CN110261298A - 一种纤维束间摩擦性能的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纤维束间摩擦性能的测试方法，提供一种张力可控的纤维束摩擦的测试装置及测试方法，该发明测试简单，使用该测试装置和测试方法能够获得纤维与纤维摩擦时预加载阶段及加载阶段摩擦力、摩擦系数、加载力、预加载力、轴向位移、水平动程、实验仓温度、时间的相互关系曲线，同时对摩擦后纤维的表面损伤进行表征。本发明的使用极大降低了常规摩擦实验方法的操作难度，可控制纤维张力，实现与织造工况相似的悬空状态纤维束间摩擦测试，并提高摩擦的自动化程度，增加测试结果的可靠性。此外，本发明摩擦装置及方法可在0°‑180°的范围内变换摩擦角度，实现纤维束间变角度摩擦，为后续相关研究提供便利。

Description

一种纤维束间摩擦性能的测试方法

技术领域

本发明专利涉及一种纤维束摩擦的装置及方法，具体涉及一种纤维束间摩擦的测试装置及测试方法。

背景技术

我国航空航天、国防等领域的飞速发展对材料的结构和性能提出了更高的要求。无机纤维束由于具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、高热容和低导热等优良特性而成为近年来复合材料领域高速发展的增强纤维束材料。单向无机纤维束复合材料由于其结构简单，力学性能以及各向异性度高等问题通常无法满足特种结构件的实际需要，而立体织造技术为制备层间力学性能优异、准各向同性的异型结构增强体提供了技术保障。然而，无机纤维束在立体织造过程中，由于织机运动引起的纤维束与纤维束间的摩擦作用通常会造成严重的损伤，因此，建立一种模拟织造工况下纤维束之间摩擦的测试方法，实现纤维束间的摩擦性能指标评价，对于织造工艺过程参数设计、织物性能损失率预测等方面均具有重要的指导价值。

Mulvihill等人利用平板摩擦法(参见Mulvihill D M，Smerdova O，Sutcliffe MP F.Friction of carbon fibre tows[J].Composites Part A Applied Science&Manufacturing，2017，93：185-198.)探讨碳纤维束丝束的基本摩擦性能，解释纤维束间的摩擦行为，并设计平板摩擦法观察真实单丝接触长度，测量在正常载荷下的摩擦力，但是上述方法未能实现模拟在悬空工况下变角度的摩擦测试。

Tourlonias M等人设计一种实验方法(参见Tourlonias M，Bueno M A，PoquillonD.Friction of carbon tows and fine single fibres[J].Composites Part A：AppliedScience&Manufacturing，2017，98：116-123.)将碳纤维束在悬空工况下进行往复摩擦实验，并对纤维束间的摩擦行为进行了研究。该方法虽更好地模拟在织造中经纬向碳纤维束的摩擦状况。但是该方法未能实现可控纤维束张力的摩擦测试。

吴宁等人采用正交线性往复摩擦方法(参见杨洁，吴宁.织造中碳纤维束的摩擦磨损实验模拟[J].摩擦学学报，2019，01：90-98.)借助摩擦磨损实验仪和自制张力可控的纱线摩擦实验夹具来模拟织造过程中经纬纱之间的摩擦行为，主要研究了法向负载、预加张力、摩擦速率对悬空碳纤维束摩擦磨损状况的影响。但是该装置并不适用于所有纤维束，针对某些弯折性能较差的无机纤维束，如氧化铝，氮化硅，碳化硼等，在测试时纤维束在瓷眼附近，易产生弯折损伤，影响测试结果。

为了解决上述问题，准确地对纤维束在织造中摩擦行为进行分析和表征，我们发明了一种纤维束间摩擦性能的测试方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种纤维束间摩擦性能的测试方法，该方法测试方法简单，使用该测试装置和测试方法能够获得纤维束与纤维束摩擦时的摩擦系数和摩擦力，同时对摩擦后纤维束的表面损伤进行表征。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种纤维束间摩擦性能的测试方法，该测试方法采用如下步骤：

1)取样品纤维束架接于摩擦上夹具。贯穿样品纤维束通道，将一端样品纤维束通过固定螺丝紧固，另一端悬挂砝码，调节张力，悬停1-2分，通过右端固定螺丝紧固样品纤维束另一端。

所述摩擦上夹具包括支撑结构、紧固结构与架接结构。所述支撑结构包括摩擦上夹具固定底座；所述紧固结构包括摩擦上夹具固定柱一、摩擦上夹具固定柱二与摩擦上夹具限位柱；所述架接结构包括摩擦夹具纤维束架接平台、摩擦夹具固定螺丝通道与摩擦夹具固定螺丝。

