CN114371070B - 一种用于纤维基体界面强度微球脱粘实验的夹具及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于纤维基体界面强度微球脱粘实验的夹具及使用方法,夹具分为刀具和试件夹具两部分。刀具部分安装在微型原位力学试验设备的固定安装座,通过两块平行薄板的变形调整刀口间隙,通过第三块弹性薄板的变形将输入端的位移按比例减小后传递至刀口间隙,能够精确调整刀口间隙,有效分离粘附在纤维上的基体微球。试件夹具部分安装在微型原位力学试验设备的移动安装座,并由夹具底座、试样片和试样片压板组成。设计为L型的试样片能有效固定纤维两端,并给显微镜留出垂直向下观察试样的空间。本发明可以方便地将纤维试样固定至试样夹具,并在实验开始后能全程在显微镜中观察到纤维试样在刀口间隙中移动和基体微球从纤维上脱落的过程,提高实验结果的准确性。
Description
技术领域
本发明属于材料力学性能测试,具体而言,是针对纤维与基体的微球脱粘试验设计的一种可以精确调整刀口间隙的试验夹具及使用方法。
背景技术
纤维增强复合材料具有优秀的力学性能,比如高弹性模量、高强度、高韧性以及高抗冲击性等。同时,纤维增强复合材料的密度远远小于传统的金属材料。因此,在对轻量化和材料强度要求严格的航空航天、赛车等领域,纤维增强复合材料的使用比例越来越高。
不同于金属材料,纤维增强复合材料具有复杂的失效形式,常见有分层、基体开裂、纤维断裂、纤维脱粘等。总的来说可以概括为基体的破坏、纤维的破坏和纤维与基体界面的破坏。其中,纤维和基体单独的力学性能测试比较方便,而纤维和基体的界面力学性能测试由于涉及到两种材料,尤其是纤维的尺寸在长度方向和直径方向比例悬殊,因此纤维和基体的界面力学性能测试较为困难。
针对复合材料微观界面力学性能的测试实验方法有单丝拔出实验、单丝顶出实验和微球脱粘实验等。得益于试样制作简单,单丝拔出实验和微球脱粘实验得到了广泛的应用。微球脱粘实验的原理如图1所示,为了保证实验的结果的准确性,微球脱粘实验对夹具和刀具的要求比较严格。具体而言,由于单根纤维的直径约为10微米,若粘附在纤维上的基体微球尺寸过大,则会导致实验过程中纤维断裂。因此,试样中纤维上粘附的基体微球尺寸不能过大,这对实验刀具的间隙控制精度提出了高要求。
因此,需要针对纤维与基体界面力学性能测试的微球脱粘实验,研发一种新型的可精确控制刀口间隙的夹具,从而提高纤维基体界面力学性能测试结果的准确性,降低实验人员的操作难度,进一步促进高性能复合材料失效机理的研究。
发明内容
本发明正是鉴于上述问题完成的,目的在于提供一种夹具及使用方法,能够精确地测量纤维和基体之间的界面力学性能。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种用于纤维基体界面强度微球脱粘实验的夹具,该夹具适用于微型原位力学试验设备的狭窄安装空间,并且可精确控制刀具间隙,所述的夹具包括刀具部分和试件夹具两部分。
为了在实验过程中全程使用显微镜进行观测,并且减少由震动而让传感器测得额外的噪声,所述的刀具部分包括变形刀具1、刀具固定螺栓5、刀口间隙调节螺栓6。所述的变形刀具1的一端通过刀具固定螺栓5与微型原位力学试验设备的夹具座固定端(测力传感器测量部分)相连,为刀具固定结构。所述变形刀具1的另一端为刀具变形结构,其中刀具变形结构包括刀头9、弹性支撑板10、弹性驱动板11,设有安装刀口间隙调节螺栓6的螺纹孔;其中弹性支撑板10一端与刀具固定结构相连,另一端与刀头9相连,起到支撑刀头9的作用,并且允许刀头在垂直于弹性支撑板10的方向能够有微小的移动空间;所述刀头9为直角梯形形状,锐角端用来剥离纤维试样上的基体微球;弹性驱动板11的中间部分比两端更薄,其一端与刀头9的直角端相连,另一端为自由端;安装刀口间隙调节螺栓6的螺纹孔位于与刀具固定结构相连的外伸矩形块内,刀口间隙调节螺栓6与弹性驱动板11的自由端垂直接触。