CN112540006A - 一种纤维束丝高温拉伸性能测试方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维束丝高温拉伸性能测试方法及装置，解决了现有方法无法准确测量纤维束丝高温拉伸性能的问题。纤维束丝高温拉伸性能测试装置包括拉伸试验机测试装置和高温加热装置；所述高温加热装置包括高温炉体，沿高温炉体轴向开设有贯穿高温炉体上端面和下端面的炉孔；所述炉孔内设有与所述炉孔的直径一致的套筒，所述套筒贯穿炉孔，实施时纤维束丝置于套筒内进行加热。本发明的纤维束丝高温拉伸性能测试方法及装置极大提高了测试的成功率及准确性。

Description

一种纤维束丝高温拉伸性能测试方法及装置
技术领域
本发明属于纤维拉伸性能测试技术领域，具体涉及一种纤维束丝高温拉伸性能测试方法及装置。
背景技术
氧化铝纤维是一种纤维状轻质耐火材料，它的直径一般为微米级，纤维表面呈光滑圆柱形。氧化铝纤维由于具有高熔点、低密度、高强度、以及优异的耐高温性能等特点，被认为是下一代透波/隔热一体化纤维增强陶瓷基结构材料的纤维原材料。在铝基增强复合材料及隔热隔音材料等领域有着广泛的应用价值。
氧化铝纤维拉伸性能的有效评测是保障复合材料质量的关键基础。作为耐高温材料，氧化铝纤维在高温环境下的拉伸性能是其最重要的性能指标之一。但经研究，氧化铝纤维束丝高温断裂强力测试都采用高温下对待测样品进行处理后冷却至室温进行拉伸测试，该方法并不能完全真实的反应纤维在高温条件下真实拉伸性能。目前国内尚没有纤维断裂强力高温在线测试的测试标准及方法。
发明内容
鉴于上述分析，本发明旨在提供一种纤维束丝高温拉伸性能测试方法及装置，用于测量纤维束丝高温拉伸性能。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一方面，本发明提供了一种纤维束丝高温拉伸性能测试装置，包括拉伸试验机测试装置和高温加热装置；所述高温加热装置包括高温炉体，沿高温炉体轴向开设有贯穿高温炉体上端面和下端面的炉孔；所述炉孔内设有与所述炉孔的直径一致的套筒，所述套筒贯穿炉孔，实施时纤维束丝置于套筒内进行加热。
进一步的，所述套筒的材料为氮化硅。
进一步的，所述炉孔处配有可自由开合的挡板。
进一步的，所述套筒外侧缠绕发热体线圈组，沿纤维束丝长度方向，发热体线圈组包括上段、中间段和下段。
进一步的，所述上段、中间段和下段能够单独进行加热。
进一步的，所述发热体线圈采用贵金属发热体线圈。
另一方面，本发明还提供了一种纤维束丝高温拉伸性能测试方法，采用上述的纤维束丝高温拉伸性能测试装置，包括：
步骤一：从待测纤维卷上取样固定在制样板上；
步骤二：将固定在制样板上的纤维束丝的两端用耐高温胶粘剂涂覆固化得到两端涂胶加强的纤维束丝；
步骤三：将制备好的纤维束丝试样从制样板上剪下，打开挡板，将纤维束丝试样从高温加热装置的套筒内穿过高温加热装置中心炉孔后，将高温加热装置滑动至拉伸试验机测试装置中间合适位置，将高温加热装置上部的纤维束丝涂胶加强端夹持在上部夹持端，再将纤维束丝的另一涂胶加强端固定在下部夹持端；
步骤四：关闭挡板，将高温加热装置升温至目标温度并保温；
步骤五：通过拉伸试验机测试装置测试，得到纤维束丝的拉伸断裂强力。
进一步的，所述步骤一中，从待测纤维卷上取样时，先弃掉至少2米长的纤维束，并且分多段选取样品。
进一步的，所述步骤一中，制样板上相对的两端分别固定有一排等间距排列的固定立柱，待测纤维束丝的两端分别固定在相对的两个固定立柱上。
进一步的，所述步骤四中，升温过程中，沿纤维束丝长度方向，下段、中间段和上段的加热功率依次减小。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