特别的，所述紧固结构与支撑结构连接为一体，架接结构位于支撑结构上。

特别的，所述摩擦夹具固定螺丝包括固定螺母、固定螺纹、紧固螺丝头、样品纤维束通道。

特别的，所述摩擦夹具样品纤维束架接结构为两个，对称分布于摩擦上夹具固定底座上，每个架接结构之间的长度为18-25mm。

特别的，所述摩擦夹具固定螺丝通道的内螺纹与固定螺纹啮合。

特别的，所述摩擦夹具固定螺丝内设有样品纤维束通道。

2)检测样品纤维束是否紧固架接于摩擦上夹具。防止样品纤维束从固定螺丝内样品纤维束通道中滑脱。

3)样品拍照，在摩擦前拍摄样品纤维束原貌。

所述样品拍照包括使用日本Vixen公司的PC-230数码显微镜观察摩擦前样品纤维束的表面毛羽。

4)将带有样品的上夹具紧固于UMT-TriboLab摩擦实验仪传感器上。

所述固定于UMT-TriboLab摩擦实验仪传感器上，包括摩擦上夹具固定柱一、摩擦上夹具固定柱二与摩擦上夹具限位柱配合插入传感器内，可在0°-180°的范围内变换两根样品纤维束之间摩擦角度，并通过螺丝固定。

5)取样品纤维束架接于摩擦下夹具。贯穿样品纤维束通道，将一端样品纤维束通过固定螺丝紧固，另一端悬挂砝码，调节张力，悬停1-2分，通过右端固定螺丝紧固样品纤维束另一端，重复步骤2)-3)。

所述摩擦下夹具包括支撑结构、紧固结构与架接结构。所述支撑结构包括摩擦下夹具固定底座；所述紧固结构包括摩擦下夹具限位槽；所述架接结构包括摩擦夹具纤维束架接平台、摩擦夹具固定螺丝通道与摩擦夹具固定螺丝。

特别的，所述摩擦下夹具限位槽为两个，对称分布于摩擦下夹具固定底座上。

特别的，所述摩擦夹具样品纤维束架接结构为两个，对称分布于摩擦下夹具固定底座上，每个架接结构之间的长度为18-25mm。

特别的，所述摩擦夹具固定螺丝通道的内螺纹与固定螺纹啮合。

特别的，所述摩擦夹具固定螺丝内设有样品纤维束通道。

6)输入测试参数值。

所述测试参数值，包括摩擦频率、加载力、预加载力、摩擦时间、实验次数、摩擦动程。

7)检验测试参数值。UMT-TriboLab摩擦实验仪2N传感器，加载力参数范围为0.23N-20N。

8)样品拍摄，拍摄摩擦后的损伤样品纤维束。

所述样品拍照包括使用日本Vixen公司的PC-230数码显微镜观察摩擦后样品纤维束的表面毛羽。

9)导出预加载阶段及加载阶段摩擦力、摩擦系数、加载力、预加载力、轴向位移、水平动程、实验仓温度、时间的相互关系曲线。

本发明的有益效果是：本发明提供一种张力可控的纤维束间摩擦的测试装置及测试方法，该发明测试简单，使用该测试装置和测试方法能够获得纤维束与纤维束摩擦时预加载阶段及加载阶段摩擦力、摩擦系数、加载力、预加载力、轴向位移、水平动程、实验仓温度、时间的相互关系曲线，同时对摩擦后纤维束的表面损伤进行表征。本发明的使用极大降低了常规摩擦实验方法的操作难度，可控制纤维束张力，实现与织造工况相似的悬空状态纤维束间摩擦测试，并提高摩擦的自动化程度，增加测试结果的可靠性。此外，本发明摩擦装置及方法可在0°-180°的范围内变换摩擦角度，实现纤维束间变角度摩擦，为后续相关研究提供便利。

