝定位叉固定装置正视图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为高通量制备微键脱粘实验试样的单丝定位叉装置；

图5为高通量制备树脂微滴试样的模具；

图6为制备得到的微键脱粘实验试样示意图；

1单根纤维定位标记处,2双面胶黏贴处，3单丝定位细缝，4模具，5单丝定位叉，6单丝定位叉固定装置，7螺栓，8单丝定位叉固定槽，9单根纤维丝，10螺纹孔，11圆孔，12树脂；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

参考图1，一种高通量制备微键脱粘实验试样的装置，所述装置包括模具4、单丝定位叉5、单丝定位叉固定装置6，所述模具4上开设有多个圆孔11(40-50个以上)，模具4采用一矩形薄铝板在其上加工成一系列圆孔11形成(所述圆孔圆心位于一条平行于薄板边缘的直线上)；所述单丝定位叉固定装置6包括一竖板和两个横板，两个横板固定在竖板的上部和下部，形成C型结构，竖板的中部开设有单丝定位叉固定槽8；所述单丝定位叉5一端开设与所述圆孔数量相等的单丝定位细缝3(单丝定位细缝之间相互平行)，另一端插入单丝定位叉固定槽8进行固定；所述单丝定位叉固定装置6的顶部开设有螺纹孔，用于采用螺栓7将单丝定位叉5进行紧固，在制备试样时，将通过双面胶将模具4固定在单丝固定叉5上，模具4的圆孔11的中心与单丝定位细缝3底部对齐，然后将单丝9穿过圆孔11及单丝定位细缝3，单丝的两端固定在单丝定位叉固定装置6的两个横板外侧，最后向圆孔11中加注树脂液滴待其固化，即完成高通量微键脱粘实验试样的制备。

实施例1

研究碱性环境对碳纤维界面力的影响。用NaOH溶液对碳纤维表面进行处理，以探究在碱性环境中处理的碳纤维与树脂之间的粘着力，需要用微键脱粘实验进行验证，实验需要进行高通量制备微键脱粘实验试样。实验材料：PAN基AKSAca A-42碳纤维，密度为1.78g/cm3，单根丝直径为7um；EPR-L20环氧树脂。选取一定长度的单丝A-42碳纤维40根，其中20根放入NaOH溶液中处理，处理时间为15分钟，将处理后的碳纤维用清水冲洗表面，达到表面PH为7，然后烘干。具体实验步骤如下：

第一步，组装各组件，参考图1、2、3、4、5、6，将单丝固定叉5装入单丝定位叉固定装置6中，然后用螺栓7拧紧固定；再将模具4用双面胶固定在单丝固定叉5上部，圆孔11的中心与单丝定位细缝3的底部保持齐平；

第二步，在单丝定位叉固定装置6上部横板及底部横板的双面胶粘贴处2贴上双面胶，将碱性处理后的20根单丝以及未处理的20根单丝依次穿过单丝定位细缝3及圆孔11，将单根纤维丝9的两端固定在单根纤维定位标记处1；

第三步，向圆孔11中依次滴入环氧树脂微滴，在室温下固化15小时，在80℃温度下固化3小时；固化完成后，用刀片削除模具底部多余的树脂微滴1，然后用剪刀剪断单丝得到长度为25mm的树脂微滴单丝试样(图6)，取出模具4，完成高通量制备微键脱粘实验试样的制备。

实施例2

研究潮湿环境对碳纤维表面界面力的影响。将碳纤维放在水溶液中，以探究再潮湿环境中处理的碳纤维与树脂之间的粘着力，需要用微键脱粘实验进行验证，实验需要进行高通量制备微键脱粘实验试样。实验材料：PAN基AKSAca A-42碳纤维，密度为1.78g/cm3，单根丝直径为7um；EPR-L20环氧树脂。选取一定长度的单丝A-42碳纤维40根，其中20根放入水溶液中处理，处理时间为72小时，然后烘干。具体实验步骤如下：

第一步，组装各组件，参考图1、2、3、4、5、6，将单丝固定叉5装入单丝定位叉固定装置6中，然后用螺栓7拧紧固定；再将模具4用双面胶固定在单丝固定叉5上部，圆孔11的中心与单丝定位细缝3的底部保持齐平；

第二步，在单丝定位叉固定装置6上部横板及底部横板的双面胶粘贴处2贴上双面胶，将碱性处理后的20根单丝以及未处理的20根单丝依次穿过单丝定位细缝3及圆孔11，将单根纤维丝9的两端固定在单根纤维定位标记处1；

