CN109883947B - 一种金属基复合材料界面法向粘接强度测试装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属基复合材料界面法向粘接强度测试装置与方法，该装置包括测试试样、装夹装置、扫描电子显微镜、拉伸机构；所述测试试样包括纤维、上基体、下基体，纤维位于上基体和下基体之间，且纤维与上基体、下基体接触处为界面；所述装夹装置用于装夹测试试样，装夹装置包括相向设置的上固定夹套和下固定夹套；所述扫描电子显微镜其位于装夹装置一侧，并对着上固定夹套和下固定夹套之间的孔隙，用于观察测试试样；所述拉伸机构包括与上固定夹套连接的吊环，与下固定夹套连接的固定部件，吊环与纳米拉伸测试系统的吊钩连接，用于对测试试样进行拉伸。本发明适用于测量连续纤维增强金属基复合材料界面法向粘接强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属基复合材料界面法向粘接强度测试方法，属于连续纤维增强金属基复合材料测试技术领域。
背景技术
金属基复合材料(Metal Matrix Composites，简称MMCs)作为航空发动机压气机部件的重要候选材料，目前已得到业内的广泛关注。MMCs是以金属或者金属间化合物为基准的基础上增加增强相所构成的复合材料。按增强体可以划分为连续纤维增强金属基复合材料(Continuous Fiber Reinforced Metal Matrix Composites，简称CFRMMCs)和非连续纤维增强金属基复合材料(颗粒、短纤维、晶须增强金属基复合材料)。目前，在航空发动机上应用最多的为CFRMMCs。CFRMMCs作为一种新型复合材料，不仅综合了金属材料良好的韧性、高强度和陶瓷纤维的耐高温性、高硬度等优良性能，而且弥补了金属材料硬度低、比重大的缺点及陶瓷纤维脆性大的不足，已逐渐成为航空涡扇发动机高性能中温部件的重要候选材料。
复合材料由纤维、基体及界面组成，界面是指复合材料的基体与增强纤维之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷等传递作用的微小区域。界面的结构与性能对复合材料整体的性能影响很大。而金属基复合材料的界面粘结强度是决定该材料力学性能的重要指标，从很大程度上说，界面粘结性能的好坏可以决定整个构件的使用寿命。
现有技术中，公开号为CN 106950176 A的专利申请公开了“一种测试架空输电线路覆冰与导线截面法向结合强度的装置和方法”，提出了一种测试覆冰与圆柱表面的导线界面法向结合强度的装置与方法，但是其只能测量较大尺寸界面的粘结强度；公开号为CN105842159 A的专利申请公开了“多角度界面粘接强度测试装置及其测试方法”，能够表征与考核固体火箭发动机界面在不同角度地粘结强度，但是无法测量微纳米级的纤维与基体界面法向粘结强度；公开号为CN 102494997 A的专利申请公开了“一种颗粒金属基的复合材料界面结合强度的检测方法”，提出一种制备复合材料试样并对颗粒进行剥离的方法，但是仅仅局限于对颗粒增强金属基复合材料界面结合强度的测试。
因此，有必要提出一种适用于测量连续纤维增强金属基复合材料界面法向粘接强度的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属基复合材料界面法向粘接强度测试装置与方法，以适用于测量连续纤维增强金属基复合材料界面法向粘接强度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种金属基复合材料界面法向粘接强度测试装置，包括测试试样、装夹装置、扫描电子显微镜、拉伸机构；其中：
所述测试试样包括纤维、上基体、下基体，纤维位于上基体和下基体之间，且纤维与上基体、下基体接触处为界面；
所述装夹装置用于装夹测试试样，装夹装置包括相向设置的上固定夹套和下固定夹套，上固定夹套内设置有一对上垫片，下固定夹套内设置有一对下垫片，上固定夹套和下固定夹套中均设置有锁紧装置，用于将测试试样紧固在上固定夹套和下固定夹套内；上固定夹套和下固定夹套之间有孔隙，测试试样的纤维及界面位于该孔隙中；
所述扫描电子显微镜其位于装夹装置一侧，并对着上固定夹套和下固定夹套之间的孔隙，用于观察测试试样；
所述拉伸机构包括与上固定夹套连接的吊环，与下固定夹套连接的固定部件，吊环与纳米拉伸测试系统的吊钩连接，用于对测试试样进行拉伸。
