碳纖維預浸料層間滑移力測量裝置及測量方法
【專利摘要】一種碳纖維預浸料層間滑移力測量裝置及測量方法。承載架安裝在該支架的支架面板上。兩個固定碳纖維預浸料的基座位于在承載架內，述碳纖維預浸料滑移機構中的墊板位于兩個基座之間，并與該碳纖維預浸料滑移機構中的滑輪鋼絲繩固連。滑輪固定在連接板上。連接板固定在機床臺面上，通過機床帶動碳纖維預浸料滑移機構移動，使滑移碳纖維預浸料與固定碳纖維預浸料之間產生相對運動，通過電子萬能試驗機力傳感器測量測量包覆在墊板上的碳纖維預浸料滑移中的滑移力。本發明施力勻均、加熱溫度易控制，得到的測量數據可靠，并且操作容易，方便實用，適用性強；可推廣到其它種類預浸料的滑移力測量實驗中。
【專利說明】碳纖維預浸料層間滑移力測量裝置及測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及成型【技術領域】，具體是一種可測量碳纖維預浸料成型過程中層間滑移力的方法及裝置。
【背景技術】
[0002]在用熱隔膜成型工藝制作復合材料預成型件的過程中，為了避免纖維的褶皺和斷裂，必須使這些纖維層發生相對滑移，并且層間滑移有利于成型過程的進行。預成型件邊緣質量主要與復合材料疊層的層間滑移效應有關，各層復合材料應力、應變和位移幾乎一致的效果以及良好的邊緣成型質量證明層間滑移效應明顯，隨著拐角處曲率的變化，層與層之間產生均勻的層間滑移，保證了成型質量，避免了層間分離、拐角褶皺和邊緣參差不齊。
[0003]我國在此項技術上尚處于實驗開發階段，相關的理論基礎薄弱，涉及具體工藝參數的研究也還處在起步階段，無法指導熱隔膜成型工藝的實際操作實施，嚴重制約了復合材料在我國的應用。因此，對碳纖維預浸料成型過程中層間滑移力的研究不僅可以測得碳纖維預浸料發生層間滑移時的最佳溫度范圍，同時對提高復合材料大型復雜結構件的成型效率和成型質量有重要的理論意義和現實意義。測量裝置需要在加熱的環境中使用，所以對裝置的耐熱性和可靠性要求較高。
[0004]國外的Scherer等開發了一種采用靜載荷系統測量熔融復合材料層間滑移阻力的測試設備。Murtagh等開發了類似上述采用靜載荷系統測量熔融復合材料層間滑移阻力的控制設備。這兩種設備的操作原理都是從夾在兩塊矩形加熱板之間的兩個平板樣品中間橫向拉伸中心層，并且上述設備的操作過程都比較復雜。
[0005]北京航空航天大學建立的碳纖維預浸料鋪層摩擦滑移特性測試裝置是將測試夾具和試樣整體固定到力學實驗機上，利用彈簧加壓裝置和加熱片對試樣進行加壓和加熱，以此來測量層間滑移力，這種彈簧加壓的方法誤差較大，施加的壓力準確度不高；同時，利用加熱片對碳纖維預浸料進行加熱的方法不容易有效控制溫度。
[0006]目前，急需一種可靠的能夠測量碳纖維預浸料成型過程中不同溫度下層間滑移力的簡易裝置，不僅原理簡單、便于操作、經濟適用，而且還能夠準確和方便的測出碳纖維預浸料的層間滑移力。
【發明內容】
[0007]為了克服現有技術存在的施力誤差較大、加熱溫度不易控制的不足，本發明提出了一種碳纖維預浸料層間滑移力測量裝置及測量方法。
[0008]本發明提出的碳纖維預浸料層間滑移力測量裝置包括支架、承載架、碳纖維預浸料固定座和碳纖維預浸料滑移機構。其中承載架安裝在該支架的支架面板上。碳纖維預浸料固定座位于承載架內，并且所述碳纖維預浸料固定座中的上基座固定在承載架的頂板的下表面，碳纖維預浸料固定座中的下基座固定在支架面板的上表面，兩個基座的碳纖維預浸料固定面相對應并且有間距，該間距等于墊板的厚度與四層碳纖維預浸料的厚度之和。承載架的立柱插裝在位于所述支架面板上的立柱孔內，并使兩者之間間隙配合。所述碳纖維預浸料滑移機構中的墊板位于兩個基座之間，并與該碳纖維預浸料滑移機構中的滑輪鋼絲繩固連。滑輪固定在連接板上。連接板固定在機床臺面上。