第三步，向圆孔11中依次滴入环氧树脂微滴，在室温下固化15小时，在80℃温度下固化3小时；固化完成后，用刀片削除模具底部多余的树脂微滴1，然后用剪刀剪断单丝得到长度为25mm的树脂微滴单丝试样(图6)，取出模具4，完成高通量制备微键脱粘实验试样的制备。

实施例3

研究不同温度对碳纤维表面界面力的影响。将碳纤维放在不同温度下，以探究不同温度处理后的碳纤维与树脂之间的粘着力，需要用微键脱粘实验进行验证，实验需要进行高通量制备微键脱粘实验试样。实验材料：PAN基AKSAca A-42碳纤维，密度为1.78g/cm3，单根丝直径为7um；EPR-L20环氧树脂。选取一定长度的单丝A-42碳纤维40根，分别在100℃，200℃,300℃温度环境下每次放入10根单丝，每种温度下处理时间为3小时，处理完成后取出单丝。具体实验步骤如下：

第一步，组装各组件，参考图1、2、3、4、5、6，将单丝固定叉5装入单丝定位叉固定装置6中，然后用螺栓7拧紧固定；再将模具4用双面胶固定在单丝固定叉5上部，圆孔11的中心与单丝定位细缝3的底部保持齐平；

第二步，在单丝定位叉固定装置6上部横板及底部横板的双面胶粘贴处2贴上双面胶，将碱性处理后的20根单丝以及未处理的20根单丝依次穿过单丝定位细缝3及圆孔11，将单根纤维丝9的两端固定在单根纤维定位标记处1；

第三步，向圆孔11中依次滴入环氧树脂微滴，在室温下固化15小时，在80℃温度下固化3小时；固化完成后，用刀片削除模具底部多余的树脂微滴1，然后用剪刀剪断单丝得到长度为25mm的树脂微滴单丝试样(图6)，取出模具4，完成高通量制备微键脱粘实验试样的制备。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种高通量制备微键脱粘实验试样的装置，其特征在于，包括模具、单丝定位叉、单丝定位叉固定装置，所述模具上开设有多个圆孔，模具采用一矩形板在其上加工成一系列圆孔形成；所述单丝定位叉固定装置包括一竖板和两个横板，两个横板固定在竖板的上部和下部，形成C型结构，竖板的中部开设有单丝定位叉固定槽；所述单丝定位叉一端开设与所述圆孔数量相等的单丝定位细缝，另一端插入单丝定位叉固定槽进行固定；所述单丝定位叉固定装置的顶部开设有螺纹孔，用于采用螺栓将单丝定位叉进行紧固，在制备试样时，通过双面胶将模具固定在单丝固定叉上，模具的圆孔的中心与单丝定位细缝底部对齐，然后将单丝穿过圆孔及单丝定位细缝，单丝的两端固定在单丝定位叉固定装置的两个横板外侧，最后向圆孔中加注树脂液滴待其固化，即完成高通量微键脱粘实验试样的制备。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，单丝定位叉固定装置顶部开有3个螺纹孔，其顶部横板和底部横板位置有单根纤维定位标记处以及双面胶黏贴处。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，单丝定位叉固定槽的长度40cm。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，单丝定位细缝数量为50个，用于定位单丝，单丝定位细缝采用激光加工。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，模具采用在一个矩形薄铝板上加工50个小圆孔制成，矩形薄铝板的厚度在“100um-200um”之间，小孔的直径在“250um-400um”之间，采用激光加工，小孔的直径优选为300um。

6.根据权利要求1-5任一所述的高通量制备微键脱粘实验试样装置的方法，其特征在于，步骤如下：

第一步，组装各组件，将单丝固定叉装入单丝定位叉固定装置中，然后用螺栓拧紧固定；再将模具用双面胶固定在单丝固定叉上部，圆孔的中心与单丝定位细缝的底部保持齐平；

第二步，在单丝定位叉固定装置上部横板及底部横板的双面胶粘贴处贴上双面胶，将单丝穿过单丝定位细缝及圆孔，将单根纤维丝的两端固定在单根纤维定位标记处；

第三步，向圆孔中依次滴入环氧树脂微滴，固化；固化完成后，用刀片削除模具底部多余的树脂微滴，然后用剪刀剪断单丝得到一定长度的树脂微滴单丝试样，取出模具，完成高通量制备微键脱粘实验试样的制备。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，第三步中，在室温下固化15小时，在80℃温度下固化3小时。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，第三步中，高通量制备树脂微滴单丝试样的长度一般为25mm。