所述变形刀具1通过刀具的变形实现刀口间隙的调整,实现变形的调整结构为刀具变形结构,具体的:所述变形刀具1每一侧刀头9通过两块弹性支撑板10与刀具主体相连,目的在于让刀头9在垂直于设备运动方向平行移动;所述刀头9外侧连接弹性驱动板11,通过弹性变形,将刀口间隙调节螺栓6端的位移缩小后传递至刀头9,此弹性驱动板11中间段厚度可根据实际刀口间隙调整控制要求进行更改。即每一侧的刀具通过两块平行薄板的变形调整刀口间隙,通过第三块弹性薄板的变形将输入端的位移按比例减小后传递至刀口间隙。所述的试件夹具安装在微型原位力学试验设备的夹具移动安装座,在实验进行时使纤维在刀口间隙中移动。所述试件夹具安装包括夹具底座2、试件片3、试件片压板4、夹具底座固定螺栓7、试件片压板固定螺栓8。所述的试件片压板4为矩形板状结构,其上方两端设有两个矩形凸起;所述的夹具底座2中部设有用于放置试件片3的凹槽,且临近凹槽位置设有矩形凸起结构,该矩形凸起结构上方两端也设有两个矩形凸起,安装后与试件片压板4的凸起结构对应;所述的夹具底座2通过夹具底座固定螺栓7与微型原位力学试验设备的夹具座移动端相连。所述的试件片3为U型片状一体成型结构,U型结构两端向下弯折为L型,与主体结构垂直,弯折后的端部设有凹槽,用于安装时通过试件片压板固定螺栓8,弯折后试样片能有效固定纤维两端,并给显微镜留出垂直向下观察试样的空间。安装时,试件片3向下弯折的两端垂直放置在夹具底座2中部凹槽后,放置试件片压板4,试件片3被夹在试件片压板4和夹具底座2矩形凸起结构的中部,且试件片压板4与夹具底座2的矩形凸起结构通过试件片压板固定螺栓8固定,即试件片压板4通过试件片压板固定螺栓8将试件片3紧紧固定在夹具底座2上。所述的试件片3上预先使用胶带或胶水预固定挂有基体微球的纤维试样。
进一步的,所述试件片3设计为L型,在保证纤维试件安装方便的同时,留出空间给显微镜观察试样。
此外,在本发明的夹具中,优选将夹具底座中与试样片接触部分向上延伸至超过刀口厚度方向的中面,让试样片安装时紧贴延伸部分竖直向下安装,减小纤维试样在安装过程中接触刀口而断裂的概率,并且使纤维试样安装位置尽量靠近刀口厚度方向的中面。
根据本发明,可以方便地将纤维试样固定至试样夹具。实验开始后,能全程在显微镜中观察到纤维试样沿着微型原位力学试验设备加载方向移动,当粘附在纤维上的基体微球接触到刀具时,会因为无法通过刀口间隙被迫与纤维分离。
一种用于纤维基体界面强度微球脱粘实验的夹具的使用方法,包括以下步骤:
在实验开始前,刀口间隙较大,便于纤维试样安装固定。待试样安装完毕后,通过螺栓将第三块弹性薄板向内挤压,推动刀口间隙减小至略大于纤维直径,能够在实验开始后有效分离粘附在纤维上的基体微球。
1)将夹具底座2通过夹具底座固定螺栓7固定在微型原位力学试验设备的夹具座移动端;
2)使用试件片压板固定螺栓8将试件片压板4预安装在夹具底座上,不固定紧,留出试件片3的安装空间;
3)将变形刀具1通过刀具固定螺栓5固定在微型原位力学试验设备的夹具座非移动端,变形刀具1中的刀头9部分将位于夹具底座2两个矩形凸起结构之间;
4)将试件片3紧贴夹具底座2的凸起部分向下安装到位,防止安装过程中纤维试样被刀刃划断,并拧紧试件片压板固定螺栓8,通过试件片压板4将试件片3紧紧固定在夹具底座2上;
5)借助显微镜,通过刀口间隙调节螺栓6调节变形刀具1的刀口间隙,略大于纤维直径而小于基体微球直径;
6)开始实验后,微型原位力学试验设备将驱动夹具底座2移动,纤维试样将垂直于刀口间隙移动,而基体微球受到刀头9阻挡,将会从纤维剥离,这个过程产生的力将通过变形刀具1传递至微型原位力学试验设备的测力传感器。
本发明的有益效果为:
本发明中的变形刀具1具有精细调节刀口间隙的能力,能在显微镜下通过螺栓微调刀口的位置,使刀口间隙略大于纤维试样直径而小于基体微球直径,并且在刀口位置调整过程中,始终保持两侧刀刃平行。两侧刀口间隙的精确调整和刀刃始终保持平行的特性,是纤维基体界面强度微球脱粘试验能否成功的重要保证。本发明中夹具底座2和试件片压板4的凸起设计简化了试样的安装流程,并减小纤维试样被刀刃划伤的几率。本发明中的U型片状一体化设计的试件片3方便了试样的安装以及能在实验过程中用显微镜全程观察试样状态。以上因素都会对提高实验结果的准确性有正面的影响。
附图说明
图1为用于纤维基体界面强度微球脱粘测试的夹具零件结构示意图;
图2为用于纤维基体界面强度微球脱粘测试的夹具零件示意图;
图3为本发明夹具中的变形刀具关键结构示意图(变形刀具俯视图);
图4为本发明夹具中的变形刀具刀口间隙调整形式示意图;
图中:1变形刀具;2夹具底座;3试件片;4试件片压板;5刀具固定螺栓;6刀口间隙调节螺栓;7夹具底座固定螺栓;8试件片压板固定螺栓;9刀头;10弹性支撑板;11弹性驱动板。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚、完整地描述。
如图1所示,一种用于纤维基体界面强度微球脱粘测试的夹具包括:变形刀具1、夹具底座2、试件片3、试件片压板4、刀具固定螺栓5、刀口间隙调节螺栓6、夹具底座固定螺栓7、试件片压板固定螺栓8。变形刀具1通过刀具固定螺栓5与微型原位力学试验设备的夹具座固定端(测力传感器测量部分)相连;夹具底座2通过夹具底座固定螺栓7与微型原位力学试验设备的夹具座移动端相连;试件片3上预先使用胶带或胶水预固定挂有基体微球的纤维试样;试件片3被夹在夹具底座2和试件片压板4中间;试件片压板4通过试件片压板固定螺栓8将试件片3紧紧固定在夹具底座2上;变形刀具1的刀口间隙通过刀口间隙调节螺栓6并借助显微镜进行精细调整。
如图2和图3所示,本发明通过刀具的变形实现刀口间隙的调整,每一侧刀头9通过两块弹性支撑板10与刀具主体相连,该结构使刀头可以横向移动的同时,保证刀具在试样移动方向不易变形。刀头外侧连接弹性驱动板11,将刀口间隙调节螺栓6的推力传递至刀头9,推动刀头9精密调整间隙。弹性驱动板11通过弹性变形,将刀口间隙调节螺栓6端的位移减小,以达到刀头9间隙精细调节的目的。此变形刀具相比于使用运动机构设计的可调节间隙刀具,有着调节精细程度更高、占用空间更小的优点。
刀口间隙预留一段空间,便于纤维试件的固定安装。试件片3设计为L型,在保证纤维试件安装方便的同时,留出空间给显微镜观察试样。试件片3中间安装纤维试件的间隙,以及夹具底座2和试件片压板4的相应部位的间隙,可以根据纤维试样长度的实际需求,调整设计尺寸,同时变形刀具1的弹性支撑板10和弹性驱动板11的长度也要相应进行调整。弹性驱动板11中间段的厚度决定了刀口间隙调节螺栓6和刀头9位移的比例,此厚度越薄,刀口间隙调节螺栓6拧一圈使刀头9产生的位移越小,因此可根据实际需求调整弹性驱动板11中间段的厚度。
此外,在本发明的夹具中,优选将夹具底座中与试样片接触部分向上延伸至超过刀口厚度方向的中面,让试样片安装时紧贴延伸部分竖直向下安装,减小纤维试样在安装过程中接触刀口而断裂的概率,并且使纤维试样安装位置尽量靠近刀口厚度方向的中面。
根据本发明,可以方便地将纤维试样固定至试样夹具。实验开始后,能全程在显微镜中观察到纤维试样沿着微型原位力学试验设备加载方向移动,当粘附在纤维上的基体微球接触到刀具时,会因为无法通过刀口间隙被迫与纤维分离。
本发明能够在微型原位力学试验设备的狭小空间内实现微球脱粘试验件的安装,并且精细调整刀口间隙,减小实验数据的误差。并且可以根据原位力学试验设备的安装尺寸,灵活设计夹具各部分的尺寸,具有较好的适用性。
最后应说明的是,以上实例仅用于说明对本发明的技术方案,而非对其进行限制。应当理解,在本发明的应用范围内,能将实施方式中的各个部件进行适当的变形,以适应实际使用情况。而这些变化并不会使相应技术方案脱离本发明的技术方案范围。
Claims (3)
1.一种用于纤维基体界面强度微球脱粘实验的夹具,所述夹具适用于微型原位力学试验设备的狭窄安装空间,实验过程中全程使用显微镜进行观测,并且可精确控制刀具间隙,其特征在于,所述的夹具包括刀具部分和试件夹具两部分;