a)本发明提供的纤维束丝高温拉伸性能测试装置通过设置高温加热装置能够实现对纤维束丝加热后再测量高温下的纤维束丝的拉伸性能，测试结果跟实际情况更匹配；通过设置套筒，让纤维束丝在套筒内进行加热和拉伸测试，拉伸过程中断裂的纤维掉落在套筒内，防止在纤维拉伸断裂过程中产生的大量纤维碎屑附着在高温炉体内，对炉体及热电偶造成污染或损坏。
b)本发明的高温加热装置设置有可滑动可升降的轨道，实施过程中，高温加热装置可以移动，能够方便纤维束丝的快速更换，提高效率。
c)本发明的高温加热装置设置的炉孔处配有可自由开合的挡板，能够防止热量从炉孔处散出，提高炉腔内的温度均匀性；且挡板表面平整，不会对纤维造成损伤。
d)本发明的高温加热装置采用贵金属发热体线圈组，能满足当实验温度是1100-1200℃时也能够快速加热，且温度均匀性好。贵金属发热体线圈组采用三段控温，其中下段采用较中间段偏大功率加热，上段采用较中间段偏小功率加热，可实现快速升温至目标温度，保证了加热装置的加热效率和温度均匀性。
e)本发明的纤维束丝高温拉伸性能测试方法中，通过弃掉纤维卷外层纤维束并且分段选取样品进行制样，降低了误差；通过使用耐高温胶粘剂涂覆纤维束丝，使得纤维束丝两端被夹持部分得到加强，避免在高温拉伸过程中试样在端头断裂或者夹持滑脱现象，保证了测试的准确性。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体发明的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明中纤维束丝待测样品制备示意图；
图2为本发明的纤维束丝高温拉伸性能测试装置示意图；
图3为本发明的高温加热装置的剖面图；
图4为本发明的纤维束丝高温拉伸性能测试装置结构简图。
附图标记：
1-制样板，2-固定立柱，3-标线，4-纤维束丝，5-传感器，6-上部夹持端，7-挡板，8-高温加热装置，9-套筒，10-下部夹持端，11-底座，12-高温炉体。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施方式，其中，附图构成本发明的一部分，用于阐释本发明的原理。
发明人经过深入研究发现，氧化铝纤维束丝高温在线拉伸性能测试由于待测纤维束丝有效长度的影响，试样相对较长，其高温在线测试试样的夹持方式、高温炉内温度均匀性、纤维拉伸断裂过程中会产生短纤维碎屑污染高温炉体以及如何快速更换试样等问题，均是纤维束丝高温在线测试的关键技术，纤维束丝样试样的快速更换是影响高温在线测试效率的重要因素，高温加热装置内温度均匀性问题是影响高温在线测试准确性的重要因素，为解决纤维束丝高温拉伸性能在线测试问题，本发明提出一种纤维束丝高温拉伸性能测试方法及装置，实现了高温下纤维束丝拉伸性能的真实评价。
一方面，本发明提供了一种纤维束丝高温拉伸性能测试装置，如图2至图4所示，包括拉伸试验机测试装置、高温加热装置8和测试及数据处理系统；其中，拉伸试验机测试装置包括传感器5和试样夹持装置；高温加热装置8用于给待测纤维束丝提供高温加热环境，高温加热装置8包括高温炉体12，沿高温炉体12轴向开设有贯穿高温炉体上端面和下端面的炉孔；炉孔内设有与炉孔的直径一致的套筒9，所述套筒9贯穿炉孔，实施时纤维束丝置于套筒9内进行加热。
具体的，炉腔内设有热电偶，用于测量温度。
与现有的将纤维束丝加热后再冷却到室温后测量其拉伸性能相比，本发明的纤维束丝高温拉伸性能测试装置通过设置高温加热装置能够实现对纤维束丝加热后再测量高温下的纤维束丝的拉伸性能，测试结果跟实际情况更匹配；通过设置套筒，让纤维束丝在套筒内进行加热和拉伸测试，拉伸过程中断裂的纤维掉落在套筒内，防止在纤维拉伸断裂过程中产生的大量纤维碎屑附着在高温炉体内，对炉体及热电偶造成污染或损坏。
具体的，拉伸试验机测试装置与测试及数据处理系统通过电连接；拉伸试验机测试装置用于对制备好的纤维束丝进行拉伸断裂强力的测试，得到每一根纤维束丝的拉伸断裂强力数据；高温加热装置用于给待测纤维束丝提供高温加热环境，与拉伸试验机测试装置配合，实现高温在线测试；测试及数据处理系统用于对高温环境下的测试数据进行平均值、标准差和离散系数等数据处理，来确定最终的待测纤维束的拉伸断裂强力参数。
需要说明的是，套筒9的直径过大，则炉体的气密性较差，保温效果差；套筒9的直径过小则不利于纤维束丝的准确穿过。因此，控制套筒9的直径为23～30mm，例如25mm、26mm、27mm、28mm、29mm、30mm。
为了实现纤维束丝的快速加热，套筒9的导热性能需要优良。例如，套筒9的材料为氮化硅。
为了能够方便纤维束丝的快速更换，高温加热装置设置有可滑动可升降的轨道，实施过程中，高温加热装置可以移动。
需要说明的是，为了防止热量从炉孔处散出，炉孔处配有可自由开合的挡板7。将纤维束丝装入套筒之前，打开挡板7；将纤维束丝装入套筒9之后，关闭挡板7。
为了防止挡板7划伤纤维束丝，挡板7的表面平整，不会损伤纤维束丝。考虑到使用过程中，高温炉体12的炉孔处的温度较高，因此，挡板7需要选用耐高温材料，例如硅化物隔热棉。
具体的，试样夹持装置包括上部夹持端6和下部夹持端10。
需要说明的是，为了提高高温加热装置的加热效率，套筒9外侧直接缠绕发热体线圈组，沿纤维束丝长度方向，发热体线圈组包括三段，分别为上段、中间段、下段三段，每段均为圆形发热体线圈；为了能够方便调节，每段都设有温控单元，能够单独进行加热。
考虑到镍铬合金发热体线圈的加热极限是1200℃，当实验温度需要达到1100℃以上时，采用镍铬合金发热体线圈的加热时间长，且控温不好，因此，本发明的热体线圈采用贵金属发热体线圈，例如，铱、铑、铂。
考虑到整个发热体线圈组的高度H过大会导致纤维束丝有效长度受限，对于质量不好的纤维制样难度增大或可能无法完成测试；高度过小，加热时间过长，且加热均温效果不好。因此，控制C形发热体线圈组沿纤维束丝长度方向的高度H与待测纤维束丝的长度l符合如下关系：
l/5≤H≤l/2。
另一方面，本发明提供了一种纤维束丝高温拉伸性能测试方法，包括：
步骤一：从待测纤维卷上取样固定在制样板1上；
步骤二：将固定在制样板上的纤维束丝4的两端用耐高温胶粘剂涂覆固化得到两端涂胶加强的纤维束丝4；
步骤三：将制备好的纤维束丝4试样从制样板上剪下，打开挡板，将纤维束丝试样从高温加热装置的套筒内穿过高温加热装置中心炉孔后，将高温加热装置滑动至拉伸试验机测试装置中间合适位置，将高温加热装置上部的纤维束丝涂胶加强端夹持在上部夹持端，再将纤维束丝的另一涂胶加强端固定在下部夹持端；
步骤四：关闭挡板，将高温加热装置升温至目标温度并保温；
步骤五：通过拉伸试验机测试装置测试，得到纤维束丝的拉伸断裂强力；
步骤六：重复步骤三至步骤五，测试多根纤维束丝的拉伸断裂强力，计算平均值、标准差及离散系数。
需要说明的是，上述步骤一中，从待测纤维卷上取样时，要先弃掉至少2米长的纤维束，并且分多段选取样品，以消除纤维卷上外层纤维束丝存放过程中的损伤及集中取样给测试结果带来的误差。
具体的，如图1所示，上述步骤一中，制样板上相对的两端分别固定有一排等间距排列的固定立柱2，待测纤维束丝的两端分别固定在相对的两个固定立柱2上。
为了节省材料，提高制样速度，每排的固定立柱2的个数至少10个。
具体的，上述步骤一中，制样板上两排固定立柱之间有两条标线3，标线3与较近一排立柱之间的距离即纤维束丝涂胶加强长度L0，两标线间距离即纤维束丝测试长度为D。
具体的，上述步骤一中，固定立柱可以采用钉子、螺钉或其他的细圆柱材料，可以通过钉入、榫接、粘接等方式固定在制样板上；优选的，通过钉子钉入方式固定在制样板上。待测纤维束丝可通过缠绕、结扣与粘接等方式固定在立柱上；优选的，采用缠绕方式固定。
具体的，上述步骤二中，在制样板上的纤维束丝两端用耐高温胶粘剂涂覆时，涂胶加强端为制样板上固定立柱与制样板上相邻近标线之间的纤维。使用耐高温胶粘剂涂覆纤维束丝，使得纤维束丝两端被夹持部分得到加强，避免在高温拉伸过程中试样在端头断裂或者夹持滑脱现象，保证了测试效果及效率，且离散系数控制在10％以内。
具体的，上述步骤四中，考虑到热量是自下向上传递，为了实现快速升温至目标温度且保证较好的均温性，升温过程中，下段采用较中间段偏大的功率加热，上段采用较中间段偏小的功率加热；即沿纤维束丝长度方向，下段、中间段和上段的加热功率依次减小。
与现有技术相比，本发明提供的纤维束丝高温拉伸性能测试装置通过设置高温加热装置能够实现对纤维束丝加热后再测量高温下的纤维束丝的拉伸性能，测试结果跟实际情况更匹配；通过设置套筒，让纤维束丝在套筒内进行加热和拉伸测试，拉伸过程中断裂的纤维掉落在套筒内，防止在纤维拉伸断裂过程中产生的大量纤维碎屑附着在高温炉体内，对炉体及热电偶造成污染或损坏。
本发明的高温加热装置设置有可滑动可升降的轨道，实施过程中，高温加热装置可以移动，能够方便纤维束丝的快速更换，提高效率。
本发明的高温加热装置设置的炉孔处配有可自由开合的挡板，能够防止热量从炉孔处散出，提高炉腔内的温度均匀性；且挡板表面平整，不会对纤维造成损伤。
本发明的高温加热装置采用贵金属发热体线圈组，能满足当实验温度是1100-1200℃时也能够快速加热，且温度均匀性好。贵金属发热体线圈组采用三段控温，其中下段采用较中间段偏大功率加热，上段采用较中间段偏小功率加热，可实现快速升温至目标温度，保证了加热装置的加热效率和温度均匀性。
本发明的纤维束丝高温拉伸性能测试方法中，通过弃掉纤维卷外层纤维束并且分段选取样品进行制样，降低了误差；通过使用耐高温胶粘剂涂覆纤维束丝，使得纤维束丝两端被夹持部分得到加强，避免在高温拉伸过程中试样在端头断裂或者夹持滑脱现象，保证了测试的准确性。
实施例1
如图2至图4所示，本实施例提供了一种纤维束丝高温拉伸性能测试装置，包括拉伸试验机测试装置、高温加热装置8和测试及数据处理系统；其中，拉伸试验机测试装置包括传感器5和试样夹持装置；高温加热装置8包括高温炉体12，沿高温炉体12轴向开设有贯穿高温炉体上端面和下端面的炉孔；炉孔内设有与炉孔的直径一致的套筒9，所述套筒9贯穿炉孔，实施时纤维束丝置于套筒9内进行加热；炉孔处配有可自由开合的挡板7；挡板7的材料为硅化物隔热棉。
具体的，炉腔内设有热电偶，用于测量温度。
具体的，试样夹持装置包括上部夹持端6和下部夹持端10
具体的，套筒9的直径为25mm；套筒9的材料为氮化硅。
具体的，套筒9外侧直接缠绕发热体线圈组，沿纤维束丝长度方向，发热体线圈组包括三段，分别为上段、中间段、下段三段，每段均为圆形发热体线圈；每段都设有温控单元，能够单独进行加热。其中，发热体线圈的材质为铱。
具体的，整个发热体线圈组的高度H为65mm。
具体的，高温加热装置8设置有可滑动可升降的轨道，实施过程中，高温加热装置可以移动。
具体的，拉伸试验机测试装置设置于底座11上。
实施例2
本实施例提供了一种纤维束丝高温拉伸性能测试方法，采用上述实施例1的纤维束丝高温拉伸性能测试装置，包括：
步骤一：将待测氧化铝纤维束丝从纤维卷上拉出，先弃掉3米长纤维束，并且分多段选取样品，绕制在制样板面板上两端的固定立柱上，使纤维呈拉直但不紧绷状态；将纤维束丝两端用耐高温胶粘剂涂覆固化。制样板尺寸为800mm×500mm，固定立柱与其邻近的标线之间的距离为L0＝10mm，两条标线之间的距离为D＝200mm。
步骤二：将制备好的纤维束丝4试样从制样板上剪下，打开挡板，将纤维束丝试样从高温加热装置的套筒内穿过高温加热装置中心炉孔后，将高温加热装置滑动至拉伸试验机测试装置中间合适位置，将高温加热装置上部的纤维束丝涂胶加强端夹持在上部夹持端，再将纤维束丝的另一涂胶加强端固定在下部夹持端；
步骤三：关闭挡板，按照高温加热装置各项参数设定好程序升温，以20℃/min的速度加热至1100℃，保温60min；
步骤四：启动试验机，以200mm/min的速度进行拉伸测试，直至将纤维束丝拉断；
步骤五：重复步骤二至步骤四，测试多根纤维束丝的拉伸断裂强力，计算平均值、标准差及离散系数。
