CN113720772B - 一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置及使用方法，控温装置包括上夹具，上夹具包括内设空腔的底块，空腔顶部开口处密封盖设盖板，盖板顶面处固定联接头，底块左侧固定左快速接头，右侧固定右快速接头；恒温水浴箱出水端与上夹具、下夹具的左快速接头分别连接，上夹具、下夹具的右快速接头分别与恒温水浴箱进水端连接，下夹具通过联接头固定于电子万能试验机底座上，上夹具通过联接头与电子万能试验机的载荷传感器相连；上夹具底块的下表面与下夹具底块的上表面分别粘贴有预浸料片。本发明的控温装置操作简便、准确高效、成本低，能准确定量测试预浸料粘性，便于探究预浸料在控制温度下的自粘性与他粘性，进而优化预浸料使用工艺。

Description

一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置及使用方法

技术领域

本发明属于检测技术领域，具体涉及一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置及使用方法。

背景技术

对于手工和自动铺贴工艺而言，预浸料粘性是预浸料最重要的材料性能之一，对预浸料粘性的不利控制很容易导致层压板缺陷、自动铺带机器或自动铺丝机器故障，从而导致巨大的材料成本和设备损失。因此，定量表征标准铺贴环境下预浸料的粘性对指导材料和工艺改进具有非常重要的意义。

目前国内外预浸料粘性的定量测试方法有剥离法﹑拉剪法以及压拉法几种，测试方式主要依靠拉力机实现。拉剪法基本上直接在拉力机上实现，所测也基本上是实验室环境下的对辊压时间﹑搭接面积以及拉伸速度的探究，并未控制温度；国内针对剥离法研究较多，大多在拉力机的基础上辅以控温控压的铺放台来模拟预浸料铺叠过程以完成测试，此装置控制温度由剥离底板上的硅加热垫片和温度控制器控制，这种方式适于室温以上不同温度的探究。上述两种测试方法受到纤维刚度制约，且剥离角度影响加载模式，以及可能出现的局部应力集中等问题造成方法失效，因此应用有限。

相比较而言，压拉法研究相对较少，机理是将预浸料叠层牢固地粘贴在上下两块金属片上，以某一个移动速率将压头把预浸料叠层压实，在某个力下保持一定时间，然后以另一个移动速率拉离，相对真实地反映了预浸料铺叠过程和成型过程的受力方式与运动状态。目前该法主要采用拉力机上下安装一定尺寸的金属片实现，此种方法仅支持实验室环境下的测试。

目前国内外针对压拉测试法的研究还处于实验开发与机理初步研究阶段，相关的工艺参数、影响因素、物理量的研究也还处于起步阶段，无法指导复合材料热压成形过程中预浸料层与层之间的相互作用及影响因素对工艺的影响。

并且目前压拉试验方法主要在实验室环境下的拉力机上进行，如果要达到控制温度或者探究温度影响，则还需要借助环境箱，将环境箱罩住整个压拉装置，升降温较慢、更换样品步骤繁琐、操作复杂；并且此种控温方法仅适用于高温试验或者低温试验，如果模拟预浸料标准铺贴环境温度23±1℃，环境箱需配合使用液氮制冷，要将温度控制并稳定在标准温度的难度很大，且等待稳定时间相应的更长，时效性低。因此，目前急需一种操作简便，能够快速平衡到所需温度，并且能够探究不同温度下预浸料粘性的简易控温装置。

发明内容

本发明提供一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置及使用方法，克服现有技术存在的实施过程误差较大、操作繁琐、周期长的不足，该控温装置操作简便、准确高效、成本低，能准确定量测试预浸料粘性，便于探究预浸料在控制温度下的自粘性与他粘性，进而优化预浸料使用工艺。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置，包括电子万能试验机、恒温水浴箱、上夹具与下夹具，上夹具与下夹具上下对称，上夹具与下夹具均为循环水路压拉夹具；上夹具包括水平底块，底块内设有顶部开口的空腔，空腔顶部开口处密封盖设有盖板，盖板顶面处固定有联接头，底块左侧固定有左快速接头，右侧固定有右快速接头，左快速接头内设有左通孔，右快速接头内设有右通孔，左通孔、右通孔均与空腔连通；恒温水浴箱的出水端分别与上夹具的左快速接头、下夹具的左快速接头连接，上夹具的右快速接头、下夹具的右快速接头分别与恒温水浴箱的进水端连接，下夹具作为固定端通过联接头固定于电子万能试验机底座上，上夹具作为移动端通过联接头与电子万能试验机的载荷传感器相连；上夹具底块的下表面与下夹具底块的上表面分别粘贴有预浸料片，预浸料片相互平行的两侧边与预浸料纤维方向平行，上下两片预浸料片相互垂直交叉布置，且预浸料片处于空腔内循环水覆盖区域内。

进一步地，底块为立方块，底块长80mm、宽80mm、高20mm；空腔呈竖直圆筒形状，空腔下部的直径为70mm，竖直深度为14mm，空腔上部的直径为72mm，竖直深度为3mm，盖板呈圆形，盖板直径为72mm，盖板竖直厚度为3mm，盖板嵌入空腔上部内。

进一步地，空腔处于底块内中部处，联接头处于盖板顶面中部处。

进一步地，联接头呈竖直圆柱形状，联接头上部的直径为12mm，竖直高度为16mm，联接头下部为直径15mm、高10mm的螺纹段，联接头底端焊接于盖板顶面上，联接头下部的螺纹段上旋接有螺母。

进一步地，联接头上部设有沿前后方向布置的水平贯穿对位孔，对位孔半径为3.02mm，对位孔尺寸与电子万能试验机上的螺销尺寸相适配，联接头与电子万能试验机通过螺销螺母固定。

进一步地，底块左部设有左连接孔，右部设有右连接孔，左快速接头的左通孔通过左连接孔与底块内的空腔连通，右快速接头的右通孔通过右连接孔与底块内的空腔连通，左通孔、左连接孔、右通孔、右连接孔的半径均为3.02mm；左快速接头焊接于底块左侧处，右快速接头焊接于底块右侧处。

进一步地，恒温水浴箱的出水端通过Y形三通转接头将水路一分为二，并与上夹具的左快速接头、下夹具的左快速接头分别通过管路连接；恒温水浴箱的进水端通过Y形三通转接头将水路一分为二，并与上夹具的右快速接头、下夹具的右快速接头分别通过管路连接。

进一步地，上夹具与下夹具的材质均采用7075T6铝合金。

一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)用丙酮清洁上夹具底块的下表面与下夹具底块的上表面，将上夹具的左快速接头、下夹具的左快速接头通过管路分别与恒温水浴箱的出水端连接，并将上夹具的右快速接头、下夹具的右快速接头通过管路分别与恒温水浴箱的进水端连接；

(2)准备尺寸为50mm×50mm的洁净裁切模具，在距离预浸料边缘至少25mm处，依照裁切模具裁剪预浸料片10片以备用，预浸料片相互平行的两侧边与预浸料纤维方向平行；

(3)打开步骤(1)中的恒温水浴箱，调节水浴温度为23℃，利用加湿器或者抽湿机将室内湿度控制在30％RH-60％RH之间；

(4)将步骤(2)中裁切好的预浸料片取两片，以0°对90°交叉方向分别粘贴于上夹具底块的下表面与下夹具底块的上表面，并用橡胶滚轮碾出气泡；

(5)将步骤(4)中粘贴有预浸料片的上夹具与下夹具安装在电子万能试验机上，等待试验温度稳定在23℃±1℃，在一个标准的试验周期内，预先将上夹具与下夹具的位置移至相对接近，以1mm/min的压头移动速率把预浸料压至20N，在该力下保持30s，然后以3.4mm/min的速率拉离，记录力-位移曲线。

进一步地，

步骤(2)中：预浸料片为碳纤维预浸料片；

步骤(4)中：用双面胶将步骤(2)中裁切好的两片预浸料片分别粘贴于上夹具底块的下表面与下夹具底块的上表面；

步骤(5)中：电子万能试验机的型号为Instron3342。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明首次设计出操作简便、准确高效、成本低的控温装置，以准确定量测试预浸料粘性，便于探究预浸料在控制温度下的自粘性与他粘性，且控温装置具有通用性，方法原理明确；通过固有的仪器设备，定制相应的循环水路压拉夹具，确定了关键参数，制定了预浸料在控制温度下的压拉测试方法，打破了传统的拉力机搭配环境箱实现控温的桎梏，简化了整个粘性测试过程，测试过程受力以及加热温度均匀可控，操作简便，可定量预测预浸料粘性，进而优化预浸料使用工艺。

本发明中的循环水路压拉夹具材质轻，能降低试验中夹具自重引入的误差，同时又能保证良好的导热性能以及足够的硬度。

附图说明

图1为本发明中控温装置的示意图；

图2为上夹具的立体结构示意图；

图3为图2的主视图；

图4为图2的左视图；

图5为图2的俯视图；

图6为碳纤维预浸料粘性测试结果示意图。

附图说明：1、恒温水浴箱，2、上夹具，3、下夹具，4、底块，5、空腔，6、盖板，7、联接头，8、左快速接头，9、左通孔，10、右快速接头，11、螺纹段，12、对位孔。

具体实施方式

一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置，包括电子万能试验机、恒温水浴箱1、上夹具2与下夹具3，上夹具2与下夹具3上下对称，上夹具2与下夹具3均为循环水路压拉夹具，上夹具2与下夹具3的材质均采用7075T6铝合金，本发明中的循环水路压拉夹具材质轻，能降低试验中夹具自重引入的误差，同时又能保证良好的导热性能以及足够的硬度；上夹具2包括水平底块4，底块4内设有顶部开口的空腔5，空腔5顶部开口处密封盖设有盖板6，盖板6顶面处固定有联接头7，空腔5处于底块4内中部处，联接头7处于盖板6顶面中部处，底块4左侧焊接有左快速接头8，右侧焊接有右快速接头10，左快速接头8内设有左通孔9，右快速接头10内设有右通孔，左通孔9、右通孔均与空腔5连通；恒温水浴箱1的出水端通过Y形三通转接头将水路一分为二，并与上夹具2的左快速接头8、下夹具3的左快速接头8分别通过管路连接，恒温水浴箱1的进水端通过Y形三通转接头将水路一分为二，并与上夹具2的右快速接头10、下夹具3的右快速接头10分别通过管路连接，形成循环水路，恒温水浴箱1和上夹具2、下夹具3共同组成了一个简易的控温装置，其中管路应在上夹具2位移允许范围内尽可能短，以减轻过程中热量损失，通过控制恒温水浴箱1的温度来实现对上夹具2底块4的下表面和下夹具3底块4的上表面温度的控制；下夹具3作为固定端通过联接头7固定于电子万能试验机底座上，上夹具2作为移动端通过联接头7与电子万能试验机的载荷传感器相连，电子万能试验机进行应力与位移的测量；上夹具2底块4的下表面与下夹具3底块4的上表面分别粘贴有预浸料片，预浸料片相互平行的两侧边与预浸料纤维方向平行，上下两片预浸料片相互垂直交叉布置，且预浸料片处于空腔5内循环水覆盖区域内。

其中，底块4为立方块，底块4长80mm、宽80mm、高20mm；空腔5呈竖直圆筒形状，空腔5下部的直径为70mm，竖直深度为14mm，空腔5上部的直径为72mm，竖直深度为3mm，盖板6呈圆形，盖板6直径为72mm，盖板6竖直厚度为3mm，盖板6嵌入空腔5上部内。

其中，联接头7呈竖直圆柱形状，联接头7上部的直径为12mm，竖直高度为16mm，联接头7下部为直径15mm、高10mm的螺纹段11，联接头7底端焊接于盖板6顶面上，联接头7下部的螺纹段11上旋接有螺母；联接头7上部设有沿前后方向布置的水平贯穿对位孔12，对位孔12半径为3.02mm，对位孔12尺寸与电子万能试验机上的螺销尺寸相适配，联接头7与电子万能试验机通过螺销螺母固定，以减少循环水路压拉夹具晃动引入的误差。

其中，底块4左部设有左连接孔，右部设有右连接孔，左快速接头8的左通孔9通过左连接孔与底块4内的空腔5连通，右快速接头10的右通孔通过右连接孔与底块4内的空腔5连通，左通孔9、左连接孔、右通孔、右连接孔的半径均为3.02mm。

本发明中上夹具2与下夹具3的壁很薄，在空腔5内水流足够快的情况下，实现上夹具2底块4的下表面与下夹具3底块4的上表面的温度控制。

上述适用于预浸料粘性定量测试的控温装置，主要实施步骤包括循环水路压拉夹具的设计，与恒温水浴箱1的连接，与电子万能试验机的装载，最后控制温度与湿度并在标准铺贴环境下测试验证，该控温装置的使用方法具体包括以下步骤：

(1)用丙酮清洁上夹具2底块4的下表面与下夹具3底块4的上表面，将上夹具2的左快速接头8、下夹具3的左快速接头8通过管路分别与恒温水浴箱1的出水端连接，并将上夹具2的右快速接头10、下夹具3的右快速接头10通过管路分别与恒温水浴箱1的进水端连接；

(2)准备尺寸为50mm×50mm的洁净裁切模具，在距离预浸料边缘至少25mm处，依照裁切模具裁剪碳纤维预浸料片10片以备用，预浸料片相互平行的两侧边与预浸料纤维方向平行；

(3)打开步骤(1)中的恒温水浴箱1，调节水浴温度为23℃，利用加湿器或者抽湿机将室内湿度控制在30％RH-60％RH之间；

(4)将步骤(2)中裁切好的预浸料片取两片，以0°对90°交叉方向分别用双面胶粘贴于上夹具2底块4的下表面与下夹具3底块4的上表面，并用橡胶滚轮碾出气泡；

(5)将步骤(4)中粘贴有预浸料片的上夹具2与下夹具3安装在电子万能试验机Instron3342上，等待试验温度稳定在23℃±1℃，在一个标准的试验周期内，预先将上夹具2与下夹具3的位置移至相对接近，以1mm/min的压头移动速率把预浸料压至20N，在该力下保持30s，然后以3.4mm/min的速率拉离，记录力-位移曲线。

如表1所示，五个平行试样分离力最大值的平均值为21N，以此结果表征碳纤维预浸料的自粘性结果，同时较小的变异系数也验证此控温装置有效可行。

表1碳纤维预浸料自粘性结果表

试样编号	分离力最大值[N]
		1#	20
2#	21
		3#	22
4#	23
		5#	20
平均值	21
		变异系数	6.23

Claims (10)

1.一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置，其特征在于：包括电子万能试验机、恒温水浴箱、上夹具与下夹具，上夹具与下夹具上下对称，上夹具与下夹具均为循环水路压拉夹具；上夹具包括水平底块，底块内设有顶部开口的空腔，空腔顶部开口处密封盖设有盖板，盖板顶面处固定有联接头，底块左侧固定有左快速接头，右侧固定有右快速接头，左快速接头内设有左通孔，右快速接头内设有右通孔，左通孔、右通孔均与空腔连通；恒温水浴箱的出水端分别与上夹具的左快速接头、下夹具的左快速接头连接，上夹具的右快速接头、下夹具的右快速接头分别与恒温水浴箱的进水端连接，下夹具作为固定端通过联接头固定于电子万能试验机底座上，上夹具作为移动端通过联接头与电子万能试验机的载荷传感器相连；上夹具底块的下表面与下夹具底块的上表面分别粘贴有预浸料片，预浸料片相互平行的两侧边与预浸料纤维方向平行，上下两片预浸料片相互垂直交叉布置，且预浸料片处于空腔内循环水覆盖区域内。

