一种碳纤维单丝拉伸强度测试装置及其测试方法

摘要

本发明公开一种碳纤维单丝拉伸强度测试装置及其测试方法，其中测试装置包括碳纤维单丝保持架、称重传感器、执行机构、数据采集卡及计算机控制系统，所述碳纤维单丝保持架由保持板、通过螺栓固定于所述保持板两端的上固定板和下固定板组成，所述上固定板固定于执行机构上随执行机构一起运动，所述下固定板固定于称重传感器上，所述数据采集卡与执行机构及称重传感器相连，所述计算机控制系统通过数据采集卡输出运动速度和方向信号到执行机构上用以对执行机构控制，所述计算机控制系统通过数据采集卡采集称重传感器的信号。本发明碳纤维单丝拉伸强度测试装置及其测试方法能够有效的克服传统方法中的夹持成功率低和测试成本昂贵的问题。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种测试装置及其测试方法，尤其涉及一种碳纤维单丝拉伸强度测试装 置及其测试方法，其属于实验装置及方法领域。

背景技术：

碳纤维因其强度高，模量好，密度低，以及良好的高温性能，而应用于各种先进复 合材料中的增强相，已在航空航天，压力容器，风力发电，海洋船舶等领域显示出优越 性。在碳纤维增强复合材料中，主要载荷由增强相碳纤维承担，其强度直接决定复合材 料构件的强度。因此，对碳纤维强度做出准确的测试显得尤为重要。

然而，由于碳纤维微米级的直径和固有的脆性，对于碳纤维单丝拉伸强度的测试面 临很多困难。碳纤维单丝的直径一般在几微米到十几微米，其破坏拉力在10-1牛的量级， 这样小量级对拉力传感器和执行机构的控制都提出了很高的要求。此外，碳纤维是一种 脆性材料，在传统的夹持方式中很容易对纤维造成损伤。

姚江薇和于伟东在“脆性纤维强伸性能的国外测试方法简介”（中国纤检2006年第 8期）中指出，目前，针对碳纤维单丝拉伸强度测试装置，一般是在专用的微力拉伸试 验机上进行，能满足碳纤维测试精度要求的拉力传感器价格高昂，故而传统的碳纤维单 丝拉伸强度测试试验成本一般比较高。

此外，针对碳纤维单丝拉伸强度测试方法，一般是通过将脆性的碳纤维单丝黏贴于 一个纸质试样卡，然后将试样卡夹持于微力拉伸试验机的夹头上。这样的夹持过程操作 复杂，对中精度低。由于纸质试样卡的柔性，夹持过程中容易拉断碳纤维。

因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。

发明内容：

本发明是为了解决现有测试装置昂贵和测试方法操作复杂而设计的，本发明的目的 是提供一种低成本的，操作简单方便的碳纤维单丝拉伸强度测试装置及其测试方法，克 服传统方法中的夹持成功率低和测试成本昂贵的问题。

本发明采用如下技术方案：一种碳纤维单丝拉伸强度测试装置，其包括碳纤维单丝 保持架、称重传感器、执行机构、数据采集卡及计算机控制系统，所述碳纤维单丝保持 架由保持板、通过螺栓固定于所述保持板两端的上固定板和下固定板组成，所述上固定 板固定于执行机构上随执行机构一起运动，所述下固定板固定于称重传感器上，所述数 据采集卡与执行机构及称重传感器相连，所述计算机控制系统通过数据采集卡输出运动 速度和方向信号到执行机构上用以对执行机构控制，所述计算机控制系统通过数据采集 卡采集称重传感器的信号。

所述碳纤维单丝拉伸强度测试装置还包括有将所述下固定板固定于称重传感器上 的下夹持板。

所述上固定板通过螺栓固定于执行机构上。

本发明采用如下技术方案：一种碳纤维单丝拉伸强度测试装置的测试方法，其包括 如下步骤：

1）标定称重传感器：将称重传感器与数据采集卡相连接，同时将数据采集卡与计 算机控制系统相连接，用标准砝码标定称重传感器；

2）固定碳纤维单丝：将上固定板、下固定板安装于保持板的两端上，将碳纤维单 丝沿着上、下固定板上的对中点黏贴好；

3）夹持固定板：将碳纤维单丝保持架作为一整体，把上固定板安装于执行机构上， 将下固定板通过下夹持板固定在称重传感器上，取下保持板，记录此时称重传感器读数 W1；

4）测试：通过计算机控制系统控制执行机构向上移动并采集称重传感器的读数直 到碳纤维断裂，断裂时称重传感器读数为W2，按下式得到碳纤维单丝的拉伸强度

${\sigma }_b=\frac{4(W_1-W_2)g}{\pi d^2}$

其中，g——称重加速度；

d——碳纤维单丝直径。

本发明具有如下有益效果：

（1）在相同精度等级下，称重传感器价格要远低于拉力传感器价格，本发明巧妙 的将拉力测试转换为重量变化的测试，进而采用称重传感器代替传统测试装置中的拉力 传感器，在保证相同测试精度的前提下，大大降低了装置的成本；

