CN109443925A - 一种纤维单丝拉伸弹性模量的测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维单丝拉伸弹性模量的测试装置，其在上拉伸部上设置有载荷传感器和上狭缝，在下拉伸部上设置有下狭缝，试样衬的两端能够分别能够可拆卸且自由地夹持到上狭缝与下狭缝内并用销钉固定；在上拉伸部和下拉伸部上分别设置有水平基准面和对该水平基准面进行测量的分光干涉式激光位移计。该测试装置，能够提高纤维单丝拉伸弹性模量的测定准确性，以得到对纤维单丝的拉伸性能的有效评价。

Description

一种纤维单丝拉伸弹性模量的测试装置

技术领域

本发明涉及纤维单丝拉伸性能测试领域，具体是一种能够快速且准确地对纤维单丝的拉伸弹性模量进行检测的测试装置。

背景技术

碳纤维、玄武岩纤维等高性能纤维具有高强度、高模量、耐化学介质性等优点，广泛应用于海洋工程、轨道交通、舰船车辆、航空航天等领域。作为复合材料的重要增强材料，其性能指标对于复合材料的设计、制作和应用极为关键，例如强度和弹性模量是进行复合材料结构设计的重要参数。纤维单丝拉伸性能测试以单根纤维作为测试对象，测定纤维单丝拉伸强度、拉伸弹性模量，能够深入、系统地对纤维拉伸强度及其离散度进行表征，测试结果对于研究高性能纤维及其复合材料的力学性能具有重要意义。

碳纤维、玄武岩纤维单丝直径在7～9μm左右，这些直径只有几微米的纤维由于模量较高，在测试过程产生的变形量极小，试验机加载系统和夹持系统引起的微小变形均会对拉伸弹性模量的测试产生影响，所以如何准确测定纤维拉伸过程中的实际变形量成为准确表征纤维单丝拉伸弹性模量的最重要一点。在现有的测量系统中，虽然对单根纤维变形测量进行了修正，但由于试验机加载及夹持装置等不可避免的影响，系统柔量较难准确控制，其测定过程也较为繁琐。以至于纤维单丝拉伸弹性模量测试数据不准确、结果不稳定，对纤维生产单位、用户以及检测机构都造成使用不便。

发明内容

本申请的目的在于克服上述缺陷，提供一种新的测试装置，以至少提高纤维单丝拉伸弹性模量的测定准确性，以得到对纤维单丝的拉伸性能的有效评价，具体的技术方案为：

一种纤维单丝拉伸弹性模量的测试装置，其包括上拉伸部、下拉伸部、试样衬和销钉；该上拉伸部包括上底座、安装在上底座的下侧的载荷传感器以及安装在载荷传感器的下侧的上夹具；在上夹具上沿竖直方向开设有上狭缝，该上狭缝向下贯穿上夹具的下端面；

该下拉伸部包括下底座和安装在下底座上的下夹具，在下夹具上沿竖直方向开设有下狭缝，该下狭缝向上贯穿下夹具的上端面；该下狭缝与上狭缝上下相对，沿竖直方向观察，上狭缝与下狭缝至少部分重叠；

该试样衬包括本体，本体的相对的两端分别形成为一夹持端，在每一夹持端均设置有一定位孔，该试样衬的两夹持端分别能够可拆卸且自由地夹持到上狭缝与下狭缝内；销钉可拆卸地安装在上拉伸部和下拉伸部上、并插入到定位孔内，将试样衬的两端分别固定在上拉伸部与下拉伸部上；

在上拉伸部或下拉伸部两者之一上设有一水平基准面，在上拉伸部或下拉伸部两者之另一上固定安装有一分光干涉式激光位移计，该分光干涉式激光位移计能够对该水平基准面的距离进行测量。

在该测试装置工作时，首先将待检测的纤维单丝粘结在试样衬上，然后将试样衬夹持在上狭缝和下狭缝中，完成待检测纤维单丝的固定，然后在保证纤维单丝完整性的情况下将试样衬剪断，然后使上拉伸部向上移动，对纤维单丝进行拉伸，载荷传感器和分光干涉式激光位移计对相应的数据进行检测并输出，利用该数据即可完成对纤维单丝的拉伸弹性模量的检测。