所述测试试样的上基体为底角为30°的倒梯形体，下基体为长方体；上基体固定在一对上垫片之间，下基体固定在一对上垫片之间。
所述测试试样由含有纤维的金属基复合材料切割而成。
所述锁紧装置包括螺栓和螺母，螺栓分别穿过上固定夹套和上垫片，以及下固定夹套和下垫片，并通过螺母紧固。
所述上固定夹套和下固定夹套之间设置有圆柱状的支撑柱。
所述吊环连接有连接杆，连接杆通过螺纹与上固定夹套的顶部连接。
一种金属基复合材料界面法向粘接强度测试方法，包括以下步骤：
(1)通过机械切割方法将含有纤维的金属基复合材料切割，得到测试试样；
(2)用下垫片夹紧测试试样的下基体下方，通过锁紧装置锁紧，并将下固定夹套固定在纳米拉伸测试系统的平台上；
(3)用上垫片夹紧测试试样的上基体尚方，通过锁紧装置锁紧，最后将上固定夹套上方的吊环与纳米拉伸测试系统的吊钩连接；
(4)打开扫描电子显微镜，通过纳米拉伸测试系统逐级加载，每次加载后，用显微镜观察，并记录力与位移数据，直至界面处出现裂纹；
(5)记录出现裂纹时的拉力与位移，绘制力与位移曲线，求出法向粘接强度。
所述步骤(5)中，将基体与纤维粘结界面看作近似平面，忽略切向应力，由此可得力-强度公式为p＝σrl，其中，σ为法向粘结强度，r为纤维圆半径，l为上基体与纤维接触面的宽度，p为拉力；由加载过程的应力分布和力-强度公式求出法向粘接强度。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明提出一种适用于连续纤维增强金属基复合材料界面法向粘接强度的测试方法，弥补了现有技术的不足，为该材料的强度评估和寿命分析提供了理论依据。
(2)本发明采用测试装置结构简单，易于安装、拆卸，试验操作难度小，同时试验测试成本低，采用的理论较为基础，后期计算方便；
(3)本发明适应性范围广，该方法不仅适用于金属基复合材料的界面法向粘结强度的测试，而且也适用于各类纤维类复合材料的界面法向粘结强度的测试。
附图说明
图1为金属基复合材料试件；
图2为装夹装置的正视图；
图3为装夹装置及拉伸机构的立体结构示意图；
图4为本发明的金属基复合材料界面法向粘接强度测试装置的立体结构示意图；
图5为装夹装置及拉伸机构的爆炸图；
图中：
1-测试试样，11-纤维，12-上基体，13-界面，14-下基体；
2-装夹装置，21-上固定夹套，22-下固定夹套，23-上垫片，24-下垫片，25-锁紧装置，251-螺栓，252-螺母，26-支撑柱，通孔-27；
3-扫描电子显微镜；
4-拉伸机构，41-吊环，42-固定部件，43-连接杆，44-吊钩。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的一种金属基复合材料界面法向粘接强度测试装置，包括测试试样1、装夹装置、扫描电子显微镜、拉伸机构；其中：
如图1所示，测试试样1由含有纤维的金属基复合材料切割而成，包括纤维11、上基体12、下基体14，纤维11位于上基体12和下基体14之间，且纤维11与上基体12、下基体14接触处为界面13；测试试样1的上基体12为底角为30°的倒梯形体，下基体14为长方体；上基体12固定在一对上垫片23之间，下基体14固定在一对下垫片24之间；这种形状的测试试样能够使复合材料成对称体，使纤维上界面均受到法向拉伸；上基体切割成底角为30℃倒梯形体，使纤维的上界面拉伸面积小于下界面的面积，从而上基体比下基体先脱离纤维；
如图2-5所示，装夹装置2用于装夹测试试样1，装夹装置2包括相向设置的上固定夹套21和下固定夹套22，上固定夹套21内设置有一对上垫片23，下固定夹套22内设置有一对下垫片24，上固定夹套21和下固定夹套22中均设置有锁紧装置25，其中，上固定夹套21和上垫片23、下固定夹套22和下垫片24中均设置有对应的通孔27，锁紧装置25包括螺栓251和螺母252，螺栓251分别穿过上固定夹套21和上垫片23的通孔27，以及下固定夹套22和下垫片24的通孔，并通过螺母252紧固，将测试试样1紧固在上固定夹套21和下固定夹套22内；上固定夹套21和下固定夹套22之间有孔隙，测试试样1的纤维11及界面13位于该孔隙中；上固定夹套21和下固定夹套22之间设置有圆柱状的支撑柱26，使测试试样1不受装夹装置的挤压；
如图4所示，扫描电子显微镜3其位于装夹装置2一侧，并对着上固定夹套21和下固定夹套22之间的孔隙，用于观察测试试样1；
