CN113155570B - 层间拉伸试验样品的制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种层间拉伸试验样品的制备装置，其包括一底座，底座包括底板和间隔设置底板上的两块立板，在底板的上表面设置有具有V型槽的承托件，在两块立板上分别设置有销钉和压紧螺栓；V型槽用于放置具有第一加载杆和第二加载杆的层间拉伸试验样品，销钉和压紧螺栓能够分别抵压在第一加载杆和第二加载杆上；在底板上安装有定位盖板，定位螺栓将定位盖板可拆卸地安装在底板上，定位盖板将层间拉伸试验样品抵压在V型槽内。本申请还公开了采用上述制备来制备层间拉伸试验样品的制备方法。利用本制备装置，能够保证试样、第一加载杆和第二加载杆之间的同轴度，并能够使第一加载杆和第二加载杆对中一致地胶接在试样上，并保证了胶接强度。

Description

层间拉伸试验样品的制备装置及制备方法

技术领域

本发明涉及一种纤维增强复合材料的层间拉伸试验样品的制备装置及制备方法。

背景技术

目前，由于没有“层间拉伸”试验的相关标准及方法，常用“短梁剪切”的方法代替，但是采用“短梁剪切”所得到“短梁剪切强度”只是一个与“层间拉伸强度”有关的参数，并不能真正反映复合材料层合板的层间性能。

复合材料层合板的层间拉伸试验方法是一种直接面外加载试验方法，其参数是表征复合材料厚度方向层间性能的重要依据，是用于结构设计与分析、质量保证及研究与开发的重要数据。随着复合材料产业的大力发展以及复合材料在结构上的大量应用，规范厚度方向面外拉伸试验的试样设计，制样工装，试验夹具、操作流程和数据处理方法，为复合材料及其结构研制提供合理、可信的试验数据，对复合材料研发和型号研制具有着重要的意义。

在进行纤维增强复合材料层间拉伸试验之前，需要用树脂胶将复合材料试样与金属加载杆胶接起来。由于目前缺乏有效的胶结工装，目前常用的是立式胶接方式，具体步骤为：现场将胶粘剂的组分混合，制成胶粘剂，然后将胶粘剂涂抹在复合材料试样的两个相对的端面上；将一根金属杆直立在玻璃板上，将复合材料试样放置在该直立的金属杆上，并使复合材料试样的一个端面抵压在该直立的金属杆的顶部，再将另一根金属杆从上向下抵压在复合材料试样的另一个端面上，使两根金属杆分别胶接在复合材料试样相对的两端，制成试样。在制样过程中，完全依靠肉眼进行定位，并依靠金属杆的自重来控制胶膜的厚度。

但是由于胶粘剂的粘度较大，涂抹至复合材料试样表面时，均匀性较差，另外为了保证胶接的牢固性，常常会施加过量的胶粘剂，导致产生溢胶现象，影响试验数据的准确性。

发明内容

为解决上述问题，本发明首先提出了一种层间拉伸试验样品的制备装置，其包括一底座，该底座包括一底板和两块立板，该底板的上表面形成为工作面，两块立板间隔设置在该工作面上，两块立板均沿第一轴线方向延伸，在该工作面上设置有至少一个承托件，该承托件具有一开口朝上的V型槽，该V型槽沿第二轴线方向延伸，第一轴线方向和第二轴线方向均沿水平方向延伸、且相互垂直，承托件位于两块立板之间；

对应于每个V型槽，在其中一块立板上设置有一销钉，在另一块立板上旋拧有一压紧螺栓；

该V型槽用于放置层间拉伸试验样品，该层间拉伸试验样品包括试样和胶接在该试样相对的两端的第一加载杆和第二加载杆，在试样与第一加载杆和第二加载杆之间均设置有胶膜，试样、第一加载杆和第二加载杆同轴设置；当该V型槽内放置有层间拉伸试验样品时，销钉能够抵压在第一加载杆上，压紧螺栓能够抵压在第二加载杆上；