[0009]所述碳纖維預浸料滑移機構包括墊板、夾板、套管和滑輪；所述墊板位于兩個基座的碳纖維預浸料固定面之間，該墊板有滑輪鋼絲繩連接孔的一端裝夾在夾板內。墊板為條狀板，寬度與滑移碳纖維預浸料的寬度相同，將一塊條形碳纖維預浸料沿其長度方向對折之后包覆在墊板的上表面和下表面，并通過兩個夾板夾緊固定，作為滑移碳纖維預浸料。滑輪鋼絲繩裝在套管內。在所述兩個夾板相配合表面分別有墊板嵌槽。
[0010]所述碳纖維預浸料固定座中的上基座和下基座均為一個表面有凸臺的矩形板，該凸臺的表面為碳纖維預浸料固定面。
[0011 ] 所述套管包括前套管和后套管。在前套管一端端面對稱分布有兩個槽口，通過該槽口將前套管該端與支架面板插接；在所述前套管的另一端有法蘭。在后套管的一端端面對稱分布有兩個槽口，通過該槽口將后套管與連接板插接；在所述后套管的另一端亦有法蘭。將前套管與后套管通過所述法蘭固連。
[0012]本發明提出的測量碳纖維預浸料層間滑移力的方法的具體步驟是:
[0013]步驟1，確定需施加在滑移碳纖維預浸料表面的物體質量。確定需施加在滑移碳纖維預浸料表面的物體質量時，根據試驗要求確定的大氣壓強Pi,通過公式(I)
[0014]Fn=P1.S(I)[0015]得到應施加在滑移碳纖維預浸料表面的壓力Fn，通過公式(2)確定需施加在滑移碳纖維預浸料上的物體質量M
[0016]M=FN/g (2)
[0017]上述公式中，S是滑移碳纖維預浸料的受力面積，g是施加在滑移碳纖維預浸料表面物體的重力加速度。
[0018]步驟2，確定所需配重塊的質量。通過第一步得到的需施加在滑移碳纖維預浸料上的質量M由兩部分組成，一部分是承載架與上基座的質量M0,另一部分是配重塊的質量Mp所述承載架與上基座的質量M0通過稱量的方法直接獲得，所述配重塊的質量Mi通過公式
(3)確定:
[0019]Mi=M-M0(3)
[0020]得到應施加在滑移碳纖維預浸料表面上的配重塊的質量。
[0021]步驟3，裝夾固定碳纖維預浸料。將兩塊碳纖維預浸料分別固定在上基座的碳纖維預浸料固定面和下基座的碳纖維預浸料固定面上，作為固定碳纖維預浸料。將上基座固定在承載架的頂板的下表面，將下基座固定在支架面板的上表面。
[0022]步驟4，裝夾滑移碳纖維預浸料。將一塊條形碳纖維預浸料沿其長度方向對折之后包覆在墊板的上表面和下表面。將包覆有碳纖維預浸料的墊板有滑輪鋼絲繩連接孔的一端裝入夾板上的墊板嵌槽內并固定。
[0023]步驟5，安裝碳纖維預浸料層間滑移力測量裝置。根據第二步中確定的所需配重塊的質量Mi,在承載架的底板上碼放質量為Mi的標準重物塊。將支架置于烘箱中。將連接板固定在機床臺面上。將滑輪鋼絲繩裝入套管內部并引出來。將前套管有槽口一端與支架面板插接；將后套管有槽口一端與連接板插接；將前套管的法蘭與后套管的法蘭固連。將滑輪鋼絲繩裝在滑輪上并固定在機床橫梁的底部。至此完成了測量裝置的安裝。
[0024]步驟6，測量碳纖維預浸料層間滑移力。依次測量碳纖維預浸料在60°C~180°C的溫度范圍內的滑移力。首次測量溫度為60°C，每次以10°C的溫差升溫，直至測量溫度達到180。。。
[0025]測量時，首先通過烘箱對碳纖維預浸料加熱至60°C并保溫。啟動電子萬能試驗機使機床橫梁移動，帶動連接在機床橫梁上的滑輪鋼絲繩移動，從而帶動包覆有碳纖維預浸料的墊板滑移，使包覆在墊板上的碳纖維預浸料與固定在基座上的碳纖維預浸料之間產生相對運動。通過電子萬能試驗機力傳感器測量測量包覆在墊板上的碳纖維預浸料滑移中的滑移力。該機床橫梁的移動速度和移動距離均根據試驗要求確定:機床橫梁的移動速度為10mm/min，移動距離為90mm。當碳纖維預浸料滑移距離達到設定值后，機床橫梁停止運動。測量溫度為60°C時碳纖維預浸料層間滑移力結束。
