CN111323277A - 一种连续缠绕碳纤维束丝拉伸性能的制样装置和制样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种连续缠绕碳纤维束丝拉伸性能的制样装置和制样方法。该装置包含一个缠绕架和一个拉伸式的固化架；缠绕架为长方形，缠绕架的一端是可移动的动缠绕辊，另一端是固定的定缠绕辊；动缠绕辊和定缠绕辊的轴向是平直的圆辊或带等间距平槽的圆辊；拉伸固化架顶面设置有带拉伸弹簧的横梁；底面设置有定位槽。制样中，将碳纤维丝束缠绕在动、定缠绕辊上，并将动缠绕辊挂在拉伸固化架的顶面的拉伸弹簧上，定缠绕辊固定在定位槽中，使拉伸固化架上拉伸弹簧受力。本发明解决了固化时的形变现象，为大生产提供了低成本、高效率的碳纤维束丝强伸性能表征试样的制样方法，提高了大K数碳纤维束丝力学性能测试制样的效率。
Description
技术领域
本发明涉及材料测试技术领域，具体涉及一种连续缠绕碳纤维束丝拉伸性能表征试样的制样装置和制样方法。
背景技术
碳纤维是21世纪最具诱惑力的新型材料之一，它的质轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电、导热和远红外辐射等诸多优异性能，已广泛应用于航天航空、纺织机械、汽车、电信、电加热、石油化工、医药机械、建筑行业、文体用品等多领域。为了降低碳纤维的使用成本，目前，市场上已有48K、50K的碳纤维大束丝。
1999年国际标准化组织(ISO)通过了碳纤维树脂浸渍纱线抗拉性能的测定束丝标准。当前，我国已有GB/T3362—2005碳纤维束丝拉伸性能的测试方法标准，即用树脂和固化剂固化碳纤维束丝，制成碳纤维束丝与树脂的复合棒，测试碳纤维棒的拉伸性能值，反映碳纤维束丝的力学性能值。碳纤维棒的复合效果，直接影响碳纤维束丝拉伸性能的测试结果准确性。目前，探索和开发提升手工制大K数碳纤维束丝效果的制样和测试设备显得尤为重要。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种连续缠绕碳纤维束丝拉伸性能的制样装置和制样方法，该装置和方法适合于大批量的大K数碳纤维束丝表征试样的制样，同时，也能制小K数的碳纤维强伸性能的表征试样，其测试结果，能准确地反映出不同K数碳纤维束丝应有的力学性能值。
本发明首先提供了一种连续缠绕碳纤维束丝拉伸性能的制样装置，该装置包含长方形缠绕架和与缠绕架配套的拉伸固化架；
所述的长方形缠绕架由一对平行的支撑轴和另一对平行的且与支撑轴垂直的缠绕辊组成；其中的一个缠绕辊为可以沿支撑轴方向移动的动缠绕辊，另一个缠绕辊为固定在支撑轴上的定缠绕辊；动缠绕辊和定缠绕辊的轴向上各有若干个等间距、分离式、带平槽的圆辊，或者动缠绕辊和定缠绕辊均为平直的圆辊；动缠绕辊和定缠绕辊的等间距的平槽起始点的位置相差2mm～3mm。
所述的拉伸固化架顶面设置有带拉伸弹簧的横梁；底面设置有定位槽。
所述的缠绕辊由易与树脂脱离的光滑材料制成，中间由承力材料加固。
所述的拉伸固化架上可同时放置有若干个缠绕架。
本发明还提供了一种采用连续缠绕碳纤维束丝拉伸性能制样装置的制样方法，其包括如下步骤：
(1)将动缠绕辊通过螺丝固定在缠绕架支撑轴的一端；
(2)将碳筒上的碳纤维丝束在一定张力条件下无捻退丝，由机械设施完成对碳纤维束丝的浸胶；
(3)将已浸胶、连续型碳纤维丝束的一端，用橡胶胶带固定在缠绕辊的起始处；
(4)沿碳纤维丝束轴向，无捻地沿缠绕架的动定缠绕辊，上、下连续缠绕碳纤维，在缠绕辊的结束处，用橡胶胶带固定丝束的尾端；
(5)根据不同K数碳纤维束丝，选择与不同K数相对应的拉伸弹簧；
(6)松开固定动缠绕辊的螺丝，并将动缠绕辊挂在拉伸固化架的顶面的拉伸弹簧上；