在该测试装置中，设置了试样衬，利用试样衬将待检测的纤维单丝固定在上下拉伸部之间，避免了直接对纤维单丝进行固定时，易于对纤维单丝的表面造成一定的损伤，导致检测数据的误差较大的问题。利用具有高精度检测能力的分光干涉式激光位移计，在拉伸过程中直接对拉伸距离进行一次检测，替代现有技术中试验机横梁位移测量的方法。在目前采用试验机测量横梁位移的方法中，由于其测量精度较低仅为0.02mm，且需要进行不同标距下试样衬的纤维单丝拉伸试验，以进行系统柔量测定来校准位移数据，现有方法操作繁琐、耗时耗力，已无法满足纤维单丝拉伸测试的发展现状及趋势。

该测试装置利用分光干涉式激光位移计的高精度检测，并结合试样衬，能够对纤维单丝的微小变形准确地测量。利用该测试装置，不但保证了纤维单丝能够无损地夹持到测试装置上，而且还克服了纤维单丝柔软性的缺陷，利用现有的高精度的检测仪器，完成了对纤维单丝拉伸强度及模量的快速、精准检测。

进一步，在上夹具上设置有一上销孔，所述上狭缝将该上销孔沿径向切割为两部分；在下夹具上设置有一下销孔，所述下狭缝将该下销孔沿径向切割为两部分；当试样衬的两夹持端夹持在上狭缝与下狭缝内时，一定位孔与上销孔相通，另一定位孔与下销孔相通。设置专门的销孔，可以便于试样衬的安装与拆除，安装试样衬时，在将试样衬插到上狭缝与下狭缝内后，即可将销钉插入到销孔内，并使销钉穿过试样衬的定位孔，从而将试样衬装设到测试装置上。

更进一步，为便于简化加工，以及方便操作，所述上销孔贯穿上夹具的相对的两侧；下销孔贯穿下夹具的相对的两侧。采用该设计后，在将销钉插入到定位孔和销孔时，可以通过销孔的另一侧观察试样衬的插入情况，以使试样衬上的定位孔能够与上下销孔分别相对，避免销钉在插入定位孔和销孔的时候，对试样衬造成损伤，进而影响检查结果。

优选地，上狭缝的宽度为0.4-0.6mm；下狭缝的宽度为0.4-0.6mm；试样衬的厚度为0.08-0.12mm。试样衬厚度尽可能薄，是为了尽可能的减少试样衬厚度引起纤维单丝在拉伸过程中与试验机载荷传感器中轴线偏轴的影响。

优选地，所述试样衬采用硬质纸卡、金属片或塑料片制作而成。上述材料均可较为简单方便地制作成试样衬，并顺利地完成检查。

进一步，在试样衬的本体上设置有一拉伸孔，该拉伸孔贯穿本体，该拉伸孔位于两个定位孔之间。纤维单丝的两端是采用胶粘剂粘结在试样衬上，在涂抹胶粘剂时，往往无法精确达到设定的涂抹点，涂抹点的偏移，造成两个涂抹点之间的纤维单丝的长度偏离预设值，影响检测数据的准确性，设置拉伸孔，在涂抹胶粘剂时，至少不会在拉伸孔的区域内造成胶粘剂的误涂抹，有利于提高对两个涂抹点之间的精确度。

更进一步，该拉伸孔具有两条相对设置的侧边，该两条侧边平行设置，两个定位孔的中心点的连线垂直于该两条侧边；在竖直方向上，H1＝H2，所述H1为分光干涉式激光位移计的测量头与水平基准面之间的初始设定距离，H2为试样衬上的上述两条相对设置的侧边之间的距离，且H2等于纤维单丝的拉伸段的初始设定长度。

上述设计，更有利对纤维单丝进行精准的测量，由于将H2设为等于纤维单丝的拉伸段的初始设定长度，因此在将纤维单丝粘结到试样衬上时，仅需要将胶粘剂涂抹到拉伸孔的相应的边缘，然后将待检测的纤维单丝按要求粘结到试样衬上后，即可顺利地完成纤维单丝的初始设定长度的确定，有利于准确、快速开展测试。

将H1＝H2后，分光干涉式激光位移计所检测的数据可以直接作为纤维单丝的拉伸数据，无需修正或仅需要少量修正。在提高检测精度的同时还可以大幅度地缩短检测时间。

进一步，为更加方便和快速地处理检测数据，本测试装置还包括控制系统，该控制系统包括中央处理器和输出单元，输出单元与中央处理器电连接，载荷传感器具有信号输出端，该信号输出端与中央处理器电连接，载荷传感器能够将所检测到的载荷数据传输到中央处理器；中央处理器还与分光干涉式激光位移计电连接，该分光干涉式激光位移计将所检测到的位移数据发送到中央处理器；中央处理器对载荷数据和位移数据进行处理，并将处理结果输出到输出单元。