在该底板上安装有定位盖板，定位螺栓将定位盖板可拆卸地安装在底板上，定位盖板将层间拉伸试验样品抵压在V型槽内。优选设置有3-20个承托件。

本申请中的层间拉伸试验样品具体采用纤维增强复合材料制作，即本申请中的制备装置用于制备纤维增强复合材料的层间拉伸试验样品。

利用本制备装置，能够保证试样、第一加载杆和第二加载杆之间的同轴度，并能够使第一加载杆和第二加载杆对中一致地胶接在试样上，在制备层间拉伸试验样品时，需要将本制备装置连同试样、第一加载杆和第二加载杆一起放入到干燥箱内，由于有压紧螺栓在轴向上的限制，以及定位盖板和承托件在径向向上的限制，在干燥过程中，试样、第一加载杆和第二加载杆三者之间不会产生移位现象，保证了三者的同轴度以及胶接强度。在本申请中，将层间拉伸试验样品的长度方向称为轴向，垂直于长度方向的方向称为径向。

具体地，该试样呈中间细、两端粗的形状，试样包括中间部和设置在中间部两端的第一端部和第二端部，第一端部和第二端部均为截面呈正方形的方形柱，且第一端部与第二端部的截面形状与大小均相同；

第一加载杆包括第一连接头和连接在第一连接头上的第一抵压杆，其中第一连接头为截面呈正方形的方形柱，且第一连接头具有呈正方形的第一连接面，该第一连接面与第一端部背离中间部的端面相同，第一加载杆经该第一连接面胶接到第一端部背离中间部的端面上；

第二加载杆包括第二连接头和连接在第二连接头上的第二抵压杆，其中第二连接头为截面呈正方形的方形柱，且第二连接头具有呈正方形的第二连接面，该第二连接面与第二端部背离中间部的端面相同，第二加载杆经该第二连接面胶接到第二端部背离中间部的端面上；

该V型槽的角度为90°，当将该层间拉伸试验样品放置在V型槽内时，第一连接头至少部分位于V型槽内，且第二连接头至少部分位于V型槽内；

定位盖板抵压在第一连接头、第二连接头和试样上，且定位盖板跨越第一连接头与第一端部之间的缝隙、以及第二连接头与第二端部之间的缝隙。

该设计能够使定位盖板至少部分封闭第一连接头与第一端部之间的朝向上方的缝隙、以及第二连接头与第二端部之间的朝向上方的缝隙。V型槽能够至少部分封闭第一连接头与第一端部之间的朝向下方的缝隙、以及第二连接头与第二端部之间的朝向下方的缝隙。

定位盖板可以为一块或多块，当定位盖板为一块时，可以设置一个角度为90°V型槽，然后将这个定位盖板扣合在层间拉伸试验样品上，以封闭一连接头与第一端部之间的缝隙、以及第二连接头与第二端部之间的缝隙。当定位盖板为多块时，可以将定位盖板布置在层间拉伸试验样品的第一轴线方向的两侧，且对应于第一连接头与第一端部之间的缝隙、以及第二连接头与第二端部之间的缝隙均布置一块盖板。

由于第一端部、第二端部、第一连接头和第二连接头均为方形柱，能够平整地贴合在V型槽的表面上，避免胶膜向外溢出第一端部与第一连接头之间的缝隙，以及第二端部与第二连接头之间的缝隙，且能够使胶膜充满第一端部与第一连接头之间的缝隙，以及第二端部与第二连接头之间的缝隙。保证第一端部与第一连接头之间、以及第二端部与第二连接头之间形成稳定的连接。

进一步，为保证对第一连接头、第一端部、第二连接头以及第二端部形成均衡的压力，在定位盖板与层间拉伸试验样品之间垫设有垫板，该垫板至少部分封闭第一连接头与第一端部之间的缝隙、且至少部分封闭第二连接头与第二端部之间的缝隙。通过垫板，使压力均匀地施加在第一连接头、第一端部、第二连接头以及第二端部上，且利用垫板还可以降低定位盖板的加工精度，以降低设备的制作费用。

