CN113884368A - 一种碳纤维拉伸试样制备方法、制备框架及试样 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳纤维拉伸试样制备方法、制备框架及试样，通过调整碳纤维复丝固定状态并应用带有可调预张力控制的制备框架，解决了碳纤维拉伸试件分叉和张力不均导致的拉伸强度离散性大、远低于原材料供应商提供的拉伸强度数据等问题，通过调整加强片的安装流程，使两端加强片与碳纤维粘接性更强，解决了拉伸测试过程碳纤维容易滑脱的问题，制备试件的时间更短，更有利于企业生产效率的提高。

Description

一种碳纤维拉伸试样制备方法、制备框架及试样
技术领域
本发明涉及复合材料检测技术领域，尤其涉及一种碳纤维拉伸试样制备方法、制备框架及试样。
背景技术
碳纤维材料应用领域广泛，特别是得益于其高强度特性，能够适用于多种特殊产品的制作中，例如需要承受较高压力的复合气瓶。而为了保证所制得产品的性能，一般需要通过多种试验确定所采用碳纤维的性能符合需要。
在国家标准GB/T 35544-2017碳纤维拉伸性能试验方法中有试样形状、尺寸以及常规制样方法的相关规定，制样方法是截取一段有一定长度的纤维，在配制好的环氧树脂胶液中浸胶2-4min，然后手工使复丝紧绷缠绕在框架上，除去多余胶液后室温晾干，在环氧树脂的固化体系下固化，用室温固化的环氧类胶粘剂粘贴加强片即可制成碳纤维拉伸测试试样。但是，这种制样方法涉及手工法缠绕，难以保证每股碳纤维均具有相同张力，会明显影响测试结果，导致结果呈现较强离散型。同时，在室温下固化环氧类胶粘剂容易出现粘贴不牢固的问题，可能会导致拉伸测试时碳纤维从加强片中滑脱，造成试验失败。
公开号CN102809499A，名称为“一种碳纤维拉伸性能测试的制样方法”的发明专利申请公开了另一种碳纤维试样的制样方法，主要包括将碳纤维复丝缠绕在绕丝架上，在环氧树脂中浸胶0.5-10min，调节伸缩杆以控制浸胶后复丝的张力，然后固化冷却，再将固化后的碳纤维用HY-914型两液混合硬化胶固定加强片，室温25°下放置24h得到碳纤维拉伸测试试样。应用这种方法制备试样，加强片粘贴后需要室温放置24h，耗时较长，对企业来说时间上并不适用，且室温固化环氧树脂粘贴强度并不理想。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出一种碳纤维拉伸试样制备方法、制备框架及试样，通过调整碳纤维复丝固定状态并应用带有可调预张力控制的制备框架，解决了碳纤维拉伸试件分叉和张力不均导致的拉伸强度离散性大、远低于原材料供应商提供的拉伸强度数据等问题，通过调整加强片的安装流程，使两端加强片与碳纤维粘接性更强，解决了拉伸测试过程碳纤维容易滑脱的问题，制备试件的时间更短，更有利于企业生产效率的提高。
为实现以上目的，本发明所采用的技术方案包括：
一种碳纤维拉伸试样制备方法，其特征在于，包括：
S1、分别将每股碳纤维扭转为圆棍状相互平行并列的固定在制备框架上；
S2、调整增加制备框架在碳纤维固定方向的长度，使每股碳纤维均具有相同的张力；
S3、在碳纤维上均匀涂覆环氧树脂并静置使环氧树脂浸透碳纤维，擦去多余环氧树脂胶滴后得到第一半成品试样；
S4、将第一半成品试样置于100℃下固化6小时后，截取适合长度碳纤维得到第二半成品试样；
S5、使用速干胶水在第二半成品试样两端固定粘贴加强片，得到第三半成品试样；
S6、将第三半成品试样固定粘贴了加强片的两端浸没在环氧树脂中再取出控干至环氧树脂不再滴落，擦去多余环氧树脂胶滴后置于80℃下固化4小时，得到成品试样。
进一步地，所述步骤S6还包括：
使用砂纸打磨成品试样加强片部分。
进一步地，所述速干胶水为502胶水。
进一步地，所述截取适合长度碳纤维得到第二半成品试样包括截取250毫米长表面光滑的碳纤维作为第二半成品试样；所述加强片尺寸为50毫米长、20毫米宽。
本发明还涉及一种碳纤维拉伸试样制备框架，其特征在于，包括两根相互平行的定位杆、固定连接两根定位杆一端的固定板和套装连接在两根定位杆另一端上并可沿两根定位杆前后滑动的滑动板；
所述固定板和滑动板上依次设置有若干组相对应的缠绕槽，所述缠绕槽容纳限位碳纤维；
所述两根定位杆套装连接滑动板的一端分别依次设置有固定螺母、预载弹簧和可调螺母，所述预载弹簧一端接触固定螺母，另一端接触滑动板内侧，所述可调螺母接触滑动板外侧，并通过正向或反向旋转可调螺母向内推动滑动板推挤压缩预载弹簧或释放对滑动板挤压使预载弹簧释放向外推动滑动板。
进一步地，所述制备框架应用于如上所述的制备方法。
本发明还涉及一种碳纤维拉伸试样，其特征在于，使用如上所述的制备框架应用如上所述的制备方法制备得到。
进一步地，所述试样包括表面光滑的圆棍状碳纤维和分别固定连接在所述圆棍状碳纤维两端的两个加强片；
所述加强片与所述圆棍状碳纤维一起包覆在环氧树脂内。
本发明的有益效果为：
采用本发明所述碳纤维拉伸试样制备方法、制备框架及试样，通过调整碳纤维复丝固定状态并应用带有可调预张力控制的制备框架，解决了碳纤维拉伸试件分叉和张力不均导致的拉伸强度离散性大、远低于原材料供应商提供的拉伸强度数据等问题，通过调整加强片的安装流程，制备过程中前后两次使用相同的环氧树脂进行粘合，通过环氧树脂包覆使两端加强片与碳纤维成为一体，粘接性更强，解决了拉伸测试过程碳纤维容易滑脱的问题，制备试件的时间更短，更有利于企业生产效率的提高。
附图说明
图1为本发明制备框架优选实施例示意图。
附图编号说明：1-定位杆、2-固定板、3-滑动板、4-缠绕槽、5-固定螺母、6-预载弹簧、7-可调螺母。
具体实施方式
为了更清楚的理解本发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。
本发明的技术方案通过应用一种碳纤维拉伸试样制备框架并结合对应的制备方法实现均匀碳纤维拉伸张力、提高加强片与碳纤维粘合强度的技术效果。如图1所示为本发明所述碳纤维拉伸试样制备框架的一种优选实施例示意图，包括两根相互平行的定位杆、固定连接两根定位杆一端的固定板和套装连接在两根定位杆另一端上并可沿两根定位杆前后滑动的滑动板，两根定位杆套装连接滑动板的一端分别依次设置有固定螺母、预载弹簧和可调螺母，所述预载弹簧一端接触固定螺母，另一端接触滑动板内侧，所述可调螺母接触滑动板外侧，并通过正向或反向旋转可调螺母向内推动滑动板推挤压缩预载弹簧或释放对滑动板挤压使预载弹簧释放向外推动滑动板；所述固定板和滑动板上依次设置有若干组相对应的缠绕槽，所述缠绕槽容纳限位碳纤维。在使用时，同步调整设置在两根定位杆上的可调螺母，使滑动板沿定位杆前后(向外、向内)滑动。优选的，缠绕槽的数量、相邻缠绕槽之间的间距以及缠绕槽深度的设置均可以根据需要进行对应调整，以适应不同规格碳纤维拉伸试样的制备。
应用如上所述优选实施例进行碳纤维拉伸试样制备的过程包括：
S1、分别将每股碳纤维扭转为圆棍状相互平行并列的固定在制备框架上；
S2、调整增加制备框架在碳纤维固定方向的长度，使每股碳纤维均具有相同的张力；
S3、在碳纤维上均匀涂覆环氧树脂并静置使环氧树脂浸透碳纤维，擦去多余环氧树脂胶滴后得到第一半成品试样；
S4、将第一半成品试样置于100℃下固化6小时(典型值，可依据实际采用的环氧树脂体系、性能，对固化温度和固化时间进行适应性调整，例如还可以根据需要增加额外的预固化流程)后，截取适合长度碳纤维得到第二半成品试样，对应常见的拉伸试验机，适合长度碳纤维可以选择截取250毫米长表面光滑的碳纤维；
S5、使用速干胶水(例如502胶水)在第二半成品试样两端固定粘贴加强片，得到第三半成品试样，优选的，加强片尺寸为50毫米长、20毫米宽，便于拉伸试验机夹持；
S6、将第三半成品试样固定粘贴了加强片的两端浸没在环氧树脂中再取出控干至环氧树脂不再滴落，擦去多余环氧树脂胶滴后置于80℃下固化4小时(典型值，可依据实际采用的环氧树脂体系、性能，对固化温度和固化时间进行适应性调整)，得到成品试样，优选的，可以使用砂纸打磨成品试样加强片部分，以去除加强片上的硬化胶滴等，便于拉伸试验机夹持。
使用上述方法在如优选实施例的制备框架上制作得到的碳纤维拉伸试样，结构上包括表面光滑的圆棍状碳纤维和分别固定连接在所述圆棍状碳纤维两端的两个加强片，且特别的，加强片与圆棍状碳纤维一起包覆在环氧树脂内，形成一体结构，具有更好的整体性，能够有效改善拉伸试验过程中加强片与碳纤维相互脱离的问题。
以下通过具体实施例进一步说明采用本发明制备所得碳纤维拉伸试样的过程。
实施例1
在制备框架上缠绕A公司碳纤维，缠绕时将碳纤维扭转数圈呈圆棍状，拧动碳纤维拉伸试样制备框架滑动板一侧的可调螺母使预载弹簧伸长，在预载弹簧的作用力下，每股碳纤维复丝会得到一个均匀的张力。在容器中加入100质量份稀释剂为丁二醇二缩水甘油醚的双酚A环氧树脂，并加入100质量份的Anhydride酸酐，搅拌3分钟。用刷子沾取配制好的环氧树脂胶液，在制备框架一面碳纤维上充分刷环氧树脂胶液，再翻到制备框架另一面刷环氧树脂，使碳纤维整体均匀涂覆环氧树脂。静止3分钟后，擦去碳纤维上多余胶滴。将缠绕好碳纤维的框架按照80℃温度下4h预固化处理和100℃温度下6h固化处理，固化后的带胶的碳纤维复丝应平直、光滑呈圆棍状。挑选外观较好的部分截取250mm、加强片采用50*20mm。加强片贴合在碳纤维复丝上用力按压会形成凹槽有利于粘贴且粘贴时不容易错位，用502胶在碳纤维复丝两端粘贴加强片，固定好加强片后将两端加强片分别在环氧树脂胶液中分别浸泡3分钟。拿出后控干胶液，使胶液不再滴落，擦去碳纤维复丝表面环氧树脂胶液。在80℃温度下4h固化处理。试验使用CMT5105万能试验机，拉伸强度数据如表1所示。其中A公司提供的拉伸强度为5.521GPa。
表1
试件编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 平均值 离散值
拉伸强度GPa 5.46 5.55 5.49 5.32 5.61 5.38 5.48 5.38 5.57 5.47 1.77％
实施例2
在制备框架上缠绕B公司碳纤维，缠绕时将碳纤维扭转数圈呈圆棍状，拧动碳纤维拉伸试样制备框架滑动板一侧的可调螺母使预载弹簧伸长，在预载弹簧的作用力下，每股碳纤维复丝会得到一个均匀的张力。在容器中加入100质量份的828环氧树脂和45质量份的聚醚胺类固化剂、1.5质量份的聚醚改性的烷基化聚硅氧烷共聚物溶液，搅拌3分钟。用刷子沾取配制好的环氧树脂胶液，在制备框架一面碳纤维上充分刷环氧树脂胶液，再翻到制备框架另一面刷环氧树脂。静止3分钟后，擦去碳纤维上多余胶滴。将缠绕好碳纤维的框架按照80℃温度下2.5h预固化处理和125℃温度下2.5h固化处理，固化后的带胶的碳纤维复丝应平直、光滑呈圆棍状。挑选外观较好的部分截取250mm、加强片采用50*20mm。加强片贴合在碳纤维复丝上用力按压会形成凹槽有利于粘贴且粘贴时不容易错位，用502胶在碳纤维复丝两端粘贴加强片。用502胶在碳纤维复丝上固定好加强片后将两端加强片分别在环氧树脂胶液中分别浸泡3分钟。拿出后控干胶液，使胶液不再滴落，擦去碳纤维复丝表面环氧树脂胶液。在80℃温度下2.5h固化处理。试验使用CMT5105万能试验机，拉伸强度数据如表2所示。其中B公司提供的拉深强度为5.270Gpa。