(7)用拉伸固化架底面上的定位槽，定位被压下的定缠绕辊，使拉伸固化架上拉伸弹簧受力；
(8)将安装好的缠绕碳纤维束丝的缠绕架和拉伸固化架，一起送入烘箱内，在一定的条件下，固化已浸胶的碳纤维束丝，复合成碳纤维棒。
优选地，所述的碳纤维丝束为24K及以上K数的碳纤维束丝；更优选地，所述的碳纤维丝束为50K的碳纤维束丝。
碳纤维束丝力学性能的测试试样，是碳纤维束丝与树脂复合的碳纤维棒；碳纤维棒的复合状态，直接影响碳纤维束丝力学性能值测试的可靠性。随着碳纤维束丝根数的增加，对测试试样的碳纤维棒复合要求也大大提高。为制得有效的大K数碳纤维棒，采用本发明的装置和方法将具有如下优点：
(1)本发明为大生产提供了低成本、高效率的碳纤维束丝强伸性能表征试样的制样方法，针对的是连续型、大K数(含50K)碳纤维束丝的强伸性能表征试样的制样方法。
(2)本发明提高了大K数碳纤维束丝力学性能测试制样的效率、碳纤维复合棒含树脂量的一致性和均匀性、以及碳棒截面的平整性、宽度一致性。
(3)解决固化时的形变现象：一端缠绕辊可以沿缠绕架支撑轴方向移动、一端固定在支撑轴的缠绕辊的长方形缠绕方式，是解决浸胶后碳纤维束丝固化时，产生的长宽度形变的有效手段，而这一形变直接影响测试试样——碳纤维棒的可靠性。
(4)解决根与根碳棒尺寸均匀性：缠绕辊的等间隔、分离式、带平槽的缠绕设计，是为解决碳纤维的宽度和厚度的一致性，提高每根试样的均匀性而设计的。
(5)提高碳棒的宽、厚度平整性：拉伸试样时，试样的夹持端因大K数碳纤维棒在拉伸时产生较大的层间剪切力。否则，将难以完成大K数碳纤维力学性能的测试。
(6)提高受力的均匀性：一个试样一个框架，一次制样，一组拉伸弹簧。是为了解决一个试样的每根碳棒的受力均匀性，提高碳棒的一致性，降低因制样而带来的试样离散性。
(7)解决采用压力的上下层碳棒合并现象：因碳纤维的K数增加，所需的固化力明显加大，采用拉簧式的张力，解决采用小直径缠绕辊时，对碳纤维上、下层施压，而产生的两层并到一起的现象。
(8)选用易与树脂脱离的光滑材料制作缠绕辊，便于清除固粘在缠绕辊上的树脂的设计，是保持制样用具的清洁而提供的解决方案：主要是碳纤维具有横向脆性的特点，缠绕辊上有不光滑处，碳丝已被拉毛或拉断，则不利制样的整齐度，也使整股碳纤维束丝中单丝的连续性受到破坏，而影响集束断裂效果。因此，每次制样完成后，必须及时清理缠绕架，而使用与树脂脱离的光滑材料，则容易清理，降低劳动强度。
(9)与碳纤维缠绕架配套的拉伸固化架，各部件都有其效用：(9.1)固化架的顶面，安有带拉伸弹簧的横梁。可配合缠绕架的移动端使用，结果固化所需的张力。(9.2)弹簧的大小，根据碳纤维束丝K数的差异选定。(9.3)固化架的底面安装受力定位槽。可解决在固化过程中，缠绕架一直处于受力状态，从而解决固化时所需的张力。
附图说明
图1为本发明所述的制样装置的正视图。
图2为本发明所述的制样装置的侧视图。
图3为本发明所述的制样装置的立体图。
图中：1：动缠绕辊，2：定缠绕辊，3：支撑轴，4：圆辊，5：拉伸弹簧，6：顶架面横梁，7：定位槽，8：拉伸固化架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1～10
采用本发明所述的装置，如图1～3所示，选用24K碳纤维束丝，采用如下步骤：
(1)将动缠绕辊通过螺丝固定在缠绕架支撑轴的一端；
(2)将碳筒上的碳纤维丝束在一定张力条件下无捻退丝，由机械设施完成对碳纤维束丝的浸胶；
(3)将已浸胶、连续型碳纤维丝束的一端，用橡胶胶带固定在缠绕辊的起始处；
(4)沿碳纤维丝束轴向，无捻地沿缠绕架的动定缠绕辊，上、下连续缠绕碳纤维，在缠绕辊的结束处，用橡胶胶带固定丝束的尾端；
(5)根据不同K数碳纤维束丝，选择与不同K数相对应的拉伸弹簧；