进一步，在第一加载杆背离试样的一端设置有一销孔，销钉能够插入到该销孔内；在第二加载杆背离试样的一端设置有一光孔，压紧螺栓能够自由地插入到该光孔内。利用销孔，能够使第一加载杆与销钉之间保持稳定，避免滑动；利用光孔，能够使第二加载杆与压紧螺栓之间保持稳定，避免滑动。由于采用了光孔形式，压紧螺栓在自由地插入到该光孔内时，不影响压紧螺栓的旋拧，在旋拧压紧螺栓时，仅仅对第二加载杆生产挤压作用，不会使第二加载杆产生旋转，保证了第二加载杆与试样之间的稳定胶接。

进一步，为便于承托件的安装，在工作面上安装有两个定位件，该两个定位件位于两块立板之间，每个定位件均包括沿第一轴线方向顺序设置的至少两个定位板，相邻两个定位板之间形成一开口朝上的呈V型的定位卡口，两个定位件上的定位卡口一一对应，两个相对应的定位卡口共同形成一个支撑卡槽，每个支撑卡槽内安装有一个承托件。具体地，至少有一个定位件为整体式结构或至少有一定位件为分体式结构。

进一步，为便于安装和拆卸，定位螺栓将定位盖板可拆卸地安装在定位板上。

其次，本申请还提供一种层间拉伸试验样品的制备方法，其采用上述任一项所述的制备装置进行，该制备方法包括如下步骤：

(1)将第一加载杆放置在V型槽内，然后用销钉将第一加载杆定位；

(2)将两端粘结有胶膜的试样放置在V型槽内，然后将第二加载杆放置在V型槽内，并使试样位于第一加载杆和第二加载杆之间，然后旋拧压紧螺栓，直到第一设定扭矩，使第一加载杆和第二加载杆抵压在试样的两端；该胶膜内含有增强纤维；

(3)安装定位盖板，旋拧定位螺栓，直到第二设定扭矩，将试样抵压在V型槽内；

(4)将携带试样的制备装置放置到干燥箱内，使胶膜固化，然后拆卸定位盖板，得到层间拉伸试验样品，该层间拉伸试验样品包括试样和胶接在试样两端的第一加载杆和第二加载杆。为避免胶膜的粘结在V型槽的表面以及盖板上，在V型槽的表面以及定位盖板朝向试样的侧面均涂抹有脱模剂，脱模剂可采用硅氧烷化合物、聚醚系列脱模剂等。

利用该制备方法，能够使第一加载杆、第二加载杆和试样最大限度地沿同一轴线设置，即同轴设置。直接采用胶膜作为胶接剂，不仅免除了胶接前对胶接剂的现场配制，而且胶膜本身厚度均匀，能达到快速粘结到试样两端。另外由于胶膜内含有增强纤维，在进行固化时，增强纤维可以有效锁定胶体，避免由于胶体产生流动，而导致胶接面出现“贫胶”现象，使第一加载杆、第二加载杆与试样之间的胶接强度出现不匀现象，影响检测的准确性。

具体地，该胶膜为环氧胶膜，在固化时，首先按照2-4℃/min的升温速度将温度升高到120-125℃，然后保持温度1.8-2.5小时后，停止加热，自然降温到60℃至室温。在上述条件下，能够保证胶膜完全固化，且不会出现胶体流动现象。

进一步，为了保证层间拉伸试验样品的质量，第一设定扭矩为5-10N·m，第二设定扭矩2-3N·m。在上述压力下，能够有效地保证第一加载杆、第二加载杆和试样的同轴度，在上述扭矩下，能够保证第一加载杆、第二加载杆与试样之间的胶接强度。

