CN113804546A - 碳纤维增强复合材料的应力老化试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碳纤维增强复合材料的应力老化试验装置和方法，所述装置不仅能够实现复合材料NOL环的固定和约束，还能对NOL环样品施加恒定且均匀的荷载，非常适合用于碳纤维增强复合材料的应力老化试验，而且所述装置结构紧凑，体积小，在拥有五个试验工位时，仍可方便地放置于常用规格的环境试验箱中进行加速老化试验。

Description

碳纤维增强复合材料的应力老化试验装置和方法

技术领域

本发明属于高分子材料加速老化技术领域，具体涉及碳纤维增强复合材料的应力老化试验装置和方法。

背景技术

近年来，随着航空航天及材料技术的迅速发展，航天器中所用材料开始由金属逐渐向碳基复合材料过渡。碳纤维增强树脂基复合材料 (Carbon Fiber ReinforcedPolymer，CFRP)作为先进复合材料的一个最重要的分支，不仅具有比强度高、比模量大、热胀系数小、抗疲劳、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好、便于大面积整体成型等优点，而且不易产生静电聚集，使用温度高，不会产生热失强，并有吸收雷达波的隐身功能，广泛应用于军机、导弹、运载火箭和卫星飞行器等结构件中，成为发展最迅速、应用最广泛的一类复合材料。

随着CFRP在军用、航天、航空等领域的推广应用，有关该复合材料及其基体树脂在环境大气、湿热、介质等不同环境下的老化行为和老化机理研究已经相继展开。其中，CFRP的加速老化试验方法通常以湿热老化试验方法为主，仅有的少数研究也都局限于热、湿作用或热湿复合作用下性能的变化及老化机理研究。

CFRP材料在服役的过程中，不仅会遭受温度、湿度、及辐照等环境因素的作用，同时还有可能会遭受机械应力的加载，其老化行为和老化机理均可能会存在明显的差异。应力及环境因素综合作用下CFRP的加速老化基本未见报导，相应的设备及试验方法仍然处于缺失状态。因此，针对CFRP在应力及环境因素耦合作用下的加速老化试验问题，开发一种应力及环境因素耦合作用加速老化试验装置及试验方法意义重大。

发明内容

本发明的发明目的是，提供一种可以对碳纤维增强复合材料样品进行应力加载的老化试验装置。

本发明通过如下技术方案实现其发明目的：一种碳纤维增强复合材料的应力老化试验装置，包括截面为凹槽形的长条底座，还包括支架、夹具、弹簧、连杆一、连杆二和应力传感器，所述支架为一方形板件，其沿所述底座的长度方向垂直固定在倒扣的所述底座的顶面，两侧与所述底座的两侧平齐，所述支架上按其尺寸设有多个（两个以上）长条形的镂空槽，所述镂空槽沿所述底座的长度方向排列，每个所述镂空槽构成一个样品安装工位，所述夹具包括上夹具和下夹具，两夹具上下相对，均由一个金属半圆构成，两夹具靠拢时，构成一侧置的圆圈，所述上夹具通过上端带螺纹的连杆一配合锁紧螺母吊装在所述支架的顶面，所述连杆二下端由所述样品安装工位穿出到所述底座的凹槽中，并在套装所述弹簧后再通过螺母锁定，所述连杆一下端连于所述上夹具顶部侧面，所述连杆二上端连于所述下夹具底部侧面，所述应力传感器套装在所述连杆一或所述连杆二上。

所述应力传感器的信号接头优选位于所述装置的正或背面。

所述连杆一和所述连杆二与所述夹具的连接结构为：

所述连杆一和所述连杆二的一端形成U型开叉，并设有对穿孔，所述夹具通过螺栓配合螺母安装在叉口中。

所述夹具的弧面两侧高中间低。

本发明装置适合用于碳纤维增强复合材料NOL环样品的试验，NOL环参考GB/T1458-2008进行制备。

本发明还提供一种利用上述试验装置进行碳纤维增强复合材料应力老化试验的方法，该发明目的的实现方案如下：

一种碳纤维增强复合材料的应力老化试验方法，包括如下步骤：

（1）将碳纤维增强复合材料NOL环样品套装到所述试验装置上、下夹具的圆周面上；

（2）连接应力监测系统与所述应力传感器，并设置应力偏差报警边界条件；

（3）调整连杆一上的锁紧螺母，使应力值达到预期设定值，试验过程中，若监测到应力值偏差报警时，则重新调整应力值到所述预期设定值，保证施加在样品上的应力能保持较为恒定的状态；

