CN109827839A - 陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试装置，包括：试验机夹头，上圆棒，力传感器，U型夹块，销钉，加强片，带基体纤维束，下圆棒和引伸计；所述试验机夹头数量为两个，分别夹持上圆棒和下圆棒；所述上圆棒通过力传感器与U型夹块相连，下圆棒直接与U型夹块相连；所述U型夹块数量为两个，与加强片之间采用销钉连接；所述加强片数量为两个，分别连接带基体纤维束两端；所述力传感器和引伸计通过数据线与数据采集系统连接。应用所述装置的测试方法包括制备带基体纤维束，将其固定安装在测试装置上，试验机进行拉升试验，通过力传感器和引伸计测量得到带基体纤维束的弹性模量和强度等力学性能。

Description

陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于复合材料力学测试领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试装置及测试方法。

背景技术

陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite:以下简称CMCs) 具有耐高温、高比强度、高比模量、对缺口不敏感以及材料性能可设计性强等优点，是下一代航空发动机高温部件的理想材料。CMCs在承载时，内部纱线是其主要承力元件，因此纱线的力学性能对CMCs的力学性能有着重要影响。此外，在细观力学方法中，国内外学者往往将 CMCs 视为纱线增强复合材料，用纱线的力学行为来预测CMCs的力学行为。由此可见，获取CMCs内部纱线的力学性能对评价和预测CMCs力学性能有着重要意义。

对于树脂基和金属基复合材料，目前普遍的做法是通过酸性或碱性溶液溶解其基体，提取出内部纱线，进而测量纱线的力学性能（Huang W, Nie X, Xia Y. Anexperimental study on the in situ strength of SiC fibre in unidirectionalSiC/Al composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,2003, 34(12): 1161-1166.）。然而对于CMCs，其陶瓷基体具有耐腐蚀性，难以通过溶解基体的方式来提取内部纱线。

在CMCs中，纱线并不是单纯的纤维束，在纱线内部也有基体，因此纱线其实是一种带基体纤维束，即纱线也是一种单向CMCs。对于CMCs内部纱线力学性能的获取，目前普遍的方法是，采用单向CMCs力学模型来预测纱线的力学行为（孔春元, 孙志刚, 高希光, 等.2.5维C/SiC复合材料经向拉伸性能. 复合材料学报, 2012,(02): 192-198.）。然而，这只是对纱线力学性能的理论计算而不是试验测量。目前还没有可靠的方法实现对CMCs内部纱线力学性能的测量，也未见公开的发明专利。

当前，如何测量CMCs内部纱线的力学性能是本技术领域重要而难以解决的技术问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试装置及测试方法，陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试装置包括试验机夹头，试验机夹头有两个，分别夹持上圆棒和下圆棒，上圆棒与上U型夹块底部相连，上销钉同时穿过上U型夹块的两个侧臂以及上加强片，将上加强片悬挂在上U型夹块的开口处，上加强片固定连接带基体纤维束的一端，下圆棒与下U型夹块底部相连，下销钉同时穿过下U型夹块的两个侧臂以及下加强片，将下加强片悬挂在下U型夹块的开口处，下加强片固定连接带基体纤维束的另一端，上、下加强片在上、下销钉上的悬挂位置可进行左右调节，使带基体纤维束处于自由竖直状态，带基体纤维束上连接有用于测量带基体纤维束长度变量的引伸计，引伸计连接数据采集系统。

进一步的，上圆棒与上U型夹块之间还设置有力传感器，力传感器连接数据采集系统。

进一步的，上圆棒与力传感器连接的一端有螺纹孔，力传感器上下两端设置有与之相配的外螺纹，上、下U型夹块底部设置有与之相配的螺纹孔，下圆棒与下U型夹块连接的一端有外螺纹，上圆棒与力传感器、上U型夹块；下U型夹块与下圆棒均用螺纹连接。