附图说明

图1是本发明的一实施例的结构示意图。

图2为定位件在底座上的安装示意图。

图3为层间拉伸试验样品的示意图。

具体实施方式

以下首先说明层间拉伸试验样品的结构。

请参阅图3，图3中，标记为S的箭头的指向表示层间拉伸试验样品的长度方向，该长度方向称为轴向，垂直于长度方向的方向称为径向。

该层间拉伸试验样品具体包括试样61和胶接在试样61两端的第一加载杆63和第二加载杆67，在试样与第一加载杆和第二加载杆之间均设置有胶膜，该胶膜内含有增强纤维；试样、第一加载杆和第二加载杆同轴设置。试样61呈中间细、两端粗的形状，具体包括中间部611和设置在中间部两端的第一端部612和第二端部613，中间部、第一端部和第二端部均为截面呈正方形的方形柱，且中间部、第一端部和第二端部同轴设置。第一端部和第二端部与中间部之间均采用圆弧过渡，试样61采用纤维增强复合材料整体制成。第一端部和第二端的结构相同，使第一端部与第二端部的截面形状与大小均相同。

第一加载杆63和第二加载杆67的结构类似，其中第一加载杆63包括第一连接头632和连接在第一连接头上的第一抵压杆633，其中第一连接头为截面呈正方形的方形柱，且第一连接头具有呈正方形的第一连接面，该第一连接面与第一端部背离中间部的端面相同，第一连接面经胶膜胶接到第一端部背离中间部的端面上。在第一抵压杆633背离试样的一端设置有一销孔631，即在第一加载杆背离试样的一端设置有一销孔。

第二加载杆67包括第二连接头672和连接在第二连接头上的第二抵压杆673，其中第二连接头为截面呈正方形的方形柱，且第二连接头具有呈正方形的第二连接面，该第二连接面与第二端部背离中间部的端面相同，第二连接面经胶膜胶接到第二端部背离中间部的端面上。在第二抵压杆673背离试样的一端设置有一光孔671，即在第二加载杆背离试样的一端设置有一光孔。

以下说明层间拉伸试验样品的制备装置的结构。请参阅图1，图1中，标记为M的箭头的指向表示第一轴线方向，标记为N的箭头的指向表示第二轴线方向，第一轴线方向与第二轴线方向均沿水平方向延伸、且相互垂直。

该制备装置包括一底座10，该底座10包括一底板11和两块立板，两块立板分别为第一立板12和第二立板13，该底板11的上表面形成为工作面111，两块立板间隔设置在该工作面111上，两块立板均沿第一轴线方向延伸。

请同时参阅图2，在工作面111上安装有两个定位件20，该两个定位件20位于两块立板之间，每个定位件20均包括沿第一轴线方向顺序设置的五个定位板21，相邻两个定位板之间形成一开口朝上的呈V型的定位卡口23，两个定位件上的定位卡口一一对应，两个相对应的定位卡口共同形成一个支撑卡槽。

本实施例中，每个定位板单独制作，且同一定位件内的定位板沿第一轴线方向顺序设置且间隔布置，即每个定位件均为分体式结构。可以理解，在另一实施例中，定位件还可以为整体式结构，且同一定位件内的定位板沿第一轴线方向顺序设置。在定位板的顶部开设有螺栓孔22。

每个支撑卡槽内安装有一个承托件31，承托件31经支撑卡槽间接安装在工作面上，即该承托件31安装在工作面上，且位于两个立板之间。

本实施例中，共设置有四个承托件31，四个承托件31均具有一开口朝上的V型槽33，V型槽33沿第二轴线方向延伸，V型槽33的角度为90°。

对应于每个V型槽，在第一立板12上设置有一销钉14，在第二立板13上旋拧有一压紧螺栓15；当该V型槽内放置有层间拉伸试验样品时，销钉14能够抵压在第一加载杆上，且销钉14能够插入到销孔631内，压紧螺栓能够抵压在第二加载杆上，且压紧螺栓能够自由地插入到光孔671内。

本实施例中，当将层间拉伸试验样品放置在V型槽内时，第一连接头全部位于V型槽内，且第二连接头全部位于V型槽内，V型槽将第一连接头与第一端部之间的朝向下方的缝隙、以及第二连接头与第二端部之间的朝向下方的缝隙完全封闭。

