一种碳纤维复合材料拉伸试样的制备装置及制备方法

摘要

本发明提供一种碳纤维复合材料拉伸试样的制备装置，包括缠绕芯模，具有两个加工面和两个切断面；加工面包括多个成模区和安装区；成模区具有至少一个间隔分布的缠绕凹槽，适于制备碳纤维复合材料拉伸试样；切断面为弧面，且沿切断面的弧面顶点设有加工槽。底板位于缠绕芯模一侧，与安装区可拆连接；盖板位于缠绕芯模另一侧，与安装区可拆连接；缠绕夹持轴，缠绕夹持轴一端与缠绕芯模连接，另一端与纤维缠绕机连接。本发明通过多个缠绕凹槽对碳纤维复合材料拉伸试样进行成型，并通过加工槽对碳纤维复合材料拉伸试样进行脱模，提高了碳纤维复合材料拉伸试样的尺寸精度，减少了碳纤维复合材料拉伸试样的切割损伤，同时也提高了质量稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于纤维缠绕复合材料性能测试领域，具体涉及一种碳纤维复合材料拉伸试样制备装置及制备方法。

背景技术

碳纤维因具有拉伸强度高、拉伸模量高、密度小、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、热膨胀系数小等一系列优异性能，被广泛应用于航空、航天等领域，而准确地表征碳纤维复合材料的性能是其获得实际应用的关键。

碳纤维复合材料0°方向拉伸试样是对单向纤维缠绕成型复合材料性能的一种标准评价方式，其测试结果是产品设计和有限元分析的重要参数，因此提供一种准确表征碳纤维复合材料0°方向拉伸制备的装置及制备方法具有重要意义。

传统的碳纤维复合材料0°方向拉伸试样制备过程参照GB/T4550-2005采用金属夹板制成平板，然后将平板加工至GB/T3354-2014所要求尺寸，并在拉伸试样两端粘接加强片。目前，已有的制样装置和方法，虽然在制备的平板尺寸、加强片粘接过程中有所不同，但均需对试样进行加工，获得试样测试所需尺寸。可见，已有的方法存在0°拉伸方向纤维受到切割损伤、尺寸精度差等问题，无法保证制备试样的质量和稳定性。

如专利公告号为CN11537321A的中国发明专利公开了支座定向纤维增强复合材料测试试样的模具及使用方法，其通过矩形凸台一和矩形凸台二的配合对试样进行成型，由于其加工试样的区域位于模具中心，在加工后脱模的过程当中，需要对试样进行多个方向的切割以制得适于进行测试的试样，但是切割过程当中，会对试样的边缘造成切割损伤，同时也在一定程度上改变了试样边缘的应力状况，对试样结果的精确性产生了影响，同时在一次加工过程当中，无法对多种类型的试样进行加工。

鉴于此，目前亟待提出一种具有精确定位、无切割损伤的碳纤维复合材料拉伸试样制备装置和制备方法。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有精确定位、无切割损伤特点的碳纤维复合材料拉伸试样的制备装置及制备方法。

本发明的碳纤维复合材料拉伸试样的制备装置，包括：

缠绕芯模，具有两个加工面和两个切断面，所述加工面和所述切断面交替设置且首尾相连；

所述加工面包括多个成模区和安装区；每个所述成模区具有至少一个缠绕凹槽，适于制备试样；

所述切断面为弧面，且沿所述切断面的弧面顶点设有加工槽，所述加工槽适于试样脱模；

底板，位于所述缠绕芯模一侧，与所述安装区可拆连接；

盖板，位于所述缠绕芯模另一侧，与所述安装区可拆连接；

缠绕夹持轴，所述缠绕夹持轴一端与所述缠绕芯模连接，另一端与纤维缠绕机连接。

进一步的，所述成模区至少为两个，每个所述成模区均位于相邻两个所述安装区之间；所述缠绕凹槽的槽宽为12.5±0.1mm，槽深为1～3mm。

进一步的，所述缠绕夹持轴为阶梯轴，包括一体连接的第一连接轴段、主轴段以及第二连接轴段；所述缠绕夹持轴的第一连接轴段与所述缠绕芯模连接；所述缠绕夹持轴的第二连接轴段与纤维缠绕机连接。

进一步的，所述缠绕芯模、所述底板和所述盖板上均对应设有多个定位销孔。

进一步的，所述安装区、所述底板和所述盖板上均对应设有多个安装通孔，所述安装通孔内设有固定螺栓。

进一步的，所述固定螺栓的螺帽与所述顶板之间设有反向弹簧。

进一步的，所述盖板与所述底板上均设有把手。

本发明还提供一种碳纤维复合材料拉伸试样的制备方法，包括如下步骤：

S1:使用脱模材料对缠绕芯模、底板以及盖板进行脱模处理；

S2：取碳纤维复合材料拉伸试样的成型材料，成型材料包括基体材料和增强材料；

S3:将S2中的增强材料浸渍基体材料后，缠绕于所述缠绕芯模上，按照步骤S2中所述增强材料的类型，确定缠绕纱宽和缠绕层数，控制缠绕的厚度；

S4:将步骤S3中缠绕后的所述缠绕芯模和所述底板、所述盖板进行组装，并将缠绕夹持轴安装于所述缠绕芯模上，再按照步骤S2中所述基体材料的类型，确定固化温度进行固化；

S4:将所述缠绕夹持轴拆除，沿着所述缠绕芯模上的加工槽将碳纤维复合材料切开，依次拆下所述底板和所述盖板，完成所述碳纤维复合材料拉伸试样的脱模。

进一步的，步骤S2中的基体材料为环氧树脂、乙烯基酯树脂和不饱和聚酯树脂中的一种。

进一步的，步骤S2中的增强材料为T700SC-12K碳纤维、T700SC-24K碳纤维、T800级碳纤维和T1000级碳纤维中的一种或多种。

本发明的上述技术方案，相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的碳纤维复合材料拉伸试样制备装置，通过加工区的缠绕凹槽的尺寸设置，在对碳纤维复合材料拉伸试样制备装置进行设计时保证拉伸试样的尺寸，减少了碳纤维复合材料拉伸试样于宽度方向的切割加工，对此提高了碳纤维复合材料拉伸试样的尺寸精度，无需对试样拉伸方向进行二次加工，对拉伸方向纤维无切割损伤，可更为真实地反映复合材料的拉伸性能。

(2)本发明所述的碳纤维复合材料拉伸试样制备装置通过在固定螺栓上加装反向弹簧，可保证固化过程盖板和底板对缠绕芯模持续夹紧的作用，提高试样质量。

(3)本发明所述的碳纤维复合材料拉伸试样制备装置可以根据碳纤维复合材料拉伸试样制备装置调整缠绕芯模凹槽的数目和槽深，一次制作2组(种)或2组(种)以上纤维的复合材料拉伸试样，减少分次缠绕制样过程中缠绕设备、浸胶过程等因素对试样的影响，进而减小误差，可更为准确、稳定地表征复合材料的拉伸性能。

(4)本发明所述的碳纤维复合材料拉伸试样制备装置通过多个缠绕凹槽，减少了试样宽度方向的切割加工，提供了制备试样的效率，同时也避免了切个加工对试样边缘的材料的浪费，从而降低了制备试样的成本。

附图说明

图1是本发明提供的碳纤维复合材料拉伸试样的制备装置的结构示意图；

图2是本发明提供的缠绕芯模的结构示意图；

图3是本发明提供的缠绕夹持轴的结构示意图；

其中，1、盖板；2、底板；3、缠绕芯模；4、缠绕夹持轴；5、定位销；6、固定螺栓；7、反向弹簧；31、缠绕凹槽；32、加工槽；33、连接孔；34、定位销孔；35、螺栓孔；41、第二连接轴段；42、主轴段；43、第一连接轴段；44、定位凸台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例所述的碳纤维复合材料拉伸试样的制备装置，如图1所示，包括缠绕芯模3、底板2、盖板1以及缠绕夹持轴4。

所述缠绕芯模3整体呈矩形，具有两组相邻的加工面和切断面，每一组所述加工面和所述切断面均相邻设置，所述加工面上设有多个成模区和安装区；所述成模区上具有多个间隔分布的缠绕凹槽31，所述缠绕凹槽31适于制备碳纤维复合材料拉伸试样。所述成模区为两个，每个所述成模区均位于相邻两个所述安装区之间，且每个所述成模区内设有两个缠绕凹槽31。通过两个所述成模区以及所述缠绕凹槽31，所述缠绕凹槽31的宽度为12.5mm，槽深为1.3mm。本实施例同时成型八个碳纤维复合材料拉伸试样，通过加工区的缠绕凹槽的尺寸设置，在对碳纤维复合材料拉伸试样制备装置进行设计时保证拉伸试样的尺寸，减少了碳纤维复合材料拉伸试样于宽度方向的切割加工，对此提高了碳纤维复合材料拉伸试样的尺寸精度，无需对试样拉伸方向进行二次加工，对拉伸方向纤维无切割损伤，可更为真实地反映复合材料的拉伸性能。