所述的刀具部分包括变形刀具(1)、刀具固定螺栓(5)、刀口间隙调节螺栓(6);所述的变形刀具(1)的一端通与微型原位力学试验设备的夹具座固定端,即测力传感器测量部分相连,作为刀具固定结构;所述变形刀具(1)的另一端为刀具变形结构,设有安装刀口间隙调节螺栓(6)的螺纹孔其中刀具变形结构包括刀头(9)、弹性支撑板(10)、弹性驱动板(11);所述弹性支撑板(10)一端与刀具固定结构相连,另一端与刀头(9)相连,起到支撑刀头(9)的作用,并且允许刀头在垂直于弹性支撑板(10)的方向能够有微小的移动空间;所述刀头(9)为直角梯形形状,锐角端用来剥离纤维试样上的基体微球;所述弹性驱动板(11)的中间部分比两端薄,其一端与刀头(9)的直角端相连,另一端为自由端;安装刀口间隙调节螺栓(6)的螺纹孔位于与刀具固定结构相连的外伸矩形块内,刀口间隙调节螺栓(6)与弹性驱动板(11)的自由端垂直接触;
所述变形刀具(1)通过刀具的变形实现刀口间隙的调整,实现变形的调整结构为刀具变形结构:所述变形刀具(1)每一侧刀头(9)通过两块弹性支撑板(10)与刀具主体相连,让刀头(9)在垂直于设备运动方向平行移动;所述刀头(9)外侧连接弹性驱动板(11),通过弹性变形,将刀口间隙调节螺栓(6)端的位移缩小后传递至刀头(9),此弹性驱动板(11)中间段厚度可根据实际刀口间隙调整控制要求进行更改;
所述的试件夹具安装在微型原位力学试验设备的夹具移动安装座,在实验进行时使纤维在刀口间隙中移动;所述试件夹具安装包括夹具底座(2)、试件片(3)、试件片压板(4);所述的试件片压板(4)为矩形板状结构,其上方两端设有两个矩形凸起;所述的夹具底座(2)中部设有用于放置试件片(3)的凹槽,且临近凹槽位置设有矩形凸起结构,该矩形凸起结构上方两端也设有两个矩形凸起,安装后与试件片压板(4)的凸起结构对应;所述的夹具底座(2)通过夹具底座固定螺栓(7)与微型原位力学试验设备的夹具座移动端相连;所述的试件片(3)上预先使用胶带或胶水预固定挂有基体微球的纤维试样。
2.根据权利要求1所述的一种用于纤维基体界面强度微球脱粘实验的夹具,其特征在于,所述的试件片(3)为U型片状一体成型结构,U型结构两端向下弯折为L型,弯折后的端部设有凹槽,用于安装时通过试件片压板固定螺栓(8),弯折后试样片能有效固定纤维两端,并给显微镜留出垂直向下观察试样的空间。
3.一种权利要求1或2所述的用于纤维基体界面强度微球脱粘实验的夹具的使用方法,其特征在于,包括以下步骤:
在实验开始前,刀口间隙较大,便于纤维试样安装固定;待试样安装完毕后,通过螺栓将弹性驱动板(11)向内挤压,推动刀口间隙减小至略大于纤维直径,能够在实验开始后有效分离粘附在纤维上的基体微球;
1) 将夹具底座(2)通过夹具底座固定螺栓(7)固定在微型原位力学试验设备的夹具座移动端;
2) 使用试件片压板固定螺栓(8)将试件片压板(4)预安装在夹具底座上,不固定紧,留出试件片(3)的安装空间;
3) 将变形刀具(1)通过刀具固定螺栓(5)固定在微型原位力学试验设备的夹具座非移动端,变形刀具(1)中的刀头(9)部分将位于夹具底座(2)两个矩形凸起结构之间;
4) 将试件片(3)紧贴夹具底座(2)的凸起部分向下安装到位,防止安装过程中纤维试样被刀刃划断,并拧紧试件片压板固定螺栓(8),通过试件片压板(4)将试件片(3)紧紧固定在夹具底座(2)上;
5) 借助显微镜,通过刀口间隙调节螺栓(6)调节变形刀具(1)的刀口间隙,略大于纤维直径而小于基体微球直径;
6) 开始实验后,微型原位力学试验设备将驱动夹具底座(2)移动,纤维试样将垂直于刀口间隙移动,而基体微球受到刀头(9)阻挡,将会从纤维剥离,这个过程产生的力将通过变形刀具(1)传递至微型原位力学试验设备的测力传感器;实验开始后,能全程在显微镜中观察到纤维试样沿着微型原位力学试验设备加载方向移动,当粘附在纤维上的基体微球接触到刀具时,会因为无法通过刀口间隙被迫与纤维分离。
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