（4）将加载了样品的试验装置放在试验环境中进行老化试验，然后定期取样，进行材料性能分析，计算其老化速率v1。

步骤（2）中通常要求应力偏差≤5%。

步骤（4）中的试验环境包括户外自然环境和/或环境试验箱。

所述预期设定值为所述样品的断裂应力的5%-15%。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

（1）由于CFRP在成型后大部分与标准哑铃型样品存在明显的差异，本发明综合考虑其现实情况下的工装状态，选择NOL环作为试验样品，本发明试验装置也是专门针对这种NOL环样品研发，本发明试验装置不仅能够实现复合材料NOL环的固定和约束，还能对NOL环样品施加恒定且均匀的荷载，非常适合用于碳纤维增强复合材料的应力老化试验；

（2）本发明试验装置结构紧凑，体积小，在拥有五个试验工位时，仍可方便地放置于常用规格的环境试验箱中进行加速老化试验。

附图说明

图1是本发明优选实施例的试验装置的立体图；

图2是本发明优选实施例的试验装置的主视图；

图3是本发明优选实施例的试验装置的左视图；

图4是本发明优选实施例的试验装置的仰视图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

本实施例的碳纤维增强复合材料的应力老化试验装置适合用于NOL环样品的试验，其结构如图1-4所示，包括截面为凹槽形的长条底座1，还包括支架2、夹具4、弹簧9、连杆一7、连杆二6和应力传感器11，支架2为一方形板件，其沿底座1的长度方向垂直固定在倒扣的底座1的顶面，两侧与底座1的两侧平齐，支架2上按其尺寸设有多个（两个以上）长条形的镂空槽，这些镂空槽沿底座1的长度方向排列，每个镂空槽构成一个样品安装工位，夹具4包括上夹具和下夹具，两夹具上下相对，均由一个金属半圆构成，两夹具靠拢时，构成一侧置的圆圈，上夹具通过上端带螺纹的连杆一7配合锁紧螺母12吊装在支架2的顶面，连杆二6下端由样品安装工位穿出到底座1的凹槽中，并在套装弹簧9后再通过螺母10锁定，连杆一7下端连于上夹具顶部侧面，连杆二6上端连于下夹具底部侧面，应力传感器11套装在连杆一7上，并位于锁紧螺母12与支架2之间，其信号接头位于试验装置的正面。

本实施例中连杆（包括连杆一和二）与夹具（包括上夹具和下夹具）的连接结构为：连杆的一端形成U型开叉，并设有对穿孔，夹具通过螺栓8配合螺母安装在叉口中。

本实施例夹具的弧面两侧高中间低，半径均为5cm。

NOL环参考GB/T 1458-2008进行制备。

本实施例通过多种手段，如整体结构采用极简型设计，工位之间紧密并排，支架和底座等都根据工位尺寸进行规划，并充分利用底座的高度来安装弹簧，夹持样品时，样品采用侧立位，应力传感器接头设在样品安装工位的正或背面等，使本实施例试验装置的结构紧凑。

上述装置的组装过程如下：

步骤1：将试验装置的底座1和支架2通过螺钉3安装在一起；

步骤2：将下夹具与连杆二6连接，并使连杆二6的下端穿过支架2底部和底座1伸入底座1底面的凹槽中，在先套装一根高弹力弹簧9后，通过螺母10锁定；

步骤3：将上夹具与连杆一7连接，连杆一7上端穿过支架2顶部并套上一中空的应力传感器11，在应力传感器11上方旋入一颗锁紧螺母12，从而使上夹具吊装在支架2的顶部。

测试开始时，拆下上、下夹具，在它们的圆周面上套入NOL环样品5，然后再装回试验装置。旋转锁紧螺母12，可提升或放低上夹具从而带动下夹具，在此过程中，弹簧9将被压缩或放松，从而给样品5提供一个大小可调的拉伸荷载，这个荷载通过半圆夹具均匀地施加在复合材料NOL环5的内侧。

应力传感器11可以实时监测样品5试验时的受力情况，连接应力监测系统后，检测值将记录在应力监测系统中，在设置应力偏差后，可实现自动监控，当材料发生松弛或其他变化，应力低于限值时会自动报警，此时则应根据提示，及时进行应力补偿。