进一步的，上、下加强片靠近上、下U型夹块的开口方向一端设置有凹槽，带基体纤维束通过环氧树脂固定粘贴在凹槽内，上、下加强片另一端设置有销钉可通过的销孔。

进一步的，引伸计采用橡皮筋固定在带基体纤维束上，引伸计与力传感器均用数据线连接数据采集系统。

本发明还提供了陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试方法，包括以下步骤，

步骤1：制备带基体纤维束；

步骤2：带基体纤维束两端分别粘贴在上、下加强片的凹槽内；

步骤3：将上、下圆棒分别夹持在两个试验机夹头上，上圆棒依次连接力传感器和上U型夹块，下圆棒与下U型夹块连接；

步骤4：用上销钉连接上U型夹块和上加强片，用下销钉连接下U型夹块和下加强片，上、下加强片在上、下销钉的悬挂位置均可左右调节；

步骤5：启动试验机，对带基体纤维束施加初始预紧力；

步骤6：用橡皮筋将引伸计安装在带基体纤维束上；

步骤7：开始拉升试验，试验机逐渐增大对带基体纤维束的拉伸载荷，同时用力传感器测量带基体纤维束承受的载荷F，用引伸计测量带基体纤维束标距段伸长量ΔL；

步骤8：载荷F除以带基体纤维束截面积A得到带基体纤维束应力σ，标距段伸长量ΔL除以标距段长度L得到带基体纤维束应变ε，从而得到带基体纤维束应力-应变曲线；带基体纤维束的应力-应变响应与陶瓷基复合材料内部纱线的应力-应变响应相同，由应力-应变曲线可得到带基体纤维束的弹性模量和强度。

进一步的，步骤1中带基体纤维束与陶瓷基复合材料同炉制备，具体制备过程为：将纤维束与陶瓷基复合材料预制体一同放入高温炉中沉积界面层和基体，纤维束沉积界面层和基体后即成为带基体纤维束，与陶瓷基复合材料同炉制备，即在制备工艺上完全等效，制备得到的带基体纤维束与陶瓷基复合材料内部纱线的性能相同。

进一步的，步骤2中先将环氧树脂滴入上、下加强片的凹槽中，再将带基体纤维束两端放入上、下加强片的凹槽中，待环氧树脂凝固，带基体纤维束即与上、下加强片粘结固定。

进一步的，步骤8中，由应力-应变曲线可得到纱线的弹性模量和强度的具体方法是：应力-应变曲线初始线性段的斜率即是纱线弹性模量，应力-应变曲线中的最大应力值即是纱线强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明提供的一种陶瓷基复合材料内部纱线力学性能的测试装置，可以有效避免试验机夹头不对中造成的带基体纤维束受横向剪力提前断裂。现实中，试验机上下夹头往往存在不对中的现象，而带基体纤维束断裂载荷小，夹头不对中往往会造成带基体纤维束提前破坏。本发明采用销钉连接带基体纤维束加强片和U型夹块，这种连接方式对试验机上下夹头的对中性要求不高，上、下加强片在上、下销钉上的悬挂位置可进行左右调节，可以在带基体纤维束固定好后，对带基体纤维束的姿势进行调整，使其处于自由竖直状态，有效避免试验机夹头不对中造成的带基体纤维束提前断裂。

（2）本发明提供的一种陶瓷基复合材料内部纱线力学性能的测试装置，其中力传感器拆卸方便，可以根据带基体纤维束强度更换量程合适的力传感器，从而提高载荷测量的精度。

（3）本发明提供的一种陶瓷基复合材料内部纱线力学性能的测试装置，该装置适用性强，可以安装在各类电拉伸和液压伺服试验机上。

（4）本发明提供的一种陶瓷基复合材料内部纱线力学性能的测试方法，可以测量陶瓷基复合材料内部纱线的力学性能。本发明中，纤维束与陶瓷基复合材料预制体被一同放入高温炉中沉积界面层和基体。纤维束沉积界面层和基体后即成为带基体纤维束，陶瓷基复合材料预制体沉积界面层和基体后即成为陶瓷基复合材料。由于与陶瓷基复合材料同炉制备，工艺上完全等效，制备得到的带基体纤维束与陶瓷基复合材料内部纱线性能相同。

附图说明

图1：本发明纱线力学性能测试装置的示意图；

图2：本发明加强片的示意图；

图3：本发明粘贴带基体纤维束和加强片的示意图；

图4：本发明力传感器的示意图；

图5：本发明上圆棒的示意图；

图6：本发明下圆棒的示意图；

图7：本发明U型夹块的示意图；

其中，各标号表示的零部件为：1-试验机夹头，2-上圆棒，3-力传感器，4-上U型夹块，5-上销钉，6-上加强片，7-带基体纤维束，8-下圆棒，9-引伸计，10-下加强片，11-下销钉，12-下U型夹块。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试装置及测试方法进行详细说明。