如图3-5所示，拉伸机构4包括与上固定夹套21连接的吊环41，与下固定夹套22连接的固定部件42，吊环41连接有连接杆43，连接杆43通过螺纹与上固定夹套21的顶部连接，固定部件42固定于固定夹套22底部；实验时，将固定部件42固定在纳米拉伸测试系统的平台，吊环41与纳米拉伸测试系统的吊钩44连接，通过纳米拉伸测试系统用于对测试试样1进行拉伸。
采用金属基复合材料界面法向粘接强度测试方法，包括以下实验步骤：
步骤一，通过机械切割方法将含有纤维的金属基复合材料切割，得到如图1所示的测试试样，使复合材料成对称体，使纤维上界面均受到法向拉伸；
步骤二，用下垫片夹紧下基体下方，将螺栓通过下固定夹套和下固定垫片的通孔，并用螺母锁紧，并将下固定夹套固定在纳米拉伸测试系统的平台上；
步骤三，用一组上垫片固定住上基体的上方，并用螺栓通过上固定夹套和上垫片的通孔，用螺母锁紧，最后将上固定夹套上方的吊环与纳米拉伸测试系统的吊钩连接；
步骤四，打开扫描电子显微镜，通过纳米拉伸测试系统逐级加载，每次加载后，用显微镜观察，并记录力与位移数据，直至界面处出现裂纹；
步骤五，记录出现裂纹时的拉力与位移，绘制力与位移曲线，由加载过程的应力分布和力-强度公式求出法向粘接强度。
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 (2)
1.一种金属基复合材料界面法向粘接强度测试装置，其特征在于：包括测试试样（1）、装夹装置（2）、扫描电子显微镜（3）、拉伸机构（4）；其中：
所述测试试样（1）包括纤维（11）、上基体（12）、下基体（14），纤维（11）位于上基体（12）和下基体（14）之间，且纤维（11）与上基体（12）、下基体（14）接触处为界面（13）；
所述装夹装置（2）用于装夹测试试样（1），装夹装置（2）包括相向设置的上固定夹套（21）和下固定夹套（22），上固定夹套（21）内设置有一对上垫片（23），下固定夹套（22）内设置有一对下垫片（24），上固定夹套（21）和下固定夹套（22）中均设置有锁紧装置（25），用于将测试试样（1）紧固在上固定夹套（21）和下固定夹套（22）内；上固定夹套（21）和下固定夹套（22）之间有孔隙，测试试样（1）的纤维（11）及界面（13）位于该孔隙中；
所述扫描电子显微镜（3）其位于装夹装置（2）一侧，并对着上固定夹套（21）和下固定夹套（22）之间的孔隙，用于观察测试试样（1）；
所述拉伸机构（4）包括与上固定夹套（21）连接的吊环（41），与下固定夹套（22）连接的固定部件（42），吊环（41）与纳米拉伸测试系统的吊钩（44）连接，用于对测试试样（1）进行拉伸；
所述测试试样（1）的上基体（12）为底角为30°的倒梯形体，下基体（14）为长方体；上基体切割成底角为30°的倒梯形体，使纤维的上界面拉伸面积小于下界面的面积，从而上基体比下基体先脱离纤维；上基体（12）固定在一对上垫片（23）之间，下基体（14）固定在一对下垫片（24）之间；
所述测试试样（1）由含有纤维的金属基复合材料切割而成；
所述锁紧装置（25）包括螺栓（251）和螺母（252），螺栓（251）分别穿过上固定夹套（21）和上垫片（23），以及下固定夹套（22）和下垫片（24），并通过螺母（252）紧固；
所述上固定夹套（21）和下固定夹套（22）之间设置有圆柱状的支撑柱（26）；所述吊环（41）连接有连接杆（43），连接杆（43）通过螺纹与上固定夹套（21）的顶部连接。
2.一种基于权利要求1所述的装置的金属基复合材料界面法向粘接强度测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）通过机械切割方法将含有纤维的金属基复合材料切割，得到测试试样；
（2）用下垫片夹紧测试试样的下基体下方，通过锁紧装置锁紧，并将下固定夹套固定在纳米拉伸测试系统的平台上；
（3）用上垫片夹紧测试试样的上基体尚方，通过锁紧装置锁紧，最后将上固定夹套上方的吊环与纳米拉伸测试系统的吊钩连接；
（4）打开扫描电子显微镜，通过纳米拉伸测试系统逐级加载，每次加载后，用显微镜观察，并记录力与位移数据，直至界面处出现裂纹；
（5）记录出现裂纹时的拉力与位移，绘制力与位移曲线，求出法向粘接强度。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |