CN112730744B - 基于微滴脱粘法的复合材料界面力学评价装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微滴脱粘法的复合材料界面力学评价装置及方法，该复合材料界面力学评价装置包括：相机微调装置，用于观察纤维微滴样品；设于相机微调装置侧面的测试主体装置，用于固定和移动纤维微滴样品；刀具调整装置，包括自下而上依次设置的刀具调整安装板、刀具调整连接块、XY微调滑块和刀具步进电机安装板，刀具步进电机安装板上前后分别安装有左刀具步进电机和右刀具步进电机，左刀具步进电机和右刀具步进电机上均安装有刀具微调装置，两个刀具微调装置上分别安装有左刀具和右刀具，左刀具和右刀具上均安装有用于刮落纤维微滴样品上微滴的刮刀；环境试验箱，用于为纤维微滴样品提供所需测试环境。

Description

基于微滴脱粘法的复合材料界面力学评价装置及方法

技术领域

本发明涉及复合材料界面力学性能测试技术领域，具体涉及一种基于微滴脱粘法的复合材料界面力学评价装置及方法。

背景技术

高性能碳纤维复合材料以轻质高强、可设计性强、耐疲劳等优点，成为国民经济和国防建设不可或缺的关键材料，其使用程度是衡量一个国家或地区现代工业先进水平的重要标志之一。

复合材料的共性特征是多层次、多尺度的异质、异构界面。界面作为碳纤维与树脂基体间应力传递的纽带，直接关系到复合材料内部应力的传递与分散，以及损伤和裂纹的传播，进而从本质上直接影响复合材料整体对载荷的响应，并控制复合材料的性能和服役行为。

因此，通过对树脂/纤维界面状态进行准确检测和评价，获取碳纤维复合材料界面性能，指导碳纤维表面改性对复合材料界面性质进行调控，是提升碳纤维复合材料力学性能和研发新型结构/功能碳纤维复合材料的有效途径和必备手段。

碳纤维增强复合材料界面性能，可分为宏观的层间剪切强度(ILSS)和微观的界面剪切强度(IFSS)。与ILSS相比，IFSS可更真实地从微观角度反映增强纤维与树脂之间的黏结行为及结合强度。

目前，常用的IFSS分析方法有纤维拔出、微滴脱粘、顶出、单丝断裂等方法。使用微滴脱粘法测量嵌入长度较为方便，可实现定量测试IFSS，也因此更适合基于此法研发用于测量IFSS的仪器。目前国内外基于微滴脱粘法开发的复合材料界面力学测试仪器可实现在常温下及高温下测试微滴试样的IFSS，却没有实现在低温下测试的仪器；且在高温环境中刀具易发生形变，调整比较困难。

发明内容

针对上述技术问题和本领域存在的不足之处，本发明提供了一种基于微滴脱粘法的复合材料界面力学评价装置，通过开发高温/低温环境试验箱，可实现在-80～200℃温度下测试界面力学性能；通过设计刀具微调装置，可实现在因温度影响刀具发生形变的时候进行微调。

一种基于微滴脱粘法的复合材料界面力学评价装置，包括：

相机微调装置，用于观察纤维微滴样品；

设于所述相机微调装置侧面的测试主体装置，用于固定和移动所述纤维微滴样品；

刀具调整装置，包括自下而上依次设置的刀具调整安装板、刀具调整连接块、XY微调滑块和刀具步进电机安装板，所述刀具步进电机安装板上前后分别安装有左刀具步进电机和右刀具步进电机，所述左刀具步进电机和右刀具步进电机上均安装有刀具微调装置，所述两个刀具微调装置上分别安装有左刀具和右刀具，所述左刀具和右刀具上均安装有用于刮落所述纤维微滴样品上微滴的刮刀；所述刀具微调装置用于精确调整刮刀位置，包括三层旋转微调装置，分别为X轴旋转微调装置、Y轴旋转微调装置和Z轴旋转微调装置；

环境试验箱，用于为所述纤维微滴样品提供所需测试环境。

作为优选，所述相机微调装置包括：

自下而上依次设置的相机调整安装板、相机调整连接板、XYZ三向微调滑块、角度微调滑块和用于观察所述纤维微滴样品的显微相机，所述XYZ三向微调滑块、角度微调滑块用于调整所述显微相机的焦点；

