CN111487133A - 纤维表面涂层弹性模量测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维表面涂层弹性模量测试方法，属于涂层力学性能测试技术领域。该方法包括：S1：获取纤维材料的弹性模量Ef；S2：通过拉伸法测量纤维涂层复合试样的弹性模量Eq；S3：测量纤维涂层复合试样中纤维的截面面积Af以及涂层的截面面积Ac；S4：通过公式
计算纤维表面涂层的弹性模量Ec。本发明解决了纤维材料涂层尺寸微小无法测试弹性模量的难题，并且测试过程简单，测试效率较高。
Description
技术领域
本发明涉及涂层力学性能测试技术领域，特别是指一种纤维表面涂层弹性模量测试方法。
背景技术
涂层技术广泛地应用于石油化工、国防军工、航天航空、机械电子等领域。涂层技术是一种重要的现代表面处理技术和材料复合技术，涂层与基体形成的复合样品可使它们在性能上取长补短，例如在金属表面复合一层或多层陶瓷涂层，可使复合构件具有陶瓷材料的耐高温、耐磨损、耐腐蚀等特性优点。
为了提高各种纤维的使用功能或耐久性，在其表面镀上不同性能涂层的技术越来越普及。例如，碳纤维表面镀涂层，可以使纤维具有抗氧化性能、耐高温性能，同时可以和基体材料具有良好的结合效果。涂层材料具有优异的机械、物理、化学性能，主要分为防腐涂层、耐磨涂层、特殊功能涂层等，涂层可以提高机械构件的性能、延长使用寿命。
涂层弹性模量作为工程材料的重要性能参数，是评价涂层在制备和应用过程中的应力应变的关键参数，对接触应力场，涂层的剥离、断裂和涂层内部的残余应力状态也有重要影响。
常规的测量涂层弹性模量的方法是将涂层从基体(例如常规块体材料等)上完整剥离下来，对剥离下来的涂层测试其弹性模量。但是，这种方法只能适用于较大尺寸的基体和涂层(基体的尺寸较大，涂层的厚度也较厚)，由于纤维很细，其体积和截面很小，因此常规块体材料弹性模量测试的方法均难以应用到纤维弹性模量的测试上；并且纤维表面的涂层很薄，将纤维表面的涂层完整的剥离下来是无法实现的，因此常规的测量涂层弹性模量的方法(剥离后测量)也不能适用于纤维表面涂层的测试中。所以，纤维本身以及纤维表面涂层弹性模量的准确测试一直是个难题。
中国专利文献CN102539233A公开了一种测试纤维材料弹性模量与强度的方法和装置，其通过“拉伸法”对纤维本身直接进行拉伸试验，得到应力应变曲线，从而测得纤维本身的弹性模量。拉伸法是测试材料弹性模量的一种基本方法，其适用范围广。对于纤维材料，其他多种方法因为其尺寸的微小而不适用，因此可以采用高精度的拉伸法测试纤维的弹性模量。但是拉伸法只能用于测量纤维本身的弹性模量，对于纤维表面涂层的弹性模量，仍然无法直接测试。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种纤维表面涂层弹性模量测试方法，本发明解决了纤维材料涂层尺寸微小无法测试弹性模量的难题，并且测试过程简单，测试效率较高。
本发明提供技术方案如下：
一种纤维表面涂层弹性模量测试方法，纤维表面涂层为单层涂层，所述方法包括：
S1：获取纤维材料的弹性模量Ef；
S2：通过拉伸法测量纤维涂层复合试样的弹性模量Eq；
S3：测量纤维涂层复合试样中纤维的截面面积Af以及涂层的截面面积Ac；
S4：通过如下公式计算纤维表面涂层的弹性模量Ec：
进一步的，所述纤维涂层复合试样中纤维的截面和涂层的截面均为圆形，其中：
所述S3包括：测量纤维涂层复合试样的外径R以及纤维涂层复合试样中纤维的半径r；
所述S4包括：通过如下公式计算纤维表面涂层的弹性模量Ec：
进一步的，所述S1包括：
通过拉伸法测量纤维试样的弹性模量，作为纤维材料的弹性模量Ef；或者，从材料手册中获得纤维材料的弹性模量Ef。
进一步的，所述纤维涂层复合试样和纤维试样来自同一批次的产品，所述纤维涂层复合试样为已镀涂层后的纤维，所述纤维试样为未镀涂层的纤维。
进一步的，通过光学显微镜或千分尺测量纤维涂层复合试样的外径R，通过光学显微镜或千分尺测量纤维试样的半径，作为纤维涂层复合试样中纤维的半径r。
进一步的，所述拉伸法包括：
将纤维涂层复合试样或纤维试样的两端用纸片粘住，并在纤维涂层复合试样或纤维试样中间部分的两个位置分别设置一个标记物；
将纤维涂层复合试样或纤维试样的两端夹持在高精度试验机上，采用低速加载方式对纤维涂层复合试样或纤维试样进行加载；
在不同载荷下采用光学变形测量设备同步测试两个标记物之间的变形量；