2.根据权利要求1所述的一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置，其特征在于：底块为立方块，底块长80mm、宽80mm、高20mm；空腔呈竖直圆筒形状，空腔下部的直径为70mm，竖直深度为14mm，空腔上部的直径为72mm，竖直深度为3mm，盖板呈圆形，盖板直径为72mm，盖板竖直厚度为3mm，盖板嵌入空腔上部内。

3.根据权利要求2所述的一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置，其特征在于：空腔处于底块内中部处，联接头处于盖板顶面中部处。

4.根据权利要求3所述的一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置，其特征在于：联接头呈竖直圆柱形状，联接头上部的直径为12mm，竖直高度为16mm，联接头下部为直径15mm、高10mm的螺纹段，联接头底端焊接于盖板顶面上，联接头下部的螺纹段上旋接有螺母。

5.根据权利要求4所述的一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置，其特征在于：联接头上部设有沿前后方向布置的水平贯穿对位孔，对位孔半径为3.02mm，对位孔尺寸与电子万能试验机上的螺销尺寸相适配，联接头与电子万能试验机通过螺销螺母固定。

6.根据权利要求5所述的一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置，其特征在于：底块左部设有左连接孔，右部设有右连接孔，左快速接头的左通孔通过左连接孔与底块内的空腔连通，右快速接头的右通孔通过右连接孔与底块内的空腔连通，左通孔、左连接孔、右通孔、右连接孔的半径均为3.02mm；左快速接头焊接于底块左侧处，右快速接头焊接于底块右侧处。

7.根据权利要求6所述的一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置，其特征在于：恒温水浴箱的出水端通过Y形三通转接头将水路一分为二，并与上夹具的左快速接头、下夹具的左快速接头分别通过管路连接；恒温水浴箱的进水端通过Y形三通转接头将水路一分为二，并与上夹具的右快速接头、下夹具的右快速接头分别通过管路连接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置，其特征在于：上夹具与下夹具的材质均采用7075T6铝合金。

9.根据权利要求1-7任一项所述的一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)用丙酮清洁上夹具底块的下表面与下夹具底块的上表面，将上夹具的左快速接头、下夹具的左快速接头通过管路分别与恒温水浴箱的出水端连接，并将上夹具的右快速接头、下夹具的右快速接头通过管路分别与恒温水浴箱的进水端连接；

(2)准备尺寸为50mm×50mm的洁净裁切模具，在距离预浸料边缘至少25mm处，依照裁切模具裁剪预浸料片10片以备用，预浸料片相互平行的两侧边与预浸料纤维方向平行；

(3)打开步骤(1)中的恒温水浴箱，调节水浴温度为23℃，利用加湿器或者抽湿机将室内湿度控制在30％RH-60％RH之间；

(4)将步骤(2)中裁切好的预浸料片取两片，以0°对90°交叉方向分别粘贴于上夹具底块的下表面与下夹具底块的上表面，并用橡胶滚轮碾出气泡；

(5)将步骤(4)中粘贴有预浸料片的上夹具与下夹具安装在电子万能试验机上，等待试验温度稳定在23℃±1℃，在一个标准的试验周期内，预先将上夹具与下夹具的位置移至相对接近，以1mm/min的压头移动速率把预浸料压至20N，在该力下保持30s，然后以3.4mm/min的速率拉离，记录力-位移曲线。

10.根据权利要求9所述的一种适用于预浸料粘性定量测试的控温装置的使用方法，其特征在于：

步骤(2)中：预浸料片为碳纤维预浸料片；

步骤(4)中：用双面胶将步骤(2)中裁切好的两片预浸料片分别粘贴于上夹具底块的下表面与下夹具底块的上表面；

步骤(5)中：电子万能试验机的型号为Instron3342。

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