所述缠绕芯模3沿其长度方向的两相对侧面为切断面，且所述切断面为弧面，所述切断面的弧面顶点沿所述缠绕芯模3的宽度方向开设有加工槽32。

所述底板2和所述盖板1分别位于所述缠绕芯模3的一对所述加工面位置，并通过一对所述加工面的安装区可拆连接。

缠绕夹持轴4，如图2和图3所示，一端与所述缠绕芯模3连接且螺纹连接于所述缠绕芯模3的连接孔33上，另一端与纤维缠绕机连接，缠绕夹持轴4于纤维缠绕机的驱动下转动，碳纤维拉伸试样则在所述缠绕芯模3的转动下卷覆在所述缠绕芯模3的缠绕凹槽31上。

作为本实施例的进一步优选方式，如图3所示，所述缠绕夹持轴4为阶梯轴，包括一体连接的第一连接轴段43、主轴段42以及第二连接轴段43；所述缠绕夹持轴4的第一连接轴段43与所述缠绕芯模3连接；所述缠绕夹持轴4的第二连接轴段43与纤维缠绕机连接。所述缠绕夹持轴44的第二连接轴段43还设有定位凸台44，适于与所述缠绕芯模3连接时起到定位作用，方便所述缠绕夹持轴44与所述缠绕芯模3连接。

进一步的，为了所述缠绕芯模3和所述底板2、所述盖板1之间的定位和安装，所述缠绕芯模3、所述底板2和所述盖板1上均对应设有多个定位销孔34，所述定位销孔34内设有定位销5，通过所述定位销5，在安装所述缠绕芯模3、所述底板2以及所述盖板1前，对三者起到定位和对齐的作用，增加了安装便利和准确性；所述安装区、所述底板2和所述盖板1上均设有多个安装通孔，所述安装通孔内设有固定螺栓6。

进一步的，为了实现所述缠绕芯模3、所述底板2以及所述盖板1安装和拆卸时的便利性，所述盖板1和所述底板2上均设有把手。通过所述把手，提高了安装时的握持便利性。

作为本实施例的进一步优选方式，所述固定螺栓6的螺帽与所述顶板之间设有反向弹簧7，可保证固化过程盖板1和底板2对缠绕芯模3持续夹紧的作用，提高试样质量。

本实施例还提供一种碳纤维复合材料拉伸试样的制备方法，包括如下步骤：

S1：使用硅脂对所述缠绕芯模3、所述底板2以及所述盖板1进行脱模处理；

S2：准备碳纤维复合材料拉伸试样的成型材料，选用环氧树脂体系作为基体树脂，选用T700SC-12K碳纤维作为增强材料。

S3：将S2中所选碳纤维浸渍树脂胶液后，在所述缠绕芯模3中的每个凹槽中缠绕，缠绕参数为碳纤维纱1根，纱宽为4mm，缠绕层数10层。

S4：将步骤S3中缠绕后的缠绕芯模和所述底板、所述盖板进行组装，并将缠绕卷持轴连接与缠绕芯模上，根据步骤S2中所选基体材料类型，选择适宜的温度，采用固化炉对碳纤维复合材料试样进行固化。本实施例中固化设备采用高温固化炉，环氧树脂固化制度为从室温升温到90℃/保温2小时，升温到120℃/保温3小时，升温到160℃/保温6小时。升温速率为0.5℃～2℃/分钟。

S5:将缠绕夹持轴拆除，沿着所述缠绕芯模上的所述加工槽将碳纤维复合材料切开，依次拆下所述底板和所述盖板，完成所述碳纤维复合材料试样的脱模。

实施例二

本实施例与实施例二的区别之处在于：所述缠绕芯模3的缠绕凹槽31宽度为12.5mm，槽深为2mm，选用T700SC-12K碳纤维进行缠绕，沿着所述缠绕芯模3的转动方向缠绕15层。

实施例三

本实施例与实施例一的区别之处在于：所述缠绕芯模3的缠绕凹槽31宽度为12.5mm，槽深为1.3mm，采用T800SC-24K碳纤维进行缠绕，沿着所述缠绕芯模3的转动方向缠绕8层。

实施例四

本实施例与实施例一的区别之处在于：所述缠绕芯模3的缠绕凹槽31宽度均为12.5mm，同一个安装区内的两个所述缠绕凹槽31的槽深分别为1.3mm和2mm，且于尺寸不同的两个所述缠绕凹槽31内均选用T700SC-12K碳纤维进行缠绕，槽深为1.3mm的凹槽缠绕10层，槽深为2mm的缠绕15层。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。