光源安装板，其上设有与所述显微相机对应的平行光源，所述刀具调整装置和纤维微滴样品均位于所述显微相机和平行光源之间。

作为优选，所述测试主体装置包括：

安装底座，其前端设有样品移动模组，所述样品移动模组底端轴上连接有用于控制所述纤维微滴样品移动的样品步进电机，所述样品移动模组前端设有样品移动安装板；

设于所述样品移动安装板上部的上夹具安装板，其上部设有传感器安装板，所述传感器安装板上设有用于记录测试过程力变化的力传感器，所述力传感器底部轴端连接有陶瓷连杆，所述陶瓷连杆的另一端穿过所述上夹具安装板且固结有上夹具，所述上夹具上设有可拆卸的纤维丝上夹具；

设于所述样品移动安装板底部的Z轴微调滑块，其上部设有下夹具连接板，所述下夹具连接板上设有下夹具连接杆，所述下夹具连接杆的另一端固结有下夹具，所述下夹具上设有可拆卸的纤维丝下夹具；

所述纤维微滴样品通过所述纤维丝上夹具和纤维丝下夹具固定。

作为优选，所述的复合材料界面力学评价装置，还包括样品夹具，用于可拆卸地安装所述纤维丝上夹具和纤维丝下夹具，从而用于固定纤维丝进行树脂涂抹和固化得到所述纤维微滴样品。

作为优选，所述环境试验箱包括试验箱安装板，所述试验箱安装板上设有试验箱连接板，所述试验箱连接板顶部设有连接板通孔和可拆卸的高温试验箱或低温试验箱；

所述高温试验箱为立式开启式管式炉结构，包括高温炉本体和内部的高温炉腔，采用电加热控温，所述高温炉本体上还设有与所述高温炉腔连通的高温试验箱通孔；高温测试时，所述高温试验箱通孔、连接板通孔与所述显微相机、平行光源位于同一观察线上，用于观察所述纤维微滴样品，所述纤维微滴样品、刮刀位于所述高温炉腔和高温试验箱通孔的相交处；

所述低温试验箱包括中空结构的低温箱本体，所述低温箱本体通过冷却液进管和冷却液出管外接制冷压缩机并形成冷却液循环回路，所述低温箱本体上还设有与其中空部分相连通的低温箱通孔；低温测试时，所述低温箱通孔、连接板通孔与所述显微相机、平行光源位于同一观察线上，用于观察所述纤维微滴样品，所述纤维微滴样品、刮刀位于所述中空部分和低温箱通孔的相交处，并且，所述复合材料界面力学评价装置设于一气密箱内，所述气密箱上设有用于抽真空和输入干燥气体的气管。

设置带有气管的气密箱，主要是发明人在低温测试时发现大气环境下会产生冷凝水，进而影响观察和测试结果。因此，低温测试时，先通过气管将气密箱内抽真空，然后通过气管通入干燥气体(如氮气)，这样就保证了气密箱内的测试环境无水汽，低温测试观察更清晰，结果更准确。

作为优选，所述相机微调装置、测试主体装置、刀具调整装置和环境试验箱均设于同一安装板上。

本发明还提供了所述的复合材料界面力学评价装置的使用方法，包括：

将纤维丝上夹具和纤维丝下夹具安装于样品夹具上，固定纤维丝，将树脂涂抹于纤维丝上，固化形成纤维微滴样品；

测试纤维微滴样品时，将纤维丝下夹具安装于下夹具上，纤维丝上夹具安装于上夹具上，并将样品夹具抽出，然后调整相机微调装置中的XYZ三向微调滑块和角度微调滑块，使显微相机在纤维微滴样品对焦，控制左刀具步进电机和右刀具步进电机调整刮刀位置使之靠近纤维微滴样品上的微滴，根据所需测试温度确定是否需要放置环境试验箱、气密箱，控制刀具微调装置以进一步精确调整刮刀位置使之靠近纤维微滴样品上的微滴，接着控制样品步进电机，使纤维微滴样品向上或向下移动，微滴被刮落，力传感器记录上述过程中力的变化，最后计算得到相应测试温度下的界面剪切强度。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：本发明的基于微滴脱粘法的复合材料界面力学评价装置，通过开发高温/低温环境试验箱，可实现在-80～200℃温度下测试界面力学性能，且解决了低温测试情况下的水汽冷凝阻碍观察、测试结果不准等问题；通过设计刀具微调装置，可实现在因温度影响刀具发生形变的时候进行微调。