采用上述的检测装置进行检测时，具体的步骤为：

(1)将待检测的纤维单丝的两端用胶粘剂粘结在试样衬上，并使纤维单丝跨越所述拉伸孔；

(2)调整上拉伸部的高度，使分光干涉式激光位移计的测量头与水平基准面之间的距离等于拉伸孔的两条平行侧边之间的距离；

将粘结有纤维单丝的试样衬夹持在上狭缝和下狭缝内，使纤维单丝沿竖直方向延伸，用销钉将试样衬固定；沿纤维单丝与试样衬之间的两个粘结点之间将试样衬剪断，保持纤维单丝的完整；

(3)将上拉伸部向上移动，分光干涉式激光位移计对水平基准面的距离进行测量，获得位移数据，载荷传感器获得载荷数据；

(4)对获得的位移数据和载荷数据进行处理。

在粘结纤维单丝时，沿纤维单丝的延伸方向，粘结剂涂覆到拉伸孔的边缘；对试样衬进行剪断时，剪断点为本体的位于拉伸孔水平方向的两侧的部分。

在该检测方法中，作为试样的待检测的纤维单丝采用胶粘剂直接粘结在试样衬上，利用试样衬上的拉伸孔作为参考来对纤维单丝的检测区域进行设定。并利用试样衬将纤维单丝顺利地夹持在上狭缝与下狭缝内，在完成对纤维单丝的稳定夹持的同时，还避免了对纤维单丝可能的误伤，保证了检测数据的准确性。

在检测过程中，通过对分光干涉式激光位移计对水平基准面的距离检测，就可获得纤维单丝的拉伸数据，结合载荷数据，完成对拉伸弹性模量的检测。

该检测方法利用分光干涉式激光位移计的高精度检测，并结合试样衬，可将纤维单丝的微小变形均能准确地测量。利用本方法，不但保证了纤维单丝能够无损地夹持到测试装置上，而且还克服了纤维单丝柔软性的缺陷，利用现有的高精度的检测仪器，完成了对纤维单丝的精准检测。

附图说明：

图1是本发明的一种实施例的结构简图。

图2是图1左视图。

图3是试样衬的结构简图。

具体实施方式：

实施例1：

参阅图1-图3，一种纤维单丝拉伸弹性模量的测试装置，其包括上拉伸部10、下拉伸部20、试样衬30和销钉40；该上拉伸部包括上底座11、安装在上底座11的下侧的载荷传感器12以及安装在载荷传感器12的下侧的上夹具13；在上夹具13上沿竖直方向开设有上狭缝131，该上狭缝向下贯穿上夹具的下端面。

该下拉伸部20包括下底座21和安装在下底座21上的下夹具23，在下夹具23上沿竖直方向开设有下狭缝231，该下狭缝231向上贯穿下夹具23的上端面；该下狭缝231与上狭缝131上下相对，沿竖直方向观察，上狭缝与下狭缝至少部分重叠；优选地，沿竖直方向观察，上狭缝与下狭缝两者之中，其中一个完全覆盖另一个；更进一步优选，沿竖直方向观察，上狭缝与下狭缝两者完全重叠，即上狭缝与下狭缝两者朝向相同的侧面共面。在本实施例，沿竖直方向观察，上狭缝与下狭缝两者完全重叠，即上狭缝与下狭缝的宽度相同，且上下完全相对。

该试样衬30包括本体31，本体31的相对的两端分别形成为一夹持端，在每一夹持端均设置有一定位孔，该试样衬的两夹持端分别能够可拆卸且自由地夹持到上狭缝与下狭缝内。为方便描述，将其中一个夹持端称为第一夹持端32，将该第一夹持端32上的定位孔称为第一定位孔33，另一夹持端称为第二夹持端34，该第二夹持端34上的定位孔称为第二定位孔35。本实施例中的两个定位孔均为圆孔。

销钉可拆卸地安装在上拉伸部和下拉伸部上、并插入到定位孔内，将试样衬的两端分别固定在上拉伸部与下拉伸部上。

具体在本实施例中，在上夹具13上设置有一上销孔15，上狭缝131将该上销孔15沿径向切割为两部分，径向为上销孔的径向。上销孔15贯穿上夹具13的相对的两侧，形成一通孔，可以理解在其它实施例中，上销孔还可以仅连通上狭缝即可，或上销孔穿过上狭缝一侧后继续向前延伸并在上狭缝的另一侧的内壁上形成一凹槽，该凹槽可用于容纳销钉的端部。