[0026] 機床橫梁回位。從烘箱內取出碳纖維預浸料層間滑移力測量裝置，并使包覆有碳纖維預浸料的墊板4回歸原位。把碳纖維預浸料層間滑移力測量裝置放回到烘箱內。通過烘箱對碳纖維預浸料加熱至70°C并保溫。當烘箱溫度加熱到70°C后，啟動機床，重復溫度為60°C時的測量過程，得到溫度為70°C時碳纖維預浸料層間滑移力。
[0027]以10°C的溫度差逐次調節對碳纖維預浸料的加熱溫度，并重復所述測量過程，直至完成碳纖維預浸料在60°C~180°C的溫度范圍內滑移力的測量。得到碳纖維預浸料在60 V~180°C的溫度范圍內的滑移力。
[0028]在測量中，通過計算機會自動繪制出滑移過程中力變化的曲線圖。
[0029]利用彈簧加壓裝置和加熱片對試樣進行加壓和加熱，以此來測量層間滑移力，這種彈簧加壓的方法誤差較大，施加的壓力準確度不高；同時，利用加熱片對碳纖維預浸料進行加熱的方法不容易有效控制溫度。
[0030]本發明提出的碳纖維預浸料滑移力測量裝置全部由機械零件組成，并且是在烘箱內作業，可獲得良好的實驗效果；利用電子萬能試驗機可測出不同參數條件下碳纖維預浸料之間的滑移力，柔性較強；盡量避免使用電子元器件，可靠性高；裝置方便實用，容易操作；結構簡單，易于加工制造；經濟適用，適應性強；可推廣到其它種類預浸料的滑移力測量實驗中。
[0031]當碳纖維預浸料上所加重物質量M為2958.6g時，不同溫度下，采用本發明測得的碳纖維預浸料滑移力如表1所示:
[0032]表1
[0033]
【權利要求】
1.一種碳纖維預浸料層間滑移力的測量裝置，其特征在于，包括支架、承載架、碳纖維預浸料固定座和碳纖維預浸料滑移機構；其中承載架安裝在該支架的支架面板上；碳纖維預浸料固定座位于承載架內，并且所述碳纖維預浸料固定座中的上基座固定在承載架的頂板的下表面，碳纖維預浸料固定座中的下基座固定在支架面板的上表面，兩個基座的碳纖維預浸料固定面相對應并且有間距，該間距等于墊板的厚度與四層碳纖維預浸料的厚度之和；承載架的立柱插裝在位于所述支架面板上的立柱孔內，并使兩者之間間隙配合；所述碳纖維預浸料滑移機構中的墊板位于兩個基座之間，并與該碳纖維預浸料滑移機構中的滑輪鋼絲繩固連；滑輪固定在連接板上；連接板固定在機床臺面上。
2.如權利要求1所述碳纖維預浸料層間滑移力的測量裝置，其特征在于，所述碳纖維預浸料滑移機構包括墊板、夾板、套管和滑輪；所述墊板位于兩個基座的碳纖維預浸料固定面之間，該墊板有滑輪鋼絲繩連接孔的一端裝夾在夾板內；墊板為條狀板，寬度與滑移碳纖維預浸料的寬度相同，將一塊條形碳纖維預浸料沿其長度方向對折之后包覆在墊板的上表面和下表面，并通過兩個夾板夾緊固定，作為滑移碳纖維預浸料；滑輪鋼絲繩裝在套管內；在所述兩個夾板相配合表面分別有墊板嵌槽。
3.如權利要求1所述碳纖維預浸料層間滑移力的測量裝置，其特征在于，所述碳纖維預浸料固定座中的上基座和下基座均為一個表面有凸臺的矩形板，該凸臺的表面為碳纖維預浸料固定面。
4.如權利要求2所述碳纖維預浸料層間滑移力的測量裝置，其特征在于，所述套管包括前套管和后套管；在前套管一端端面對稱分布有兩個槽口，通過該槽口將前套管該端與支架面板插接；在所述前套管的另一端有法蘭；在后套管的一端端面對稱分布有兩個槽口，通過該槽口將該后套管與連接板插接；在所述后套管的另一端亦有法蘭；將前套管與后套管通過所述法蘭固連。