可以理解，在其他实施例中，第一连接头还可以仅部分位于V型槽内，或者第二连接头仅部分位于V型槽内。

定位盖板41抵压在层间拉伸试验样品上，为平衡对第一连接头、第二连接头、第一端部以及第二端部的压力，本实施例中，在定位盖板41与层间拉伸试验样品之间垫设有垫板45。本实施例中，对应于每个层间拉伸试验样品，在第一轴线方向的两侧各设置有两块定位盖板，同一侧的两块定位盖板对应于一块垫板，两块垫板呈90°夹角布置在层间拉伸试验样品的两侧，且完全封闭第一连接头与第一端部之间的朝向上方的缝隙、以及第二连接头与第二端部之间的朝向上方的缝隙。

可以理解，在其他实施例中，还可以取消垫板，直接将定位盖板抵压在层间拉伸试验样品上。并使定位盖板完全封闭第一连接头与第一端部之间的朝向上方的缝隙、以及第二连接头与第二端部之间的朝向上方的缝隙。

定位螺栓43旋拧在螺栓孔内，将定位盖板可拆卸地安装在定位板上，使定位盖板经垫板将层间拉伸试验样品抵压在V型槽内。即定位螺栓经垫板将定位盖板可拆卸地安装在定位板上。即定位螺栓间接地将定位盖板可拆卸地安装在底板上。

为提高立板的强度，在立板的外侧面安装有支撑角板19，该支撑板固定安装在底板上。

以下对层间拉伸试验样品的制备方法进行说明，该制备方法采用上述的制备装置进行，该制备方法包括如下步骤：

(1)在V型槽内涂抹脱模剂，将第一加载杆放置在V型槽内，然后用销钉将第一加载杆定位。

(2)将两端胶接有胶膜的试样放置在V型槽内，然后将第二加载杆放置在V型槽内，并使试样位于第一加载杆和第二加载杆之间，然后旋拧压紧螺栓，直到第一设定扭矩，使第一加载杆和第二加载杆抵压在试样的两端。

本实施例中，第一设定扭矩为8N·m，可以理解，在其他实施例中，第一设定扭矩还为5N·m、6N·m或10N·m。

(3)安装垫板、定位盖板，旋拧定位螺栓，直到第二设定扭矩，将试样抵压在V型槽内；并在垫板朝向试样的一侧涂抹有脱模剂。可以理解，在另一实施例中，当未设置垫板时，需要在定位盖板朝向试样的一侧涂抹脱模剂。

本实施例中，第二设定扭矩为3N·m，可以理解，在其他实施例中，第二设定扭矩还为2N·m或2.5N·m。

(4)将携带试样的制备装置放置到干燥箱内，使胶膜固化，然后拆卸定位盖板，得到层间拉伸试验样品，该层间拉伸试验样品包括试样和胶接在试样两端的第一加载杆和第二加载杆。

本实施例中，胶膜采用黑龙江石化院型号为J-95的高温环氧胶膜，在固化时，首先按照3℃/min的速度将温度升高到120℃，然后保持温度2小时后，停止加热，自然降温到室温。

可以理解，在其他实施例中，升温速度还可以为2℃/min或4℃/min，并将温度升高到122℃或125℃，然后保持温度1.8小时或2.5小时后，停止加热，自然降温到60℃至室温。

Claims (8)

1.层间拉伸试验样品的制备装置，其特征在于，包括一底座，该底座包括一底板和两块立板，该底板的上表面形成为工作面，两块立板间隔设置在该工作面上，两块立板均沿第一轴线方向延伸，在该工作面上设置有至少一个承托件，该承托件具有一开口朝上的V型槽，该V型槽沿第二轴线方向延伸，第一轴线方向和第二轴线方向均沿水平方向延伸、且相互垂直，承托件位于两块立板之间；