附图说明

图1为实施例的基于微滴脱粘法的复合材料界面力学评价装置的结构示意图；

图2a、2b为实施例的相机微调装置的结构示意图；

图3为实施例的测试主体装置的结构示意图；

图4为实施例的样品夹具的结构示意图；

图5为实施例的刀具调整装置的结构示意图；

图6为实施例的刀具微调装置的结构示意图；

图7为实施例的高温试验箱的结构示意图；

图8为实施例的基于微滴脱粘法的复合材料界面力学评价装置使用高温试验箱时的结构示意图；

图9为实施例的基于微滴脱粘法的复合材料界面力学评价装置使用低温试验箱、气密箱时的结构示意图；

图中：01、安装平板；02、相机微调装置；20、相机调整安装板；201、相机调整连接板；202、XYZ微调滑块；203、角度微调滑块；204、显微相机；21、光源安装板；211、平行光源；03、测试主体装置；30、安装底座；301、样品步进电机；302、样品移动模组；303、样品移动安装板；31、上夹具安装板；311、传感器安装板；312、力传感器；313、陶瓷连杆；314、上夹具；32、Z轴微调滑块；321、下夹具连接板；322、下夹具连接杆；323、下夹具；33、样品夹具；331、纤维丝下夹具；332、纤维微滴样品；333、纤维丝上夹具；04、刀具调整装置；40、刀具调整安装板；401、刀具调整连接块；402、XY微调滑块；403、刀具步进电机安装板；404、左刀具步进电机；405、右刀具步进电机；41、刀具微调装置；411、Y轴旋转微调装置；412、X轴旋转微调装置；413、Z轴旋转微调装置；42、右刀具；43、左刀具；44、刮刀；05、环境试验箱；50、试验箱安装板；501、试验箱连接板；502、高温炉本体；503、连接板通孔；504、高温炉腔；505、高温试验箱通孔；510、低温箱本体；511、制冷压缩机；512、冷却液出管；513、冷却液进管；520、干燥气体罐；521、进气管；523、气密箱。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。X轴、Y轴为水平相互垂直的两个轴，Z轴为竖直纵向轴。

如图1所示，本实施例的基于微滴脱粘法的复合材料界面力学评价装置，包括：相机微调装置02、测试主体装置03、刀具调整装置04和环境试验箱05。相机微调装置02、测试主体装置03、刀具调整装置04和环境试验箱05均设于安装平板01上。相机微调装置02安装于安装平板01前部，测试主体装置03位于安装平板01中部，刀具调整装置04安装于安装平板01后端，环境试验箱05放置于安装平板01右侧。

相机微调装置02用于观察纤维微滴样品332。如图2a、2b所示，相机微调装置02包括自下而上依次设置的相机调整安装板20、相机调整连接板201、XYZ三向微调滑块202、角度微调滑块203和用于观察纤维微滴样品332的显微相机204，XYZ三向微调滑块202、角度微调滑块203用于调整显微相机204的焦点。相机调整安装板20以螺栓连接于安装平板01上。相机微调装置02还包括光源安装板21，其上设有与显微相机204对应的平行光源211，刀具调整装置04和纤维微滴样品332均位于显微相机204和平行光源211之间。

测试主体装置03设于相机微调装置02一侧，用于固定和移动纤维微滴样品332。如图3所示，测试主体装置03包括安装底座30，其前端设有样品移动模组302，样品移动模组302底端轴上连接有用于控制纤维微滴样品332移动的样品步进电机301，样品移动模组302前端设有样品移动安装板303。样品移动安装板303上部设有上夹具安装板31，其上部设有传感器安装板311，传感器安装板311上设有用于记录测试过程力变化的力传感器312，力传感器312底部轴端连接有陶瓷连杆313，陶瓷连杆313的另一端穿过上夹具安装板31且固结有上夹具314，上夹具314上设有可拆卸的纤维丝上夹具333。样品移动安装板303底部设有Z轴微调滑块32，其上部设有下夹具连接板321，下夹具连接板321上设有下夹具连接杆322，下夹具连接杆322的另一端固结有下夹具323，下夹具323上设有可拆卸的纤维丝下夹具331。纤维微滴样品332通过纤维丝上夹具333和纤维丝下夹具331固定。

如图4所示，本实施例的复合材料界面力学评价装置还包括弓形的样品夹具33，其弓形两端上可拆卸地滑块安装有纤维丝上夹具333和纤维丝下夹具331，从而用于固定纤维丝进行树脂涂抹和固化得到纤维微滴样品332。