本发明实施例中以部分无机纤维束样品为研究对象，就法向负载、纤维束张力、摩擦速率对悬空状态下纤维束之间摩擦性能的影响进行了实验分析，表1为具体的摩擦实验参数。

表1本发明实施例纤维束摩擦实验参数

附图说明

图1本发明一种纤维束间摩擦性能的测试方法流程图

图2本发明一种纤维束间摩擦性能的测试方法的摩擦上夹具主视面示意图

图3本发明一种纤维束间摩擦性能的测试方法的摩擦下夹具主视面示意图

图4本发明一种纤维束间摩擦性能的测试方法的摩擦夹具固定螺丝主视面示意图

图5本发明一种纤维束间摩擦性能的测试方法实施例一所述纤维束在表一所述条件下时间对纤维束摩擦力F_f的实验曲线

图6本发明一种纤维束间摩擦性能的测试方法实施例一所述纤维束在表一所述条件下时间对纤维束摩擦系数COF的实验曲线

图7本发明一种纤维束间摩擦性能的测试方法实施例二所述纤维束在垂直摩擦条件下的上下夹具配合示意图

图8本发明一种纤维束间摩擦性能的测试方法实施例三所述纤维束在垂直摩擦条件下的上下夹具配合示意图

附图中所示标号：1-摩擦上夹具固定柱一、2-摩擦上夹具固定柱二、3-摩擦上夹具限位柱、4-摩擦上夹具固定底座、5-固定螺母、6-样品纤维束、7-摩擦夹具纤维束架接平台、8-摩擦夹具固定螺丝通道、9-样品纤维束通道、10-摩擦下夹具固定底座、11-摩擦下夹具限位槽、12-紧固螺丝头、13-固定螺纹；

具体实施方式

下面结合附图1-8对本发明作进一步说明：

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种纤维束间摩擦性能的测试方法，该测试方法采用如下步骤：

1)取样品纤维束架接于摩擦上夹具。贯穿样品纤维束通道，将一端样品纤维束通过固定螺丝紧固，另一端悬挂砝码，调节张力，悬停1-2分，通过右端固定螺丝紧固样品纤维束另一端。

所述摩擦上夹具包括支撑结构、紧固结构与架接结构。所述支撑结构包括摩擦上夹具固定底座；所述紧固结构包括摩擦上夹具固定柱一、摩擦上夹具固定柱二与摩擦上夹具限位柱；所述架接结构包括摩擦夹具纤维束架接平台、摩擦夹具固定螺丝通道与摩擦夹具固定螺丝。

特别的，所述紧固结构与支撑结构连接为一体，架接结构位于支撑结构上。

特别的，所述摩擦夹具固定螺丝包括固定螺母、固定螺纹、紧固螺丝头、样品纤维束通道。

特别的，所述摩擦夹具样品纤维束架接结构为两个，对称分布于摩擦上夹具固定底座上，每个架接结构之间的长度为18-25mm。

特别的，所述摩擦夹具固定螺丝通道的内螺纹与固定螺纹啮合。

特别的，所述摩擦夹具固定螺丝内设有样品纤维束通道。

2)检测样品纤维束是否紧固架接于摩擦上夹具。防止样品纤维束从固定螺丝内样品纤维束通道中滑脱。

3)样品拍照，在摩擦前拍摄样品纤维束原貌。

所述样品拍照包括使用日本Vixen公司的PC-230数码显微镜观察摩擦前样品纤维束的表面毛羽。

4)将带有样品的上夹具紧固于UMT-TriboLab摩擦实验仪传感器上。

所述固定于UMT-TriboLab摩擦实验仪传感器上，包括摩擦上夹具固定柱一、摩擦上夹具固定柱二与摩擦上夹具限位柱配合插入传感器内，可在0°-180°的范围内变换两根样品纤维束之间摩擦角度，并通过螺丝固定。

5)取样品纤维束架接于摩擦下夹具。贯穿样品纤维束通道，将一端样品纤维束通过固定螺丝紧固，另一端悬挂砝码，调节张力，悬停1-2分，通过右端固定螺丝紧固样品纤维束另一端，重复步骤2)-3)。

所述摩擦下夹具包括支撑结构、紧固结构与架接结构。所述支撑结构包括摩擦下夹具固定底座；所述紧固结构包括摩擦下夹具限位槽；所述架接结构包括摩擦夹具纤维束架接平台、摩擦夹具固定螺丝通道与摩擦夹具固定螺丝。