(6)松开固定动缠绕辊的螺丝，并将动缠绕辊挂在拉伸固化架的顶面的拉伸弹簧上；
(7)用拉伸固化架底面上的定位槽，定位被压下的定缠绕辊，使拉伸固化架上拉伸弹簧受力；
(8)将安装好的缠绕碳纤维束丝的缠绕架和拉伸固化架，一起送入烘箱内，在一定的条件下，固化已浸胶的碳纤维束丝，复合成碳纤维棒。
实施例1～4所采用的测试条件和测试结果如表1所示，实施例5～10所采用的测试条件和测试结果如表2所示。
表1实施例1～4：缠绕在不同直径圆辊上的测试结果差异
现有技术中，在小直径圆辊条件下，采用缠绕浸胶后，用夹子压上下层丝束，会发生上下粘结，而不易分样，导致制得的碳棒无效。但采用本发明所述装置和方法制得的复合碳棒，由表1可见：(1)不会上下粘结；(2)碳棒表面平整度方面，小直径的碳棒好于大直径的碳棒。其原因是，大直径缠绕碳纤维，在缠绕弯曲折回处，碳丝内外层的行径有差异，而体现在固化后碳棒表面平整度的一致性差异。复合材料的测试，是采用拉伸断裂的方式，K数越大，对拉伸试样的握持段的平整度要求高，否则难以达到其中断裂的要求，而出现分层断裂的现象。
表2实施例5～10：缠绕架纵向形变拉力不同时的差异
由表2可见，采用本发明所述装置和方法制得的复合碳棒，在不同固化的张力下，制得的碳棒，其在固化形变时，所发生的挺直度不同，而得到的测试结果不同，但其性能均优于现有技术所获得碳棒的性能。
Claims (5)
1.一种连续缠绕碳纤维束丝拉伸性能的制样装置，其特征在于，该装置包含长方形缠绕架和与缠绕架配套的拉伸固化架；
所述的长方形缠绕架由一对平行的支撑轴和另一对平行的且与支撑轴垂直的缠绕辊组成；其中的一个缠绕辊为可以沿支撑轴方向移动的动缠绕辊，另一个缠绕辊为固定在支撑轴上的定缠绕辊；动缠绕辊和定缠绕辊的轴向上各有若干个等间距、分离式、带平槽的圆辊，或者动缠绕辊和定缠绕辊均为平直的圆辊；动缠绕辊和定缠绕辊的等间距的平槽起始点的位置相差2mm～3mm；
所述的拉伸固化架顶面设置有带拉伸弹簧的横梁；底面设置有定位槽。
2.根据权利要求1所述的连续缠绕碳纤维束丝拉伸性能的制样装置，其特征在于，缠绕辊由易与树脂脱离的光滑材料制成，中间由承力材料加固。
3.根据权利要求1所述的连续缠绕碳纤维束丝拉伸性能的制样装置，其特征在于，所述的拉伸固化架上可同时放置有若干个缠绕架。
4.一种采用如权利要求1所述的连续缠绕碳纤维束丝拉伸性能的制样装置的制样方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将动缠绕辊通过螺丝固定在缠绕架支撑轴的一端；
(2)将碳筒上的碳纤维丝束在一定张力条件下无捻退丝，由机械设施完成对碳纤维束丝的浸胶；
(3)将已浸胶、连续型碳纤维丝束的一端，用橡胶胶带固定在缠绕辊的起始处；
(4)沿碳纤维丝束轴向，无捻地沿缠绕架的动定缠绕辊，上、下连续缠绕碳纤维，在缠绕辊的结束处，用橡胶胶带固定丝束的尾端；
(5)根据不同K数碳纤维束丝，选择与不同K数相对应的拉伸弹簧；
(6)松开固定动缠绕辊的螺丝，并将动缠绕辊挂在拉伸固化架的顶面的拉伸弹簧上；
(7)用拉伸固化架底面上的定位槽，定位被压下的定缠绕辊，使拉伸固化架上拉伸弹簧受力；
(8)将安装好的缠绕碳纤维束丝的缠绕架和拉伸固化架，一起送入烘箱内，在一定的条件下，固化已浸胶的碳纤维束丝，复合成碳纤维棒。
5.根据权利要求4所述的连续缠绕碳纤维束丝拉伸性能的制样装置的制样方法，其特征在于，所述的碳纤维丝束为24K及以上K数的碳纤维束丝。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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