CN108918263A - 一种纤维束特征强度及Weibull模量测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维束特征强度及Weibull模量测定装置及方法，该装置包括安装夹具、定位加强片、引伸计；其中：所述安装夹具包括上安装夹具和下安装夹具，下安装夹具固定在电子万能试验机的作动筒上，上安装夹具连接于电子万能试验机的移动横梁底部的夹头上，能够随移动横梁上下移动；所述上安装夹具和下安装夹具结构相同且上下轴对称；所述定位加强片为两块，结构相同且上下轴对称，分别安装于上安装夹具和下安装夹具的定位凹槽中，两块定位加强片分别固定在纤维试验件的两端；所述引伸计的两个测量臂的端部与纤维试验件固定。本发明避免了纤维单丝的试样制样过程中对纤维造成的损伤，且测量精度高，测量时间短。

Description

一种纤维束特征强度及Weibull模量测定装置及方法

技术领域

本发明涉及一种纤维束特征强度及Weibull模量测定方法及装置，属于无机非金属纤维测试领域。

背景技术

纤维(包括碳纤维和SiC纤维)增强复合材料以其轻质、高强、耐高温、耐酸碱性等优点广泛应用于航空航天、体育休闲、医疗卫生、土木工程等领域。由于纤维表面存在缺陷，使得纤维的拉伸强度具有很大的分散性，这种分散性导致了复合材料在破坏过程中断裂的纤维对尚未断裂的纤维产生影响，从而影响复合材料的强度和分散性。因此在纤维增强复合材料中，纤维性能对复合材料力学性能具有重要影响。

纤维的断裂伸长率小，属于脆性材料。最弱环理论指出：拉伸断裂出现在最大缺陷处，而最大缺陷出现的概率又与脆性材料的尺寸相关，尺寸越大，出现大缺陷的概率也大，拉伸强度越低。建立在最弱环理论基础上的Weibull试验方程可用下式表示：

式中P——纤维生存概率；F——纤维断裂概率；m——Weibull模数，该参数反映了纤维失效的集中程度，m越大，纤维强度分散性越小，当m→∞时，纤维将在相同应力水平下断裂；σ₀——纤维的特征强度；σ_u——作用力为零时的概率；σ——纤维强度；V——纤维体积。

如果纤维截面形状为圆形，则Weibull试验方程可以改写成：

对于只存在一种缺陷类型的理想单一断裂形态，σ_u＝0，则Weibull试验方程可以改写成：

如果纤维的直径均匀，D为一常数，上式可以改写为：

上式就是通用的双参数一维Weibull方程式。以双参数一维模型为例，对双参数一维Weibull方程的两边取双对数，得到线性方程式如下：

目前测定特征强度和Weibull模量的方法是取N根纤维丝在纤维强力机上进行单丝拉伸，通常要求N在100以上，甚至是200以上，得到纤维断裂概率为其中R是拉伸力σ作用下的单丝断裂根数，再用对lnσ作图，得到一条直线，由斜率和截距分别求出Weibull模量m和特征强度σ₀。这种方法的缺点在于：(1)所需试样数量大，测量时间长；(2)制样的过程中会不可避免地造成纤维损伤，使测量的纤维强度低于无损伤纤维强度。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种纤维束特征强度及Weibull模量测定装置及方法，用纤维束拉伸代替纤维单丝拉伸，避免纤维单丝的试样制样过程中对纤维造成的损伤，且测量精度高，测量时间短。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种纤维束特征强度及Weibull模量测定装置，包括安装夹具、定位加强片、引伸计；其中：

所述安装夹具包括上安装夹具和下安装夹具，下安装夹具固定在电子万能试验机的作动筒上，上安装夹具连接于电子万能试验机的移动横梁底部的夹头上，能够随移动横梁上下移动；所述上安装夹具和下安装夹具结构相同且上下轴对称，上安装夹具上开设有一个定位凹槽，定位凹槽的上边界设有能够转动的卡块，下边界设有两个三角形的定位准星，上安装夹具的下边界还设有纤维通道；