特别的，所述摩擦下夹具限位槽为两个，对称分布于摩擦下夹具固定底座上。

特别的，所述摩擦夹具样品纤维束架接结构为两个，对称分布于摩擦下夹具固定底座上，每个架接结构之间的长度为18-25mm。

特别的，所述摩擦夹具固定螺丝通道的内螺纹与固定螺纹啮合。

特别的，所述摩擦夹具固定螺丝内设有样品纤维束通道。

6)输入测试参数值。

所述测试参数值，包括摩擦频率、加载力、预加载力、摩擦时间、实验次数、摩擦动程。

7)检验测试参数值。UMT-TriboLab摩擦实验仪2N传感器，加载力参数范围为0.23N-20N。

8)样品拍摄，拍摄摩擦后的损伤样品纤维束。

所述样品拍照包括使用日本Vixen公司的PC-230数码显微镜观察摩擦后样品纤维束的表面毛羽。

9)导出预加载阶段及加载阶段摩擦力、摩擦系数、加载力、预加载力、轴向位移、水平动程、实验仓温度、时间的相互关系曲线。

实施例1

本实施例设计氧化铝样品纤维束摩擦的测试装置及测试方法，使用时包括以下步骤：

1)取样品纤维束架接于摩擦上夹具。贯穿样品纤维束通道，将样品纤维束一端通过固定螺丝紧固，另一端悬挂40g砝码，调节张力，悬停1分，通过右端固定螺丝紧固样品纤维束另一端。

2)检测样品纤维束是否紧固架接于摩擦上夹具。防止样品纤维束从固定螺丝内样品纤维束通道中滑脱。

3)样品拍照，在摩擦前拍摄样品纤维束原貌。

4)将带有样品的上夹具紧固于UMT-TriboLab摩擦实验仪传感器上。

5)取样品纤维束架接于摩擦下夹具。贯穿样品纤维束通道，将一端样品纤维束通过固定螺丝紧固，另一端悬挂砝码，调节张力，悬停1分，通过右端固定螺丝紧固样品纤维束另一端，重复步骤2)-3)。

6)输入测试参数值，转动上夹具，使得上夹具样品纤维束与下夹具样品纤维束间呈90°排列。

7)检验测试参数值。使用UMT-TriboLab摩擦实验仪2N传感器，加载力参数为0.4N，预加载力为0.3N，摩擦时间80s，摩擦频率5Hz。

8)样品拍摄，拍摄摩擦后的损伤样品纤维束。

9)导出摩擦力、轴向位移与时间的实验关系曲线。

实施例2

本实施例设计氮化硅样品纤维束摩擦的测试装置及测试方法，使用时包括以下步骤：

1)取样品纤维束架接于摩擦上夹具。贯穿样品纤维束通道，将样品纤维束一端通过固定螺丝紧固，另一端悬挂50g砝码，调节张力，悬停1分，通过右端固定螺丝紧固样品纤维束另一端。

2)检测样品纤维束是否紧固架接于摩擦上夹具。防止样品纤维束从固定螺丝内样品纤维束通道中滑脱。

3)样品拍照，在摩擦前拍摄样品纤维束原貌。

4)将带有样品的上夹具紧固于UMT-TriboLab摩擦实验仪传感器上。

5)取样品纤维束架接于摩擦下夹具。贯穿样品纤维束通道，将一端样品纤维束通过固定螺丝紧固，另一端悬挂砝码，调节张力，悬停1分，通过右端固定螺丝紧固样品纤维束另一端，重复步骤2)-3)。

6)输入测试参数值，转动上夹具，使得上夹具样品纤维束与下夹具样品纤维束间呈45°排列。

7)检验测试参数值。使用UMT-TriboLab摩擦实验仪2N传感器，加载力参数为0.5N，预加载力为0.4N，摩擦时间80s，摩擦频率3Hz。

8)样品拍摄，拍摄摩擦后的损伤样品纤维束。

9)导出摩擦系数、水平动程与轴向位移的实验关系曲线。

实施例3

本实施例设计碳化硼样品纤维束摩擦的测试装置及测试方法，使用时包括以下步骤：

1)取样品纤维束架接于摩擦上夹具。贯穿样品纤维束通道，将样品纤维束一端通过固定螺丝紧固，另一端悬挂50g砝码，调节张力，悬停1分，通过右端固定螺丝紧固样品纤维束另一端。

2)检测样品纤维束是否紧固架接于摩擦上夹具。防止样品纤维束从固定螺丝内样品样品纤维束中滑脱。

3)样品拍照，在摩擦前拍摄样品纤维束原貌。

4)将带有样品的上夹具紧固于UMT-TriboLab摩擦实验仪传感器上。

5)取样品纤维束架接于摩擦下夹具。贯穿样品样品纤维束，将一端样品纤维束通过固定螺丝紧固，另一端悬挂砝码，调节张力，悬停1分，通过右端固定螺丝紧固样品纤维束另一端，重复步骤2)-3)。