根据载荷和变形量计算得到纤维涂层复合试样或纤维试样的弹性模量。
进一步的，所述纤维涂层复合试样或纤维试样的长度为100mm，两个标记物的间隔为20mm，所述标记物为毫发。
进一步的，所述纤维表面涂层的厚度不小于0.2μm。
进一步的，纤维表面涂层包括沉积或涂覆于纤维表面的金属涂层、陶瓷涂层和非晶涂层，所述纤维为金属纤维或非金属纤维。
本发明具有以下有益效果：
本发明突破了拉伸法无法测量纤维表面涂层弹性模量的技术瓶颈，利用拉伸法测试复合试样的弹性模量，再获取纤维基体的弹性模量，然后利用推导得到的公式即可计算出涂层的弹性模量。本发明解决了纤维材料涂层尺寸微小无法测试弹性模量的难题，并且测试过程简单，测试效率较高，可以准确、方便、快捷的测试出纤维表面涂层的弹性模量。
附图说明
图1为本发明的纤维表面涂层弹性模量测试方法的流程图；
图2为纤维涂层复合试样的截面图；
图3为纤维涂层复合试样的立体图；
其中，1为纤维，2为涂层。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明实施例提供一种纤维表面涂层弹性模量测试方法，纤维表面涂层为单层涂层，如图1所示，该方法包括：
S1：获取纤维材料的弹性模量Ef。
本步骤可以通过拉伸法测量纤维试样的弹性模量，作为纤维材料的弹性模量Ef；或者，还可以直接从材料手册或说明书等技术资料中获得纤维材料的弹性模量Ef。
拉伸法是常用的测试纤维弹性模量的方法，拉伸法的具体过程可以参照CN102539233A，本发明对此不再赘述。
S2：通过拉伸法测量纤维涂层复合试样的弹性模量Eq。
S3：测量纤维涂层复合试样中纤维的截面面积Af以及涂层的截面面积Ac。
S4：通过如下公式计算纤维表面涂层的弹性模量Ec：
上式为纤维弹性模量Ef、复合样品弹性模量Eq与涂层弹性模量Ec间的解析关系式，该公式的推导过程如下：
图2、3为纤维涂层复合试样(基体+涂层)的横截面和立体图，纤维涂层复合试样的半径为R，纤维的半径为r。根据胡克定律，可得：
对于纤维涂层复合试样，涂层部分受力为Fc，纤维部分受力为Ff，解方程(1)可得：
对于纤维涂层复合试样，Fc＝AcεcEc，对于纤维，Ff＝AfεfEf，纤维涂层复合试样的应变符合εq＝εc＝εf，则
将式(3)进行变换，即可得到纤维表面涂层的弹性模量的计算公式：
本发明突破了拉伸法无法测量纤维表面涂层弹性模量的技术瓶颈，利用拉伸法测试复合试样的弹性模量，再获取纤维基体的弹性模量，然后利用上述推导得到的公式即可计算出涂层的弹性模量。本发明解决了纤维材料涂层尺寸微小无法测试弹性模量的难题，并且测试过程简单，测试效率较高，可以准确、方便、快捷的测试出纤维表面涂层的弹性模量。
通常，绝大多数纤维的截面为圆形，如图2、3所示，当纤维涂层复合试样中纤维的截面和涂层的截面均为圆形时，其中：
S3包括：测量纤维涂层复合试样的外径R以及纤维涂层复合试样中纤维的半径r；
S4包括：通过如下公式计算纤维表面涂层的弹性模量Ec：
截面为圆形时，面积通过半径计算得到，测量面积即转化为测量半径，然后将测量的半径代入式(3)，即可得到如上所述的公式(4)，根据该公式即可计算出纤维表面涂层的弹性模量。
公式(4)构建了纤维的弹性模量Ef、复合试样的弹性模量Eq与涂层的弹性模量Ec间的解析关系式，因此涂层弹性模量的测定可分三步得到：
(1)利用拉伸法测得复合试样的弹性模量Eq；
(2)利用拉伸法或查材料手册可得纤维的弹性模量Ef；
(3)利用解析关系式(4)计算出涂层的弹性模量Ec。
本发明突破了纤维及其涂层因为尺寸微小而无法直接测量的技术难题，测试过程简单，测试效率较高。
前述的纤维涂层复合试样和纤维试样来自同一批次的产品，其中纤维涂层复合试样为已镀涂层后的纤维，纤维试样为未镀涂层的纤维，未镀涂层的纤维的直径与已镀涂层后的纤维中纤维部分的直径相同。
本发明可以通过光学显微镜或千分尺测量纤维涂层复合试样的外径R，也可以通过光学显微镜或千分尺测量纤维试样的半径，作为纤维涂层复合试样中纤维的半径r。
作为本发明实施例的一种改进，前述的拉伸法包括：
将纤维涂层复合试样或纤维试样的两端用纸片粘住，并在纤维涂层复合试样或纤维试样中间部分的两个位置分别设置一个标记物。
纤维涂层复合试样或纤维试样的长度可以为100mm，两个标记物的间隔可以为20mm，标记物可以为毫发或其他标记物。
将纤维涂层复合试样或纤维试样的两端夹持在高精度试验机上，采用低速加载方式对纤维涂层复合试样或纤维试样进行加载。