对应于每个V型槽，在其中一块立板上设置有一销钉，在另一块立板上旋拧有一压紧螺栓；

该V型槽用于放置层间拉伸试验样品，该层间拉伸试验样品包括试样和胶接在该试样相对的两端的第一加载杆和第二加载杆，在试样与第一加载杆和第二加载杆之间均设置有胶膜，试样、第一加载杆和第二加载杆同轴设置；当该V型槽内放置有层间拉伸试验样品时，销钉能够抵压在第一加载杆上，压紧螺栓能够抵压在第二加载杆上；

在该底板上安装有定位盖板，定位螺栓将定位盖板可拆卸地安装在底板上，定位盖板将层间拉伸试验样品抵压在V型槽内；在定位盖板与层间拉伸试验样品之间垫设有垫板，该垫板至少部分封闭第一连接头与第一端部之间的缝隙、且至少部分封闭第二连接头与第二端部之间的缝隙；

在工作面上安装有两个定位件，该两个定位件位于两块立板之间，每个定位件均包括沿第一轴线方向顺序设置的至少两个定位板，相邻两个定位板之间形成一开口朝上的呈V型的定位卡口，两个定位件上的定位卡口一一对应，两个相对应的定位卡口共同形成一个支撑卡槽，每个支撑卡槽内安装有一个承托件。

2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，

该试样呈中间细、两端粗的形状，试样包括中间部和设置在中间部两端的第一端部和第二端部，第一端部和第二端部均为截面呈正方形的方形柱，且第一端部与第二端部的截面形状与大小均相同；

第一加载杆包括第一连接头和连接在第一连接头上的第一抵压杆，其中第一连接头为截面呈正方形的方形柱，且第一连接头具有呈正方形的第一连接面，该第一连接面与第一端部背离中间部的端面相同，第一加载杆经该第一连接面胶接到第一端部背离中间部的端面上；

第二加载杆包括第二连接头和连接在第二连接头上的第二抵压杆，其中第二连接头为截面呈正方形的方形柱，且第二连接头具有呈正方形的第二连接面，该第二连接面与第二端部背离中间部的端面相同，第二加载杆经该第二连接面胶接到第二端部背离中间部的端面上；

该V型槽的角度为90°，当将该层间拉伸试验样品放置在V型槽内时，第一连接头至少部分位于V型槽内，且第二连接头至少部分位于V型槽内；

定位盖板抵压在第一连接头、第二连接头和试样上，且定位盖板跨越第一连接头与第一端部之间的缝隙、以及第二连接头与第二端部之间的缝隙。

3.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，在第一加载杆背离试样的一端设置有一销孔，销钉能够插入到该销孔内；在第二加载杆背离试样的一端设置有一光孔，压紧螺栓能够自由地插入到该光孔内。

4.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，至少有一个定位件为整体式结构或至少有一定位件为分体式结构。

5.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，定位螺栓将定位盖板可拆卸地安装在定位板上。

6.一种层间拉伸试验样品的制备方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的制备装置进行，该制备方法包括如下步骤：

（1）将第一加载杆放置在V型槽内，然后用销钉将第一加载杆定位；

（2）将两端粘结有胶膜的试样放置在V型槽内，然后将第二加载杆放置在V型槽内，并使试样位于第一加载杆和第二加载杆之间，然后旋拧压紧螺栓，直到第一设定扭矩，使第一加载杆和第二加载杆抵压在试样的两端；该胶膜内含有增强纤维；

（3）安装定位盖板，旋拧定位螺栓，直到第二设定扭矩，将试样抵压在V型槽内；

（4）将携带试样的制备装置放置到干燥箱内，使胶膜固化，然后拆卸定位盖板，得到层间拉伸试验样品，该层间拉伸试验样品包括试样和胶接在试样两端的第一加载杆和第二加载杆。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，该胶膜为环氧胶膜，在固化时，首先按照2-4 ℃/min的升温速度将温度升高到120-125℃，然后保持温度1.8-2.5小时后，停止加热，自然降温到60℃至室温。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，第一设定扭矩为5-10N·m，第二设定扭矩为2-3N·m。