6)输入测试参数值，转动上夹具，使得上夹具样品纤维束与下夹具样品纤维束间呈90°排列。

7)检验测试参数值。使用UMT-TriboLab摩擦实验仪2N传感器，加载力参数为0.4N，预加载力为0.3N，摩擦时间80s，摩擦频率3Hz。

8)样品拍摄，拍摄摩擦后的损伤样品纤维束。

9)导出摩擦力与摩擦系数与时间的实验关系曲线。

以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种纤维束间摩擦性能的测试方法，包括取样品纤维6架接于摩擦上夹具。检测样品纤维6是否紧固架接于摩擦上夹具。样品拍照，在摩擦前拍摄样品纤维6原貌。将带有样品的上夹具固定于UMT-TriboLab摩擦实验仪传感器上。取样品纤维6架接于摩擦下夹具。输入测试参数值。检验测试参数值。样品拍摄，拍摄摩擦后的损伤样品纤维6。导出预加载阶段及加载阶段摩擦力、摩擦系数、加载力、预加载力、轴向位移、水平动程、实验仓温度、时间的相互关系曲线。

2.一种纤维束间摩擦性能的测试方法，其目的在于提供一种纤维束间摩擦性能的测试方法，该方法测试方法简单，使用该测试装置和测试方法能够获得纤维与纤维摩擦时的摩擦系数和摩擦力，同时对摩擦后纤维的表面损伤进行表征，本发明的使用极大降低了常规摩擦实验方法的操作难度，可控制纤维张力，实现与织造工况相似的悬空状态纤维束间摩擦测试，并提高摩擦的自动化程度，增加测试结果的可靠性。此外，本发明摩擦装置及方法可在0°-180°的范围内变换摩擦角度，实现纤维束间变角度摩擦，为后续相关研究提供便利。

3.根据权利要求1所述的一种纤维束间摩擦性能的测试方法，其特征在于所述摩擦上夹具包括支撑结构、紧固结构与架接结构。所述支撑结构包括摩擦上夹具固定底座4；所述紧固结构包括摩擦上夹具固定柱一1、摩擦上夹具固定柱二2与摩擦上夹具限位柱3；所述架接结构包括摩擦夹具纤维架接平台7、摩擦上夹具固定螺丝通道与摩擦夹具固定螺丝。

4.根据权利要求1所述的一种纤维束间摩擦性能的测试方法，其特征在于所述摩擦下夹具包括支撑结构、紧固结构与架接结构。所述支撑结构包括摩擦下夹具固定底座10；所述紧固结构包括摩擦下夹具限位槽11；所述架接结构包括摩擦夹具纤维架接平台7、摩擦夹具固定螺丝通道8与摩擦夹具固定螺丝。

5.根据权利要求1所述的一种纤维束间摩擦性能的测试方法，其特征在于所述摩擦夹具固定螺丝包括固定螺母5、固定螺纹13、紧固螺丝头12、样品纤维通道9。

6.根据权利要求1所述的一种纤维束间摩擦性能的测试方法，其特征在于所述摩擦夹具样品纤维6架接结构为两个，对称分布于摩擦上夹具固定底座4上，每个架接结构之间的长度为18-25mm。

7.根据权利要求1所述的一种纤维束间摩擦性能的测试方法，其特征在于提供一种加有可控张力装置的纤维悬空摩擦测试方法，摩擦上、下夹具与UMT-TriboLab摩擦实验仪配合使用，能实现实现与织造工况相似的悬空状态纤维束间摩擦测试时预加载阶段及加载阶段摩擦力、摩擦系数、加载力、预加载力、轴向位移、水平动程、实验仓温度、时间的相互关系曲线，同时能对摩擦后纤维的表面损伤进行评价。

8.根据权利要求2所述的一种纤维束间摩擦性能的测试方法，技术方案是，设计一种纤维束间摩擦性能的测试方法，该测试方法采用如下步骤：

1)取样品纤维6架接于摩擦上夹具。

2)检测样品纤维6是否紧固架接于摩擦上夹具。

3)样品拍照，在摩擦前拍摄样品纤维6原貌。

4)将带有样品纤维的上夹具固定于UMT-TriboLab摩擦实验仪传感器上。

5)取样品纤维6架接于摩擦下夹具。

6)输入测试参数值。

7)检验测试参数值。

8)样品拍摄，拍摄摩擦后的损伤样品纤维6。

9)导出预加载阶段及加载阶段摩擦力、摩擦系数、加载力、预加载力、轴向位移、水平动程、实验仓温度、时间的相互关系曲线。