所述定位加强片为两块，结构相同且上下轴对称，定位加强片与定位凹槽相适配，分别安装于上安装夹具和下安装夹具的定位凹槽中，两块定位加强片分别固定在纤维试验件的两端；定位加强片与定位准星接触的边界设有两个与定位准星相适配的三角形的定位缺口；

所述引伸计的两个测量臂的端部与纤维试验件固定。

进一步的，所述引伸计安装在引伸计支架上，引伸计支架包括横梁、立柱，置物台、限位槽以及调节手轮；其中：

所述横梁一端固定在下安装夹具下部，另一端与立柱垂直连接；所述置物台固定在立柱上端，用于放置引伸计；

所述调节手轮与立柱螺纹连接，用于通过旋转调节手轮以控制立柱上下移动。

进一步的，所述立柱与横梁的接触处开设有一个限位槽，横梁上设置有与该限位槽相适配的限位凸起，限位凸起位于限位槽内，用于卡住立柱。

进一步的，所述定位加强片的一个表面上的中间位置开设有贯穿凹槽。

进一步的，所述贯穿凹槽的形状为等腰梯形，两个定位加强片的贯穿凹槽宽度较小的一端相靠近。

进一步的，所述定位加强片的材质为有机玻璃。

进一步的，所述引伸计的两个测量臂的端部包裹有硅胶触片。

一种纤维束特征强度及Weibull模量测定方法，包括以下步骤：

步骤101，制样：取两个定位加强片，使其贯穿凹槽朝上，粘贴在一个L型结构的横梁上，确保两个定位加强片的贯穿凹槽宽度较小的一端相靠近且距离为所用引伸计标距长度+40mm；在贯穿凹槽中涂覆一层胶水，随后把纤维束一端固定，另一端拉直，平整地按压在贯穿凹槽内，并用胶水将其覆盖，填满贯穿凹槽，等待胶水固化，即可制成一个两端与定位加强片粘连，中间纤维束长度为所用引伸计标距长度+40mm的纤维试验件；

步骤102，安装上安装夹具和下安装夹具，并用对中块对中；

步骤103，安装纤维试验件：取步骤101中制取的纤维试验件，将其两端的定位加强片分别放入上安装夹具和下安装夹具的定位凹槽内，用卡块将定位加强片卡住，并将拉力F清零；

步骤104，施加预紧力：在位移控制下，使纤维试验件受到预紧力；

步骤105，安装引伸计：调节好引伸计支架位置，把引伸计放在置物台上，并固定，采用硅胶触片替换引伸计的金属质刀片，并通过卡扣将引伸计与纤维试验件相连，拔出引伸计定位销，最后将应变清零；

步骤106，对纤维试验件加载，直至纤维完全失效。

步骤103中，将其两端的定位加强片分别放入上安装夹具和下安装夹具的定位凹槽内时，粘有纤维的一面朝内。

步骤104中，在位移控制下，按0.01mm/s速率加载，使纤维试验件受到F＝0.01kN的预紧力。

步骤106中，试验机采用位移控制以<0.1mm/min的速率加载，直至纤维完全失效。

有益效果：本发明用纤维束拉伸代替纤维单丝拉伸，避免纤维单丝的试样制样过程中对纤维造成的损伤，且测量精度高，测量时间短。采用本发明中的方法拟合出的纤维概率分布参数可以用于预测纤维束内纤维丝的断裂失效问题。

附图说明

图1是一种纤维束特征强度及威布尔模量测定装置；

图2是图1中A部分的局部示意图；

图3是引伸计结构示意图；

图4是引伸计支架结构示意图；

图5是引伸计支架的正视图；

图6是图5的E-E向剖视图；

图7是纤维试验件示意图；

图8是拟合纤维束拉伸载荷-位移关系与试验值对比；

图中，1-上安装夹具，2-下安装夹具，3-定位加强片，4-引伸计，5-引伸计支架，6-贯穿凹槽，7-卡块，8-定位准星，9-纤维通道，11-横梁，12-立柱，13-置物台，14-限位槽，15-调节手轮，16-硅胶触片，17-纤维试验件，18-电子万能试验机，19-作动筒，20-移动横梁，21-夹头，22-定位凹槽，23-定位缺口，24-限位凸起。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1-2所示，本发明的一种纤维束特征强度及Weibull模量测定装置，包括安装夹具、定位加强片3、引伸计4。