如图1所示，陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试装置，包括：包括试验机夹头1，试验机夹头1有两个，分别夹持上圆棒2和下圆棒8，上圆棒2与上U型夹块4底部相连，上销钉5同时穿过上U型夹块4的两个侧臂以及上加强片6，将上加强片6悬挂在上U型夹块4的开口处，上加强片6固定连接带基体纤维束7的一端，下圆棒8与下U型夹块12底部相连，下销钉11同时穿过下U型夹块12的两个侧臂以及下加强片10，将下加强片10悬挂在下U型夹块12的开口处，下加强片10固定连接带基体纤维束7的另一端，上、下加强片6、10在上、下销钉5、11上的悬挂位置可进行左右调节，使带基体纤维束7处于自由竖直状态，带基体纤维束7上连接有用于测量带基体纤维束7长度变量的引伸计9，引伸计9连接数据采集系统。

进一步的，上圆棒2与上U型夹块4之间还设置有力传感器3，力传感器3连接数据采集系统。

如图2-3所示，上、下加强片6、10靠近上、下U型夹块4、12的开口方向一端设置有凹槽，带基体纤维束7通过环氧树脂固定粘贴在凹槽内，上、下加强片6、10另一端设置有销钉可通过的销孔。

如图4-7所示，上圆棒2与力传感器3连接的一端有螺纹孔，力传感器3上下两端设置有与之相配的外螺纹，上、下U型夹块4、12底部设置有与之相配的螺纹孔，下圆棒8与下U型夹块12连接的一端有外螺纹，上圆棒2与力传感器3、上U型夹块4；下U型夹块12与下圆棒8均用螺纹连接。

陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试方法，包括以下步骤：

步骤1、将一段纤维束拉直，与陶瓷基复合材料预制体一同放入炉中沉积界面层和基体。经过沉积后，陶瓷基复合材料预制体成为陶瓷基复合材料，纤维束成为带基体纤维束7。由于与陶瓷基复合材料同炉制得，带基体纤维束7性能显然与陶瓷基复合材料内部纱线的性能相同。

步骤2、将带基体纤维束7两端剪去，形成长度合适的试件。

步骤3、在上、下加强片6、10凹槽内滴入环氧树脂，然后将带基体纤维束7两端分别放入上、下加强片6、10凹槽内，待环氧树脂凝固后带基体纤维束7便被牢固粘在上、下加强片6、10凹槽内，如图3所示。

步骤4、将上圆棒2和下圆棒8夹紧在两个试验机夹头1上，分别安装上力传感器3和上、下U型夹块4、12。

步骤5、操作试验机，调整试验机夹头1的位置，使上、下U型夹块4、12之间的距离合适。然后用上、下销钉5、11将带基体纤维束7和上、下加强片6、10分别连接在上、下U型夹块4、12上。

步骤6、操作试验机，对带基体纤维束7施加预紧力，使装置1-8、10-12各部分位置固定。用橡皮筋将引伸计9绑在带基体纤维束7上。

步骤7、操作试验机，逐渐增加对带基体纤维束7的拉伸载荷，同时用力传感器3和引伸计9测量带基体纤维束受到的载荷F和带基体纤维束标距段伸长量标距段伸长量ΔL。

步骤8、数据处理，载荷F除以带基体纤维束截面积A得到带基体纤维束应力σ，标距段伸长量ΔL除以标距段长度L得到带基体纤维束应变ε，从而得到带基体纤维束应力-应变曲线，由于带基体纤维束的力学性能与CMCs内部纱线的力学性能相同，即得到CMCs内部纱线的应力-应变响应。应力-应变曲线初始线性段的斜率即是纱线弹性模量，应力-应变曲线中应力最大值即是纱线的强度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试装置，包括试验机夹头(1)，所述的试验机夹头(1)有两个，分别夹持上圆棒(2)和下圆棒(8)，其特征是：所述的上圆棒(2)与上U型夹块(4)底部相连，上销钉(5)同时穿过上U型夹块(4)的两个侧臂以及上加强片(6)，将上加强片(6)悬挂在上U型夹块(4)的开口处，所述的上加强片(6)固定连接带基体纤维束(7)的一端，所述的下圆棒(8)与下U型夹块(12)底部相连，下销钉(11)同时穿过下U型夹块(12)的两个侧臂以及下加强片(10)，将下加强片(10)悬挂在下U型夹块(12)的开口处，所述的下加强片(10)固定连接带基体纤维束(7)的另一端，所述的上、下加强片(6、10)在上、下销钉(5、11)上的悬挂位置可进行左右调节，使带基体纤维束(7)处于自由竖直状态，所述的带基体纤维束(7)上连接有用于测量带基体纤维束(7)长度变量的引伸计(9)，所述的引伸计(9)连接数据采集系统。