5.一種使用權利要求1所述碳纖維預浸料層間滑移力測量裝置測量碳纖維預浸料層間滑移力的方法，其特征在于，具體步驟是: 步驟1，確定需施加在滑移碳纖維預浸料表面的物體質量；確定需施加在滑移碳纖維預浸料表面的物體質量時，根據試驗要求確定的大氣壓強Pi,通過公式(I) Fn=P1.S (I) 得到應施加在滑移碳纖維預浸料表面的壓力Fn，通過公式(2)確定需施加在滑移碳纖維預浸料上的物體質量M M=FN/g (2) 上述公式中，S是滑移碳纖維預浸料的受力面積，g是施加在滑移碳纖維預浸料表面物體的重力加速度； 步驟2，確定所需配重塊的質量；通過第一步得到的需施加在滑移碳纖維預浸料上的物體質量M由兩部分組成，一部分 是承載架與上基座的質量M0,另一部分是配重塊的質量Mi ;所述承載架與上基座的質量M0通過稱量的方法直接獲得，所述配重塊的質量Mi通過公式(3)確定: Mi=M-M0 (3) 得到應施加在滑移碳纖維預浸料表面上的配重塊的質量； 步驟3，裝夾固定碳纖維預浸料；將兩塊碳纖維預浸料分別固定在上基座的碳纖維預浸料固定面和下基座的碳纖維預浸料固定面上，作為固定碳纖維預浸料；將上基座固定在承載架的頂板的下表面，將下基座固定在支架面板的上表面； 步驟4，裝夾滑移碳纖維預浸料；將一塊條形碳纖維預浸料沿其長度方向對折之后包覆在墊板的上表面和下表面；將包覆有碳纖維預浸料的墊板有滑輪鋼絲繩連接孔的一端裝入夾板上的墊板嵌槽內并固定； 步驟5，安裝碳纖維預浸料層間滑移力測量裝置；根據第二步中確定的所需配重塊的質量Mi,在承載架的底板上碼放質量為Mi的標準重物塊；將支架置于烘箱中；將連接板固定在機床臺面上；將滑輪鋼絲繩裝入套管內部并引出來；將前套管有槽口一端與支架面板插接；將后套管有槽口一端與連接板插接；將前套管的法蘭與后套管的法蘭固連；將滑輪鋼絲繩裝在滑輪上并固定在機床橫梁的底部；至此完成了測量裝置的安裝； 步驟6，測量碳纖維預浸料層間滑移力；依次測量碳纖維預浸料在60°C~180°C的溫度范圍內的滑移力；首次測量溫度為60°C，每次以10°C的溫差升溫，直至測量溫度達到.180 0C ； 測量時，首先通過烘箱對碳纖維預浸料加熱至60°C并保溫；啟動電子萬能試驗機使機床橫梁移動，帶動連接在機床橫梁上的滑輪鋼絲繩移動，從而帶動包覆有碳纖維預浸料的墊板滑移，使包覆在墊板上的碳纖維預浸料與固定在基座上的碳纖維預浸料之間產生相對運動；通過電子萬能試驗機上的力傳感器測量包覆在墊板上的碳纖維預浸料滑移中的滑移力；該機床橫 梁的移動速度和移動距離均根據試驗要求確定:機床橫梁的移動速度為.10mm/min，移動距離為90mm ;當碳纖維預浸料滑移距離達到設定值后，機床橫梁停止運動；測量溫度為60°C時碳纖維預浸料層間滑移力結束； 機床橫梁回位；從烘箱內取出碳纖維預浸料層間滑移力測量裝置，并使包覆有碳纖維預浸料的墊板4回歸原位；把碳纖維預浸料層間滑移力測量裝置放回到烘箱內；通過烘箱對碳纖維預浸料加熱至70°C并保溫；當烘箱溫度加熱到70°C后，啟動機床，重復溫度為60°C時的測量過程，得到溫度為70°C時碳纖維預浸料層間滑移力；以10°C的溫度差逐次調節對碳纖維預浸料的加熱溫度，并重復所述測量過程，直至完成碳纖維預浸料在60°C~.180°C的溫度范圍內滑移力的測量；得到碳纖維預浸料在60°C~180°C的溫度范圍內的滑移力； 在測量中，通過計算機會自動繪制出滑移過程中力變化的曲線圖。
【文檔編號】G01N19/00GK103913413SQ201410146458
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月14日 優先權日:2014年4月14日
【發明者】王永軍, 楊凱, 孫寶龍, 元振毅, 楊選宏 申請人:西北工業大學