在下夹具23上设置有一下销孔25，下狭缝231将该下销孔25沿径向切割为两部分，径向为下销孔的径向。下销孔25贯穿下夹具23的相对的两侧，形成一通孔，可以理解在其它实施例中，下销孔还可以仅连通下狭缝即可，或下销孔穿过下狭缝一侧后继续向前延伸并在下狭缝的另一侧的内壁上形成一凹槽，该凹槽可用于容纳销钉的端部。

当试样衬的两夹持端活动地夹持在上狭缝与下狭缝内时，一定位孔与上销孔相通，另一定位孔与下销孔相通。例如，可将第一夹持端32夹持在上狭缝131内，使第一定位孔33与上销孔15相通；将第二夹持端34夹持在下下狭缝231内，使第二定位孔35与下销孔25相通。当然也可将第一夹持端夹持在下狭缝内，使第一定位孔与下销孔相通；将第二夹持端夹持在上狭缝内，使第二定位孔与上销孔相通。

在上夹具13的一侧设置有凸台16，在该凸台16的朝向下方的一侧设置有一水平基准面161，该水平基准面161与上夹具13的下端面132共面。

在下夹具23的一侧设置有一安装架26，在该安装架上安装有一分光干涉式激光位移计51，该分光干涉式激光位移计51的测量头511与下夹具23的上端面232共面。水平基准面161与分光干涉式激光位移计51分别安装在上夹具与下夹具的朝向相同的一侧。

该分光干涉式激光位移计51能够对该水平基准面161的距离进行测量，该距离即为水平基准面161与分光干涉式激光位移计51的测量头511之间的距离，该距离同时还为上夹具的下端面与下夹具的上端面之间的距离。

可以理解，在其它实施例中，水平基准面可以设置在下夹具上，分光干涉式激光位移计可以设置在上夹具上。

在本实施例中，上狭缝的宽度S1为0.5mm，下狭缝的宽度S2为0.5mm。可以理解在其它实施例中，上狭缝的宽度为0.3mm，下狭缝的宽度为0.6mm。或者，上狭缝的宽度为0.5mm，下狭缝的宽度为0.4mm。当然，上狭缝与下狭缝的宽度均可以在0.4-0.6mm之间任意选择。

在本实施例中，试样衬的厚度为0.1mm。可以理解，在其它实施例中，试样衬的厚度还可以为0.08mm、0.09mm、0.11mm或0.12mm，当然也可以为0.08-0.12mm之间的任意数据。

本实施例中，材料硬质纸卡制作试样衬，在其它实施例中，还可以采用金属片或塑料片来制作试样衬，例如不锈钢片、铜片、铝片等金属片，或聚氯乙烯塑料片、聚苯乙烯塑料片、聚酯片等塑料片。

在本实施例中，在试样衬30的本体31上设置有一拉伸孔39，该拉伸孔39呈沿矩形，该拉伸孔39贯穿本体31，该拉伸孔31位于第一定位孔33和第二定位孔35之间。请参阅图3，当该试样衬竖直设置时，该拉伸孔39的上侧边391与下侧边392相平行，且上侧边391和下侧边392均与第一定位孔33和第二定位孔35两者的中心点之间的连线相垂直。

在竖直方向上，H1＝H2，H1为分光干涉式激光位移计的测量头与水平基准面之间的初始设定距离，H2为拉伸孔的上侧边391与下侧边392之间的距离，且H2等于纤维单丝的拉伸段的初始设定长度。

在本实施例中还设置了控制控制，该控制系统包括中央处理器60和输出单元61，输出单元61与中央处理器60电连接，载荷传感器12具有信号输出端121，该信号输出端121与中央处理器60电连接，载荷传感器12能够将所检测到的载荷数据传输到中央处理器60；中央处理器60还与分光干涉式激光位移计51的数据输出接口512电连接，该分光干涉式激光位移计51将所检测到的位移数据发送到中央处理器；

中央处理器61对载荷数据和位移数据进行处理，并将处理结果输出到输出单元61。本实施例中的中央处理器为计算机的中央处理器，输出单元为显示器。也可以采用现在比较成熟的PLC单片机或其它微处理器来作为中央处理器，输出单元还可以为打印机、投影仪或其它输出设备。