如图2，安装夹具包括上安装夹具1和下安装夹具2，下安装夹具2固定在电子万能试验机18的作动筒19上，固定不动；上安装夹具1连接于电子万能试验机18的移动横梁20底部的夹头21上，能够随移动横梁20上下移动，可调节高度；上安装夹具1和下安装夹具2结构相同且上下轴对称，上安装夹具1上开设有一个定位凹槽22，定位凹槽22的上边界设有能够转动的卡块7，下边界设有两个三角形的定位准星8，上安装夹具1的下边界还设有纤维通道9；同样的，下安装夹具2上开设有一个定位凹槽22，定位凹槽22的下边界设有能够转动的卡块7，上边界设有两个三角形的定位准星8，下安装夹具2的上边界还设有纤维通道9。定位凹槽22的尺寸为30mm×25mm×6mm，纤维通道9的深度为6mm,宽度为10mm。

如图7，定位加强片3为两块，结构相同且上下轴对称，材质为有机玻璃，尺寸为30mm×25mm×6mm，定位加强片3与定位凹槽22相适配，分别安装于上安装夹具1和下安装夹具2的定位凹槽22中，两块定位加强片3分别固定在纤维试验件17的两端；定位加强片3与定位准星8接触的边界设有两个与定位准星8相适配的三角形的定位缺口23。定位加强片3的一个表面上的中间位置开设有贯穿凹槽6，贯穿凹槽6的形状为等腰梯形，两个定位加强片3的贯穿凹槽6宽度较小的一端相靠近；贯穿凹槽6的深度为3mm，宽度要依据测试纤维束的宽度进行调整，比如T300-3K纤维束的宽度为2mm,则凹槽的一端宽度为2mm,另一端的宽度取2+2mm。贯穿凹槽6位于定位加强片3的25mm边的中间位置。

如图2，引伸计4的两个测量臂的端部与纤维试验件17固定。如图3，引伸计4的两个测量臂的端部包裹有硅胶触片16。引伸计4的标距为100mm，50mm，25mm，15mm，10mm。

引伸计4安装在引伸计支架5上，如图4-5，引伸计支架5包括横梁11、立柱12，置物台13、调节手轮15；横梁11一端固定在下安装夹具2下部，另一端与立柱12垂直连接；置物台13固定在立柱12上端，用于放置引伸计4调节手轮15与立柱12螺纹连接，用于通过旋转调节手轮15以控制立柱12上下移动。如图6，立柱12与横梁11的接触处开设有一个限位槽14，横梁11上设置有与该限位槽14相适配的限位凸起24，限位凸起24位于限位槽14内，用于卡住立柱12，避免立柱12在水平方向转动。调节手轮15控制立柱12上下移动时，调节手轮15转动，其相对于立柱12的上下位置发生变化，使得立柱12仅在上下方向移动，由于限位槽14及限位凸起24的存在，立柱12不产生自转。

本发明的纤维束特征强度及Weibull模量测定方法，包括以下步骤：

步骤101，制样：以制取单个试验件为例，取两个定位加强片3，使其贯穿凹槽6朝上，粘贴在一个“L型”结构的横梁上，确保两个定位加强片3的贯穿凹槽6宽度较小的一端相靠近且距离为所用引伸计标距长度+40mm；在贯穿凹槽6中涂覆一层胶水(胶水型号为DP420)，随后把纤维束一端固定，另一端拉直，平整地按压在贯穿凹槽6内，并用胶水将其覆盖，填满贯穿凹槽，等待胶水固化，即可制成一个两端与定位加强片粘连，中间纤维束长度为所用引伸计标距长度+40mm的纤维试验件17；

步骤102，安装上安装夹具1和下安装夹具2，并用对中块对中；

步骤103，安装纤维试验件：取步骤101中制取的纤维试验件17，将其两端的定位加强片3分别放入上安装夹具1和下安装夹具2的定位凹槽22内，用卡块7将定位加强片3卡住，并将拉力F清零；其中，粘有纤维的一面朝内；

步骤104，施加预紧力：位移控制，按0.01mm/s速率缓慢加载，使纤维试验件17受到F＝0.01kN的预紧力；

步骤105，安装引伸计：调节好引伸计支架5位置，把引伸计4放在置物台13上，并用双面胶固定，采用硅胶触片16替换引伸计4的金属质刀片，并通过卡扣将引伸计4与纤维试验件17束相连，拔出引伸计定位销，最后将应变清零；

步骤106：试验机采用位移控制以<0.1mm/min的速率缓慢对纤维试验件17加载，直至纤维完全失效。

本发明的工作原理：

Stawovy等将复合材料中纤维失效的概率定义为：

其中，P_f为纤维的失效概率；σ_fc为纤维的特征强度；L₀为纤维的参考长度；L为纤维的实际长度；m_f为纤维的Weibull模量，该参数反映了纤维失效的集中程度，m_f越大，纤维强度分散性越小，当m_f→∞时，纤维将在相同应力水平下断裂。

由于纤维束制备工艺，对于同一类型纤维束，可认为其纤维总数N₀为定值，对于T300-3K纤维束而言，纤维束内部纤维总数N₀＝3000。同时，认为T300-3K纤维中纤维丝半径为定值，r_f＝3.5×10^-6m。

假设纤维束拉伸过程中，纤维丝服从线弹性本构关系，则将其与上式描述的纤维概率失效模型相结合，可推导出纤维束整体拉伸载荷-位移关系。

纤维束拉伸情况下，纤维丝单丝应力与应变之间关系为：

σ₀＝E_f·ε

其中，ε为纤维束拉伸应变。

取载荷-位移曲线初始线性段试验数据下式数据拟合，获得劲度系数k和初始应变ε₀。

F＝k·ε+ε₀

根据劲度系数可计算得到初始有效纤维数量为：

取L＝L₀，在σ₀载荷下，完好纤维数量为：

综上，纤维束整体拉伸载荷与应变之间关系可写为：

根据上式在MATLAB中利用纤维束拉伸试验获得的载荷-应变试验数据，对方程进行参数拟合，获得T300-3K纤维束的特征强度σ_fc以及纤维Weibull模量m_f两个参数。

MATLAB程序：

根据试验结果拟合参数如表1所示。

表1

从表1中可看出，T300-3K纤维束特征强度σ_fc的平均值为1575MPa，其标准差为103.881MPa；纤维Weibull模量m_f的平均值为4.0566，其标准差为0.911。纤维束整体强度平均值为951.975MPa，标准差为104.224MPa。

图8给出了利用试验数据拟合出特征强度σ_fc以及纤维Weibull模量m_f两个参数后计算出的纤维束拉伸载荷-位移关系与试验值的对比情况，从图中可看出，计算值与试验值符合较好，说明采用本发明中的方法拟合出的纤维概率分布参数可以用于预测纤维束内纤维丝的断裂失效问题。

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 (10)

1.一种纤维束特征强度及Weibull模量测定装置，其特征在于：包括安装夹具、定位加强片(3)、引伸计(4)；其中：

所述安装夹具包括上安装夹具(1)和下安装夹具(2)，下安装夹具(2)固定在电子万能试验机(18)的作动筒(19)上，上安装夹具(1)连接于电子万能试验机(18)的移动横梁(20)底部的夹头(21)上，能够随移动横梁(20)上下移动；所述上安装夹具(1)和下安装夹具(2)结构相同且上下轴对称，上安装夹具(1)上开设有一个定位凹槽(22)，定位凹槽(22)的上边界设有能够转动的卡块(7)，下边界设有两个三角形的定位准星(8)，上安装夹具(1)的下边界还设有纤维通道(9)；

所述定位加强片(3)为两块，结构相同且上下轴对称，定位加强片(3)与定位凹槽(22)相适配，分别安装于上安装夹具(1)和下安装夹具(2)的定位凹槽(22)中，两块定位加强片(3)分别固定在纤维试验件(17)的两端；定位加强片(3)与定位准星(8)接触的边界设有两个与定位准星(8)相适配的三角形的定位缺口(23)；

所述引伸计(4)的两个测量臂的端部与纤维试验件(17)固定。

2.根据权利要求1所述的纤维束特征强度及Weibull模量测定装置，其特征在于：所述引伸计(4)安装在引伸计支架(5)上，引伸计支架(5)包括横梁(11)、立柱(12)，置物台(13)、调节手轮(15)；其中：

所述横梁(11)一端固定在下安装夹具(2)下部，另一端与立柱(12)垂直连接；

所述置物台(13)固定在立柱(12)上端，用于放置引伸计(4)；

所述调节手轮(15)与立柱(12)螺纹连接，用于通过旋转调节手轮(15)以控制立柱(12)上下移动。

3.根据权利要求2所述的纤维束特征强度及Weibull模量测定装置，其特征在于：所述立柱(12)与横梁(11)的接触处开设有一个限位槽(14)，横梁(11)上设置有与该限位槽(14)相适配的限位凸起(24)，限位凸起(24)位于限位槽(14)内，用于卡住立柱(12)。

4.根据权利要求1所述的纤维束特征强度及Weibull模量测定装置，其特征在于：所述定位加强片(3)的一个表面上的中间位置开设有贯穿凹槽(6)；所述贯穿凹槽(6)的形状为等腰梯形，两个定位加强片(3)的贯穿凹槽(6)宽度较小的一端相靠近。

5.根据权利要求1所述的纤维束特征强度及Weibull模量测定装置，其特征在于：所述定位加强片(3)的材质为有机玻璃。

6.根据权利要求1所述的纤维束特征强度及Weibull模量测定装置，其特征在于：所述引伸计(4)的两个测量臂的端部包裹有硅胶触片(16)。

7.一种纤维束特征强度及Weibull模量测定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤101，制样：取两个定位加强片(3)，使其贯穿凹槽(6)朝上，粘贴在一个L型结构的横梁上，确保两个定位加强片(3)的贯穿凹槽(6)宽度较小的一端相靠近且距离为所用引伸计标距长度+40mm；在贯穿凹槽(6)中涂覆一层胶水，随后把纤维束一端固定，另一端拉直，平整地按压在贯穿凹槽(6)内，并用胶水将其覆盖，填满贯穿凹槽，等待胶水固化，即可制成一个两端与定位加强片粘连，中间纤维束长度为所用引伸计标距长度+40mm的纤维试验件(17)；

步骤102，安装上安装夹具(1)和下安装夹具(2)，并用对中块对中；

步骤103，安装纤维试验件：取步骤101中制取的纤维试验件(17)，将其两端的定位加强片(3)分别放入上安装夹具(1)和下安装夹具(2)的定位凹槽(22)内，用卡块(7)将定位加强片(3)卡住，并将拉力F清零；

步骤104，施加预紧力：在位移控制下，使纤维试验件(17)受到预紧力；

步骤105，安装引伸计：调节好引伸计支架(5)位置，把引伸计(4)放在置物台(13)上，并固定，采用硅胶触片(16)替换引伸计(4)的金属质刀片，并通过卡扣将引伸计(4)与纤维试验件(17)相连，拔出引伸计定位销，最后将应变清零；

步骤106，对纤维试验件(17)加载，直至纤维完全失效。

8.根据权利要求7所述的纤维束特征强度及Weibull模量测定方法，其特征在于：步骤103中，将其两端的定位加强片(3)分别放入上安装夹具(1)和下安装夹具(2)的定位凹槽(22)内时，粘有纤维的一面朝内。

9.根据权利要求7所述的纤维束特征强度及Weibull模量测定方法，其特征在于：步骤104中，在位移控制下，按0.01mm/s速率加载，使纤维试验件(17)受到F＝0.01kN的预紧力。

10.根据权利要求7所述的纤维束特征强度及Weibull模量测定方法，其特征在于：步骤106中，试验机采用位移控制以<0.1mm/min的速率加载，直至纤维完全失效。