2.如权利要求1所述的陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试装置，其特征是：所述的上圆棒(2)与上U型夹块(4)之间还设置有力传感器(3)，所述的力传感器(3)连接数据采集系统。

3.如权利要求2所述的陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试装置，其特征是：所述的上圆棒(2)与力传感器(3)连接的一端有螺纹孔，所述的力传感器(3)上下两端设置有与之相配的外螺纹，所述的上、下U型夹块(4、12)底部设置有与之相配的螺纹孔，所述的下圆棒(8)与下U型夹块(12)连接的一端有外螺纹，所述的上圆棒(2)与力传感器(3)、上U型夹块(4)；下U型夹块(12)与下圆棒(8)均用螺纹连接。

4.如权利要求3所述的陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试装置，其特征是：所述的上、下加强片(6、10)靠近上、下U型夹块(4、12)的开口方向一端设置有凹槽，带基体纤维束(7)通过环氧树脂固定粘贴在凹槽内，所述的上、下加强片(6、10)另一端设置有销钉可通过的销孔。

5.如权利要求4所述的陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试装置，其特征是：所述的引伸计(9)采用橡皮筋固定在带基体纤维束(7)上，所述的引伸计(9)与力传感器(3)均用数据线连接数据采集系统。

6.如权利要求2-5所述的陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试装置的测试方法，其特征是：包括以下步骤，

步骤1：制备带基体纤维束(7)；

步骤2：带基体纤维束(7)两端分别粘贴在上、下加强片(6、10)的凹槽内；

步骤3：将上、下圆棒(2、8)分别夹持在两个试验机夹头(1)上，上圆棒(2)依次连接力传感器(3)和上U型夹块(4)，下圆棒(8)与下U型夹块(12)连接；

步骤4：用上销钉(5)连接上U型夹块(4)和上加强片(6)，用下销钉(11)连接下U型夹块(12)和下加强片(10)，上、下加强片(6、10)在上、下销钉(5、11)的悬挂位置均可左右调节；

步骤5：启动试验机，对带基体纤维束(7)施加初始预紧力；

步骤6：用橡皮筋将引伸计(9)安装在带基体纤维束(7)上；

步骤7：开始拉升试验，试验机逐渐增大对带基体纤维束(7)的拉伸载荷，同时用力传感器(3)测量带基体纤维束(7)承受的载荷F，用引伸计(9)测量带基体纤维束(7)标距段伸长量ΔL；

步骤8：载荷F除以带基体纤维束(7)截面积A得到带基体纤维束(7)应力σ，标距段伸长量ΔL除以标距段长度L得到带基体纤维束(7)应变ε，从而得到带基体纤维束(7)应力-应变曲线；带基体纤维束(7)的应力-应变响应与陶瓷基复合材料内部纱线的应力-应变响应相同，由应力-应变曲线可得到带基体纤维束(7)的弹性模量和强度。

7.如权利要求6所述的陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试方法，其特征是：所述的步骤1中带基体纤维束(7)与陶瓷基复合材料同炉制备，具体制备过程为：将纤维束与陶瓷基复合材料预制体一同放入高温炉中沉积界面层和基体，纤维束沉积界面层和基体后即成为带基体纤维束(7)，与陶瓷基复合材料同炉制备，即在制备工艺上完全等效，制备得到的带基体纤维束(7)与陶瓷基复合材料内部纱线的性能相同。

8.如权利要求6所述的陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试方法，其特征是：所述的步骤2中先将环氧树脂滴入上、下加强片(6、10)的凹槽中，再将带基体纤维束(7)两端放入上、下加强片(6、10)的凹槽中，待环氧树脂凝固，带基体纤维束(7)即与上、下加强片(6、10)粘结固定。

9.如权利要求6所述的陶瓷基复合材料内部纱线力学性能测试方法，其特征是：所述的步骤8中，由应力-应变曲线可得到纱线的弹性模量和强度的具体方法是：应力-应变曲线初始线性段的斜率即是纱线弹性模量，应力-应变曲线中的最大应力值即是纱线强度。