（2）改进了碳纤维的固定装置，采用高刚度的铝材夹具代替柔性的纸质夹具，实 现一次对中仪器后可进行多次碳纤维单丝测试，简化了测试过程，该夹具还避免了碳纤 维在夹持过程中被拉断，提高测试的成功率。

附图说明：

图1为本发明碳纤维单丝拉伸强度测试装置的原理图。

图2为本发明碳纤维单丝拉伸强度测试装置的结构图。

其中：

1—执行机构，2—上固定板，3—保持板，4—下固定板，5—下夹持板，6—称重传 感器。

具体实施方式：

请参照图1和图2所示，本发明碳纤维单丝拉伸强度测试装置包括碳纤维单丝保持 架，称重传感器，执行机构，数据采集卡及计算机控制系统，其中计算机控制系统通过 数据采集卡实现对称重传感器信号的采集以及对执行机构的驱动。

其中碳纤维单丝保持架由上固定板2、保持板3及下固定板4组成。其中上、下固 定板结构尺寸一致，可分别通过两个螺栓固定在保持板3上。其中碳纤维单丝保持架的 上固定板2可通过两个螺栓固定于执行机构1上，随执行机构一起运动，实现对碳纤维 单丝的拉伸加载。碳纤维单丝保持架的下固定板4固定于称重传感器6上。其中计算机 控制系统通过数据采集卡的A/D接口采集称重传感器的信号。同时计算机控制系统还通 过数据采集卡的D/A接口输出运动速度和方向信号到执行机构上，以实现对执行机构 的控制。

本发明碳纤维单丝拉伸强度测试装置的测试方法，包括如下具体步骤：

1）标定称重传感器：将称重传感器6与数据采集卡相连接，同时将数据采集卡与 计算机控制系统相连接，用标准砝码标定称重传感器；

2）固定碳纤维单丝：将上固定板2、下固定板4安装于保持板3上，将碳纤维单丝 沿着上、下固定板上的对中点黏贴好；

3）夹持固定板：将碳纤维单丝保持架作为一整体，把上固定板2安装于执行机构1 上，将下固定板4通过下夹持板5固定在称重传感器6上，取下保持板3，记录此时称 重传感器读数W1；

4）测试：通过计算机控制系统控制执行机构1向上移动并采集称重传感器读数直 到碳纤维断裂，断裂时称重传感器读数为W2，按下式便可得到碳纤维单丝的拉伸强度

${\sigma }_b=\frac{4(W_1-W_2)g}{\pi d^2}$

其中，g——称重加速度；

d——碳纤维单丝直径。

实施例一：

采用市售直线电机作为执行机构、市售称重传感器作为测力元件，按下述步骤进行 碳纤维单丝强度的测试：

1）装置标定：将称重传感器6与数据采集卡，计算机控制系统相连接，用标准砝 码标定称重传感器6；

2）固定碳纤维单丝：将上固定板2、下固定板4安装于保持板3上，将碳纤维单丝 沿着上、下固定板上的对中点黏贴好；

3）夹持固定板：将碳纤维单丝保持架作为一整体，把上固定板2安装于执行机构1 （由直线电机驱动）上，将下固定板4通过下夹持板5固定在称重传感器6上，取下保 持板3，记录此时称重传感器读数W1；

4）测试：通过计算机控制系统控制直线电机驱动执行机构1缓慢向上运动直到碳 纤维断裂，断裂时称重传感器读数为W2，按下式便可得到碳纤维单丝的拉伸强度

${\sigma }_b=\frac{4(W_1-W_2)g}{\pi d^2}.$

实施例二：

采用万能电子试验机作为驱动机构、市售电子天平作为测力装置，按下述步骤进行 碳纤维单丝强度的测试：

1）装置标定：将电子天平放在试验机夹头正下方，用标准砝码标定电子天平；

2）固定碳纤维单丝：将上固定板、下固定板安装于保持板上，将碳纤维单丝沿着 上、下固定板上的对中点黏贴好；

3）夹持固定板：将碳纤维单丝保持架作为一整体，把下固定板通过下夹持板固定 并置于电子天平上，移动万能电子试验机上夹头到上固定板处并夹紧上固定板，然后取 下保持板，记录此时电子天平读数W1；

4）测试：通过计算机控制系统控制万能电子试验机驱动执行机构1缓慢加载直到 碳纤维断裂，断裂时电子天平读数为W2，按下式便可得到碳纤维单丝的拉伸强度

${\sigma }_b=\frac{4(W_1-W_2)g}{\pi d^2}.$

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的 保护范围。