检测结果如下表1所示，由表1可以看出，本发明的10根氧化铝纤维束丝在1100℃下的断裂强力平均值为68.2N，标准差为4.5，离散系数为6.6％，高温下的氧化铝纤维束丝断裂强力测试数据稳定，离散性小，说明此方法能够真实有效的评价高温下的氧化铝纤维束丝的拉伸性能。
表1检测结果
序号 断裂强力(N)
1 68.06
2 73.33
3 75.21
4 63.00
5 63.62
6 71.92
7 62.05
8 66.16
9 70.27
10 68.52
平均值(GPa) 68.2
标准差 4.5
离散系数(％) 6.6
本发明考虑到了待测纤维束丝取样及制样过程中可能引入的随机误差，通过弃掉纤维卷外层纤维束并且分段选取样品进行制样，降低了误差；通过对高温加热装置进行升级改造，内部安装氧化铝套筒，既保护了高温炉体及热电偶不受纤维碎屑污染或损伤，更方便了高温下快速更换测试样品，大大的提高了测试效率，炉孔处安装了可开合的耐高温的挡板且挡板表面平整不会对纤维造成损伤，大大减小了高温炉孔的散热，保证了炉内温度的均匀性，保证了测试的准确性，使得纤维束丝高温环境下力学性能得到了有效评价，且离散系数控制在10％以内。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纤维束丝高温拉伸性能测试装置，其特征在于，包括拉伸试验机测试装置和高温加热装置(8)；
所述高温加热装置(8)包括高温炉体(12)，沿高温炉体(12)轴向开设有贯穿高温炉体上端面和下端面的炉孔；
所述炉孔内设有与所述炉孔的直径一致的套筒(9)，所述套筒(9)贯穿炉孔，实施时纤维束丝置于套筒(9)内进行加热。
2.根据权利要求1所述的纤维束丝高温拉伸性能测试装置，其特征在于，所述套筒(9)的材料为氮化硅。
3.根据权利要求1所述的纤维束丝高温拉伸性能测试装置，其特征在于，所述炉孔处配有可自由开合的挡板(7)。
4.根据权利要求1所述的纤维束丝高温拉伸性能测试装置，其特征在于，所述套筒(9)外侧缠绕发热体线圈组，沿纤维束丝长度方向，发热体线圈组包括上段、中间段和下段。
5.根据权利要求4所述的纤维束丝高温拉伸性能测试装置，其特征在于，所述上段、中间段和下段能够单独进行加热。
6.根据权利要求4所述的纤维束丝高温拉伸性能测试装置，其特征在于，所述发热体线圈采用贵金属发热体线圈。
7.一种纤维束丝高温拉伸性能测试方法，其特征在于，采用权利要求1-6所述的纤维束丝高温拉伸性能测试装置，包括：
步骤一：从待测纤维卷上取样固定在制样板(1)上；
步骤二：将固定在制样板上的纤维束丝(4)的两端用耐高温胶粘剂涂覆固化得到两端涂胶加强的纤维束丝(4)；
步骤三：将制备好的纤维束丝(4)试样从制样板上剪下，打开挡板，将纤维束丝试样从高温加热装置的套筒内穿过高温加热装置中心炉孔后，将高温加热装置滑动至拉伸试验机测试装置中间合适位置，将高温加热装置上部的纤维束丝涂胶加强端夹持在上部夹持端，再将纤维束丝的另一涂胶加强端固定在下部夹持端；
步骤四：关闭挡板，将高温加热装置升温至目标温度并保温；
步骤五：通过拉伸试验机测试装置测试，得到纤维束丝的拉伸断裂强力。
8.根据权利要求7所述的纤维束丝高温拉伸性能测试方法，其特征在于，所述步骤一中，从待测纤维卷上取样时，先弃掉至少2米长的纤维束，并且分多段选取样品。
9.根据权利要求7所述的纤维束丝高温拉伸性能测试方法，其特征在于，所述步骤一中，制样板上相对的两端分别固定有一排等间距排列的固定立柱(2)，待测纤维束丝的两端分别固定在相对的两个固定立柱(2)上。
10.根据权利要求7所述的纤维束丝高温拉伸性能测试方法，其特征在于，所述步骤四中，升温过程中，沿纤维束丝长度方向，下段、中间段和上段的加热功率依次减小。
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