以下就纤维单丝拉伸弹性模量的检测方法进行说明，该检测方法采用上述的测试装置，该检测方法包括如下步骤：

(1)请参阅图3，将待检测的纤维单丝100的两端用胶粘剂粘结在试样衬30上，并使纤维单丝100跨越拉伸孔39。

(2)将粘结有纤维单丝的试样衬30夹持在上狭缝131和下狭缝231内，使纤维单丝100沿竖直方向延伸，用销钉将试样衬固定；沿纤维单丝与试样衬之间的两个粘结点之间将试样衬剪断，保持纤维单丝的完整。在

(3)将上拉伸部10向上移动，分光干涉式激光位移计51对水平基准面161的距离进行测量，获得位移数据，载荷传感器12获得载荷数据；图2中标记200所指的箭头表示上拉伸部10与下拉伸部20的相对移动方向。

(4)对获得的位移数据和载荷数据利用计算机进行处理。

为减少测量步骤，并提高检测的精确度，在本实施例中，在竖直方向上，粘结剂涂覆到拉伸孔39的边缘；对试样衬进行剪断时，剪断点为本体的位于拉伸孔水平方向的两侧的部分，在图3中，标记36表示试样衬30的剪断处。

图3中，标记37、38分别表示粘结剂的涂覆区域，该两个涂覆区域分别延伸到拉伸孔的上侧边391的边缘以及下侧边392的边缘。纤维单丝的两端分别延伸经过一涂覆区域。即沿纤维单丝的延伸方向，粘结剂涂覆到拉伸孔的边缘。

Claims (8)

1.一种纤维单丝拉伸弹性模量的测试装置，其特征在于，包括上拉伸部、下拉伸部、试样衬和销钉；该上拉伸部包括上底座、安装在上底座的下侧的载荷传感器以及安装在载荷传感器的下侧的上夹具；在上夹具上沿竖直方向开设有上狭缝，该上狭缝向下贯穿上夹具的下端面；

该下拉伸部包括下底座和安装在下底座上的下夹具，在下夹具上沿竖直方向开设有下狭缝，该下狭缝向上贯穿下夹具的上端面；该下狭缝与上狭缝上下相对，沿竖直方向观察，上狭缝与下狭缝至少部分重叠；

该试样衬包括本体，本体的相对的两端分别形成为一夹持端，在每一夹持端均设置有一定位孔，该试样衬的两夹持端分别能够可拆卸且自由地夹持到上狭缝与下狭缝内；销钉可拆卸地安装在上拉伸部和下拉伸部上、并插入到定位孔内，将试样衬的两端分别固定在上拉伸部与下拉伸部上；

在上拉伸部或下拉伸部两者之一上设有一水平基准面，在上拉伸部或下拉伸部两者之另一上固定安装有一分光干涉式激光位移计，该分光干涉式激光位移计能够对该水平基准面的距离进行测量。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，

在上夹具上设置有一上销孔，所述上狭缝将该上销孔沿径向切割为两部分；

在下夹具上设置有一下销孔，所述下狭缝将该下销孔沿径向切割为两部分；

当试样衬的两夹持端夹持在上狭缝与下狭缝内时，一定位孔与上销孔相通，另一定位孔与下销孔相通。

3.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于，

所述上销孔贯穿上夹具的相对的两侧；下销孔贯穿下夹具的相对的两侧。

4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，上狭缝的宽度为0.4-0.6mm；下狭缝的宽度为0.4-0.6mm；试样衬的厚度为0.08-0.12mm。

5.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，

所述试样衬采用硬质纸卡、金属片或塑料片制作而成。

6.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，

在试样衬的本体上设置有一拉伸孔，该拉伸孔贯穿本体，该拉伸孔位于两个定位孔之间。

7.根据权利要求6所述的测试装置，其特征在于，该拉伸孔具有两条相对设置的侧边，该两条侧边平行设置，两个定位孔的中心点的连线垂直于该两条侧边；

在竖直方向上，H1＝H2，所述H1为分光干涉式激光位移计的测量头与水平基准面之间的初始设定距离，H2为拉伸孔的上述两条相对设置的侧边之间的距离，且H2等于纤维单丝的拉伸段的初始设定长度。

8.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，

还包括控制系统，该控制系统包括中央处理器和输出单元，输出单元与中央处理器电连接，载荷传感器具有信号输出端，该信号输出端与中央处理器电连接，载荷传感器能够将所检测到的载荷数据传输到中央处理器；中央处理器还与分光干涉式激光位移计电连接，该分光干涉式激光位移计将所检测到的位移数据发送到中央处理器；

中央处理器对载荷数据和位移数据进行处理，并将处理结果输出到输出单元。