如图5所示，刀具调整装置04包括自下而上依次设置的刀具调整安装板40、刀具调整连接块401、XY微调滑块402和刀具步进电机安装板403，刀具步进电机安装板403上前后分别安装有左刀具步进电机404和右刀具步进电机405，左刀具步进电机404和右刀具步进电机405上均安装有刀具微调装置41，两个刀具微调装置41上分别安装有左刀具43和右刀具42，左刀具43和右刀具42上均安装有用于刮落纤维微滴样品332上微滴的刮刀44。如图6所示，刀具微调装置41用于精确调整刮刀44位置，包括三层旋转微调装置，自下而上依次为Y轴旋转微调装置411、X轴旋转微调装置412和Z轴旋转微调装置413。

如图7～9所示，环境试验箱05用于为纤维微滴样品332提供所需测试环境，包括试验箱安装板50，试验箱安装板50上设有试验箱连接板501，试验箱连接板501顶部设有连接板通孔503和可拆卸的高温试验箱或低温试验箱510。

如图7所示，高温试验箱为立式侧边开启式管式炉结构，包括高温炉本体502和内部的竖向贯穿高温炉本体502的高温炉腔504，采用电加热控温，高温炉本体502上还设有与高温炉腔504连通的高温试验箱通孔505。如图8所示，高温测试时，高温试验箱通孔505、连接板通孔503与显微相机204、平行光源211位于同一观察线上，用于观察纤维微滴样品332，纤维微滴样品332、刮刀44位于高温炉腔504和高温试验箱通孔505的相交处。

如图9所示，低温试验箱包括与高温炉本体502结构类似、具有竖向贯通的中空结构的低温箱本体510，低温箱本体510通过冷却液进管513和冷却液出管512外接制冷压缩机511并形成冷却液循环回路，低温箱本体510上还设有与其中空部分相连通的低温箱通孔。低温测试时，所述低温箱通孔、连接板通孔503与显微相机204、平行光源211位于同一观察线上，用于观察纤维微滴样品332，纤维微滴样品332、刮刀44位于所述中空部分和低温箱通孔的相交处，并且，所述复合材料界面力学评价装置设于一气密箱523内，气密箱523上设有用于抽真空和输入干燥气体的气管522。抽出气密箱523内含有水汽的空气时，气管522连接真空泵等抽真空装置；向气密箱523内输入干燥气体时，气管522通过干燥气体(如干燥氮气)进气管521连接干燥气体罐520；如此可实现气密箱523内无水汽。将制冷压缩机511内的冷却液通过冷却液进管513通入低温箱本体510，并通过冷却液出管512循环到制冷压缩机511内，低温箱本体510内温度达到设定温度时进行测试。

上述复合材料界面力学评价装置的使用方法，包括：

将纤维丝上夹具333和纤维丝下夹具331安装于样品夹具33上，固定纤维丝，将树脂涂抹于纤维丝上，固化形成纤维微滴样品332；

测试纤维微滴样品332时，将纤维丝下夹具331安装于下夹具323上，纤维丝上夹具333安装于上夹具314上，并将样品夹具33抽出，然后调整相机微调装置02中的XYZ三向微调滑块202和角度微调滑块203，使显微相机204在纤维微滴样品332对焦，控制左刀具步进电机404和右刀具步进电机405调整刮刀44位置使之靠近纤维微滴样品332上的微滴，根据所需测试温度确定是否需要放置环境试验箱05、气密箱523，控制刀具微调装置41以进一步精确调整刮刀44位置使之靠近纤维微滴样品332上的微滴，接着控制样品步进电机301，使纤维微滴样品332向上或向下移动，微滴被刮落，力传感器312记录上述过程中力的变化，最后计算得到相应测试温度下的界面剪切强度。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于微滴脱粘法的复合材料界面力学评价装置，其特征在于，包括：

相机微调装置，用于观察纤维微滴样品；所述相机微调装置包括：自下而上依次设置的相机调整安装板、相机调整连接板、XYZ三向微调滑块、角度微调滑块和用于观察所述纤维微滴样品的显微相机，所述XYZ三向微调滑块、角度微调滑块用于调整所述显微相机的焦点；光源安装板，其上设有与所述显微相机对应的平行光源，刀具调整装置和纤维微滴样品均位于所述显微相机和平行光源之间；