在上面实施例中，应力传感器11也可以选择套装在连杆二6上，如套装在弹簧9与螺母10之间。

利用上面实施例中的试验装置进行碳纤维增强复合材料应力老化试验的方法如下：

（1）选取碳纤维增强复合材料NOL环样品5个，将样品依次固定到试验装置5个样品安装工位的上、下夹具上；

（2）连接应力监测系统与应力传感器，传感器量程为0-5000N，并设置应力偏差报警边界条件，通常为5%以内，如3%；

（3）调整连杆二上的锁紧螺母，使应力值达到预期设定值，该设定值通常为样品的断裂应力的5%-15%，如设置为样品的断裂应力的10%，通常还应大于材料的实际服役应力，如大10-50%，试验过程中，若监测到应力值偏差报警时，则重新调整应力值到所述预期设定值，保证施加在样品上的应力能保持较为恒定的状态；

（4）将加载了样品的试验装置放在户外，通过户外的温度、辐照及湿度等环境因素的耦合作用加速材料的老化，定期如每月取样，进行材料性能分析，计算其老化速率v1，评估其耐久性；

（5）将加载了样品的试验装置与环境试验箱相结合，开展应力-高低温耦合、应力-湿热耦合、应力-光照/温湿度耦合的加速老化试验。试验过程中应尽可能模拟材料的服役环境，提高试验的准确性。

本实施例试验装置结构紧凑，体积小，高度只有40cm左右，宽度只有30cm左右，厚度只有20cm左右，常用的环境试验箱内部尺寸大约为50cm*50cm*50cm，可见，本实施例试验装置可很好的适配这种环境试验箱。

另外，将样品在不加载应力的情况下，通过户外的温度、辐照及湿度等环境因素的作用进行碳纤维增强复合材料的自然老化，定期取样，进行材料性能，计算其老化速率v2。通过比较在应力和非应力条件下碳纤维增强复合材料的老化速率，可以发现在应力加载情况下碳纤维增强复合材料的老化速率明显更大，其老化行为与非应力下的存在明显的区别，这表明应力及气候环境的耦合可以更好地模拟受力状态下材料及部件的老化。

Claims (8)

1.一种碳纤维增强复合材料的应力老化试验装置，其特征在于，包括截面为凹槽形的长条底座，还包括支架、夹具、弹簧、连杆一、连杆二和应力传感器，所述支架为一方形板件，其沿所述底座的长度方向垂直固定在倒扣的所述底座的顶面，两侧与所述底座的两侧平齐，所述支架上按其尺寸设有多个长条形的镂空槽，所述镂空槽沿所述底座的长度方向排列，每个所述镂空槽构成一个样品安装工位，所述夹具包括上夹具和下夹具，两夹具上下相对，均由一个金属半圆构成，两夹具靠拢时，构成一侧置的圆圈，所述上夹具通过上端带螺纹的连杆一配合锁紧螺母吊装在所述支架的顶面，所述连杆二下端由所述样品安装工位穿出到所述底座的凹槽中，并在套装所述弹簧后再通过螺母锁定，所述连杆一下端连于所述上夹具顶部侧面，所述连杆二上端连于所述下夹具底部侧面，所述应力传感器套装在所述连杆一或所述连杆二上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述应力传感器的信号接头位于所述装置的正或背面。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连杆一和所述连杆二与所述夹具的连接结构为：

所述连杆一和所述连杆二的一端形成U型开叉，并设有对穿孔，所述夹具通过螺栓配合螺母安装在叉口中。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述夹具的弧面两侧高中间低。

5.一种利用权利要求1-4任一项所述装置进行碳纤维增强复合材料应力老化试验的方法，包括如下步骤：

（1）将碳纤维增强复合材料NOL环样品套装到所述试验装置上、下夹具的圆周面上；

（2）连接应力监测系统与所述应力传感器，并设置应力偏差报警边界条件；

（3）调整连杆一上的锁紧螺母，使应力值达到预期设定值，试验过程中，若监测到应力值偏差报警时，则重新调整应力值到所述预期设定值；

（4）将加载了样品的试验装置放在试验环境中进行老化试验，然后定期取样，进行材料性能分析，计算其老化速率v1。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（2）中应力偏差≤5%。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（4）中的试验环境包括户外自然环境和/或环境试验箱。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预期设定值为所述样品的断裂应力的5%-15%。

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