在不同载荷下采用光学变形测量设备同步测试两个标记物之间的变形量。
根据载荷和变形量计算得到纤维涂层复合试样或纤维试样的弹性模量，具体的计算过程可以参见CN102539233A，本发明对此不再赘述。
本发明要求纤维表面涂层的厚度不小于0.2μm。纤维表面涂层可以为沉积或涂覆于纤维表面的金属涂层、陶瓷涂层和非晶涂层，纤维可以为金属纤维或非金属纤维。
下面以一个具体的试验示例对本发明进行详细阐述：
待测纤维试样为碳化硅纤维，待测纤维涂层复合试样为二代碳化硅纤维镀有PyC涂层，镀有涂层后纤维增重为6.2％。
1、利用光学显微镜测量纤维试样的半径r；取纤维试样长大约100mm，两端采用纸片粘住，在纤维试样的中间部分，在相隔20mm的两个位置分别粘贴一段毫发或其他标记物；把纤维试样在高精度试验机上加持，采用低速加载方式加载，采用光学变形测量设备同步测试纤维试样的变形，记录不同载荷下两个标记之间的变形。根据拉伸法测试弹性模量的计算公式计算得到纤维的弹性模量Ef＝258GPa。
2、利用光学显微镜测量纤维涂层复合试样的界面尺寸，包括纤维的半径r和纤维涂层复合试样的半径R；取纤维涂层复合试样长大约100mm，两端采用纸片粘住，在纤维涂层复合试样的中间部分，在相隔20mm的两个位置分别粘贴一段毫发或其他标记物；把纤维涂层复合试样在高精度试验机上加持，采用低速加载方式加载，采用光学变形测量设备同步测纤维涂层复合试样的变形，记录不同载荷下两个标记之间的变形。根据拉伸法测试弹性模量的计算公式得到纤维涂层复合试样的弹性模量Eq＝262GPa。
3、根据上述的尺寸和计算得到的Ef和Eq，带入公式
即可计算得到涂层的弹性模量Ec。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，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 (9)
1.一种纤维表面涂层弹性模量测试方法，其特征在于，纤维表面涂层为单层涂层，所述方法包括：
S1：获取纤维材料的弹性模量Ef；
S2：通过拉伸法测量纤维涂层复合试样的弹性模量Eq；
S3：测量纤维涂层复合试样中纤维的截面面积Af以及涂层的截面面积Ac；
S4：通过如下公式计算纤维表面涂层的弹性模量Ec：
2.根据权利要求1所述的纤维表面涂层弹性模量测试方法，其特征在于，所述纤维涂层复合试样中纤维的截面和涂层的截面均为圆形，其中：
所述S3包括：测量纤维涂层复合试样的外径R以及纤维涂层复合试样中纤维的半径r；
所述S4包括：通过如下公式计算纤维表面涂层的弹性模量Ec：
3.根据权利要求2所述的纤维表面涂层弹性模量测试方法，其特征在于，所述S1包括：
通过拉伸法测量纤维试样的弹性模量，作为纤维材料的弹性模量Ef；或者，从材料手册中获得纤维材料的弹性模量Ef。
4.根据权利要求3所述的纤维表面涂层弹性模量测试方法，其特征在于，所述纤维涂层复合试样和纤维试样来自同一批次的产品，所述纤维涂层复合试样为已镀涂层后的纤维，所述纤维试样为未镀涂层的纤维。
5.根据权利要求4所述的纤维表面涂层弹性模量测试方法，其特征在于，通过光学显微镜或千分尺测量纤维涂层复合试样的外径R，通过光学显微镜或千分尺测量纤维试样的半径，作为纤维涂层复合试样中纤维的半径r。
6.根据权利要求3所述的纤维表面涂层弹性模量测试方法，其特征在于，所述拉伸法包括：
将纤维涂层复合试样或纤维试样的两端用纸片粘住，并在纤维涂层复合试样或纤维试样中间部分的两个位置分别设置一个标记物；
将纤维涂层复合试样或纤维试样的两端夹持在高精度试验机上，采用低速加载方式对纤维涂层复合试样或纤维试样进行加载；
在不同载荷下采用光学变形测量设备同步测试两个标记物之间的变形量；
根据载荷和变形量计算得到纤维涂层复合试样或纤维试样的弹性模量。
7.根据权利要求6所述的纤维表面涂层弹性模量测试方法，其特征在于，所述纤维涂层复合试样或纤维试样的长度为100mm，两个标记物的间隔为20mm，所述标记物为毫发。
8.根据权利要求1-7任一所述的纤维表面涂层弹性模量测试方法，其特征在于，所述纤维表面涂层的厚度不小于0.2μm。
9.根据权利要求8所述的纤维表面涂层弹性模量测试方法，其特征在于，纤维表面涂层包括沉积或涂覆于纤维表面的金属涂层、陶瓷涂层和非晶涂层，所述纤维为金属纤维或非金属纤维。
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