设于所述相机微调装置侧面的测试主体装置，用于固定和移动所述纤维微滴样品；所述测试主体装置包括：安装底座，其前端设有样品移动模组，所述样品移动模组底端轴上连接有用于控制所述纤维微滴样品移动的样品步进电机，所述样品移动模组前端设有样品移动安装板；设于所述样品移动安装板上部的上夹具安装板，其上部设有传感器安装板，所述传感器安装板上设有用于记录测试过程力变化的力传感器，所述力传感器底部轴端连接有陶瓷连杆，所述陶瓷连杆的另一端穿过所述上夹具安装板且固结有上夹具，所述上夹具上设有可拆卸的纤维丝上夹具；设于所述样品移动安装板底部的Z轴微调滑块，其上部设有下夹具连接板，所述下夹具连接板上设有下夹具连接杆，所述下夹具连接杆的另一端固结有下夹具，所述下夹具上设有可拆卸的纤维丝下夹具；所述纤维微滴样品通过所述纤维丝上夹具和纤维丝下夹具固定；

样品夹具，用于可拆卸地安装所述纤维丝上夹具和纤维丝下夹具，从而用于固定纤维丝进行树脂涂抹和固化得到所述纤维微滴样品；

刀具调整装置，包括自下而上依次设置的刀具调整安装板、刀具调整连接块、XY微调滑块和刀具步进电机安装板，所述刀具步进电机安装板上前后分别安装有左刀具步进电机和右刀具步进电机，所述左刀具步进电机和右刀具步进电机上均安装有刀具微调装置，所述两个刀具微调装置上分别安装有左刀具和右刀具，所述左刀具和右刀具上均安装有用于刮落所述纤维微滴样品上微滴的刮刀；所述刀具微调装置用于精确调整刮刀位置，包括三层旋转微调装置，分别为X轴旋转微调装置、Y轴旋转微调装置和Z轴旋转微调装置；

环境试验箱，用于为所述纤维微滴样品提供所需测试环境；所述环境试验箱包括试验箱安装板，所述试验箱安装板上设有试验箱连接板，所述试验箱连接板顶部设有连接板通孔和可拆卸的高温试验箱或低温试验箱；

所述高温试验箱为立式开启式管式炉结构，包括高温炉本体和内部的高温炉腔，采用电加热控温，所述高温炉本体上还设有与所述高温炉腔连通的高温试验箱通孔；高温测试时，所述高温试验箱通孔、连接板通孔与所述显微相机、平行光源位于同一观察线上，用于观察所述纤维微滴样品，所述纤维微滴样品、刮刀位于所述高温炉腔和高温试验箱通孔的相交处；

所述低温试验箱包括中空结构的低温箱本体，所述低温箱本体通过冷却液进管和冷却液出管外接制冷压缩机并形成冷却液循环回路，所述低温箱本体上还设有与其中空部分相连通的低温箱通孔；低温测试时，所述低温箱通孔、连接板通孔与所述显微相机、平行光源位于同一观察线上，用于观察所述纤维微滴样品，所述纤维微滴样品、刮刀位于所述中空部分和低温箱通孔的相交处，并且，所述复合材料界面力学评价装置设于一气密箱内，所述气密箱上设有用于抽真空和输入干燥气体的气管。

2.根据权利要求1所述的复合材料界面力学评价装置，其特征在于，所述相机微调装置、测试主体装置、刀具调整装置和环境试验箱均设于同一安装板上。

3.根据权利要求1或2所述的复合材料界面力学评价装置的使用方法，其特征在于，包括：

将纤维丝上夹具和纤维丝下夹具安装于样品夹具上，固定纤维丝，将树脂涂抹于纤维丝上，固化形成纤维微滴样品；

测试纤维微滴样品时，将纤维丝下夹具安装于下夹具上，纤维丝上夹具安装于上夹具上，并将样品夹具抽出，然后调整相机微调装置中的XYZ三向微调滑块和角度微调滑块，使显微相机在纤维微滴样品对焦，控制左刀具步进电机和右刀具步进电机调整刮刀位置使之靠近纤维微滴样品上的微滴，根据所需测试温度确定是否需要放置环境试验箱、气密箱，控制刀具微调装置以进一步精确调整刮刀位置使之靠近纤维微滴样品上的微滴，接着控制样品步进电机，使纤维微滴样品向上或向下移动，微滴被刮落，力传感器记录上述过程中力的变化，最后计算得到相应测试温度下的界面剪切强度。

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