表2
试件编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 平均值 离散值
拉伸强度GPa 5.19 5.20 5.08 5.27 5.31 5.22 5.18 5.08 5.27 5.2 1.54％
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等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种碳纤维拉伸试样制备方法，其特征在于，包括：
S1、分别将每股碳纤维扭转为圆棍状相互平行并列的固定在制备框架上；
S2、调整增加制备框架在碳纤维固定方向的长度，使每股碳纤维均具有相同的张力；
S3、在碳纤维上均匀涂覆环氧树脂并静置使环氧树脂浸透碳纤维，擦去多余环氧树脂胶滴后得到第一半成品试样；
S4、将第一半成品试样执行第一固化流程后，截取适合长度碳纤维得到第二半成品试样；
S5、使用速干胶水在第二半成品试样两端固定粘贴加强片，得到第三半成品试样；
S6、将第三半成品试样固定粘贴了加强片的两端浸没在环氧树脂中再取出控干至环氧树脂不再滴落，擦去多余环氧树脂胶滴后经第二固化流程得到成品试样。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6还包括：
使用砂纸打磨成品试样加强片部分。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述速干胶水为502胶水。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述截取适合长度碳纤维得到第二半成品试样包括截取250毫米长表面光滑的碳纤维作为第二半成品试样；所述加强片尺寸为50毫米长、20毫米宽。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一固化流程包括置于100℃下固化6小时。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二固化流程包括置于80℃下固化4小时。
7.一种碳纤维拉伸试样制备框架，其特征在于，包括两根相互平行的定位杆、固定连接两根定位杆一端的固定板和套装连接在两根定位杆另一端上并可沿两根定位杆前后滑动的滑动板；
所述固定板和滑动板上依次设置有若干组相对应的缠绕槽，所述缠绕槽容纳限位碳纤维；
所述两根定位杆套装连接滑动板的一端分别依次设置有固定螺母、预载弹簧和可调螺母，所述预载弹簧一端接触固定螺母，另一端接触滑动板内侧，所述可调螺母接触滑动板外侧，并通过正向或反向旋转可调螺母向内推动滑动板推挤压缩预载弹簧或释放对滑动板挤压使预载弹簧释放向外推动滑动板。
8.如权利要求7所述的制备框架，其特征在于，应用于如权利要求1至6任一项所述的制备方法。
9.一种碳纤维拉伸试样，其特征在于，使用如权利要求5所述的制备框架应用如权利要求1至6任一项所述的制备方法制备得到。
10.如权利要求9所述的试样，其特征在于，所述试样包括表面光滑的圆棍状碳纤维和分别固定连接在所述圆棍状碳纤维两端的两个加强片；
所述加强片与所述圆棍状碳纤维一起包覆在环氧树脂内。
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