一種用于測試復合材料界面力學性能的夾具及實驗方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于測試復合材料界面力學性能的夾具及實驗方法，屬于復合材料界面力學性能測試領域；通過微納米拉伸儀上的夾頭連接本發(fā)明的夾具，在上夾頭移動的過程當中，帶動本裝置，能夠與微滴狀的基體接觸，隨著載荷的增大界面發(fā)生破壞，從而纖維從基體當中脫離出來，實現對復合材料界面力學性能的測試；通過本發(fā)明裝置的微滴包埋測試的優(yōu)勢十分明顯，具有精度高、實驗重復效果好等特點。
【專利說明】一種用于測試復合材料界面力學性能的夾具及實驗方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于測試復合材料界面力學性能的夾具及實驗方法，屬于復合材料界面力學性能測試領域。
【背景技術】
[0002]纖維增強復合材料憑借其輕重量，高比強，抗腐蝕性能好，良好的熱學性能，在航空航天、汽車制造、建筑材料當中得到了廣泛的應用。其中纖維增強復合材料通常由纖維相、基體相、界面相組合而成，其中對復合材料的作用至關重要，其承擔了以下幾種作用，
(I)使得復合材料能夠惡劣的環(huán)境正常的發(fā)揮性能，如對在溫度、濕度以及受力的作用下能夠進行抵抗。(2)使得纖維與基體成為一個完整的結構，其保證載荷在纖維與基體之間能夠進行有效的進行傳遞。(3)提高復合材料的宏觀力學性能，如抗疲勞性、韌性、強度等。其中微滴包埋實驗是一種有效地測試纖維增強復合材料界面力學性能手段，其實驗原理為，將一滴液體的基體材料滴到纖維上，通過固化作用，其形狀由于受到液體狀態(tài)樹脂表面張力作用下，固化為水滴形狀的基體材料，將纖維的一段距離包埋Le于液滴狀的基體當中，其中纖維的直徑df，將纖維與微滴狀基體之間發(fā)生脫結合，記錄下最大的脫粘載荷Fmax，根據
假設應力沿著界面均勻分布理論，%從而可以計算出界面的剪切強度，這是一種
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快速、簡單、有效地方法來研究復合材料的界面結合強度的方法。
【發(fā)明內容】
[0003]本發(fā)明的目的在于提供了一種用于測試復合材料界面力學性能的夾具及實驗方法，通過微納米拉伸儀上的夾頭連接本發(fā)明的夾具，在上夾頭移動的過程當中，帶動本裝置，能夠與微滴狀的基體接觸，隨著載荷的增大界面發(fā)生破壞，從而纖維從基體當中脫離出來，實現對復合材料界面力學性能的測試。
[0004]為實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為一種用于測試復合材料界面力學性能的夾具，其中，該夾具包括主塊體、副塊體、鋼薄片、緊固螺釘；主塊體外表面為圓柱體結構，主塊體一端為圓臺，圓臺頂部中央開有頂部螺釘孔，頂部螺釘孔用于連接微納米拉伸儀；主塊體的圓臺底部與主塊體另一端中間開有凹槽，凹槽兩端為臺階且臺階上開有緊固螺釘孔；主塊體的非圓臺端開有底部凹槽；副塊體的外表面形狀可以為矩形柱或圓柱；副塊體外表面一側開有凹槽，與凹槽對稱側的兩端開有緊固螺釘孔；緊固螺釘通過主塊體與副塊體的緊固螺釘孔將主塊體與副塊體連接；主塊體與副塊體的凹槽形成中間凹形腔；副塊體與主塊體非圓臺端的凹槽接觸處開有底部凹槽；主塊體與副塊體的底部凹槽形成底部凹形腔；鋼薄片為中空結構，鋼薄片的中空結構兩側連接有纖維；纖維一端的鋼薄片上開有底部連接螺孔，鋼薄片通過底部連接螺孔與外部夾頭固定；微滴狀基體置于纖維上并且可以沿纖維運動；所述中間凹形腔與底部凹形腔的表面需精磨、拋光。
[0005]實驗裝置的工作過程如下，[0006]SI取出一段纖維，將纖維的兩端通過粘結劑固定在鋼薄片上，保證纖維與鋼薄片的側邊相互平行；在纖維的表面滴入聚合物的基體，在高溫下讓聚合物在纖維的表面固化，形成微滴狀基體。
[0007]S2將剛薄片的底部連接螺孔與微納米拉伸儀的下夾頭相連接，主塊體通過頂部螺釘孔與微納米拉伸儀的上夾頭相連接，保證微滴狀基體在中間凹形腔內。
[0008]S3將緊固螺釘分別擰入側面的緊固螺釘孔中，從而將主塊體與副塊體連接成一個整體，為了保證纖維不會被發(fā)生碎斷在這個過程當中要緩慢的擰入螺釘。
[0009]S4對微拉伸儀進行設置，上夾頭帶都動主塊體與副塊體組成的結構向上移動，微滴狀基體沿纖維移動，在整個過程當中，儀器會記錄位移-載荷的曲線，在纖維與微滴狀基體相互分離時記錄下最大脫粘載荷，從而計算界面的結合強度。
[0010]與傳統復合材料界面測試方法如纖維壓出測試相比，纖維壓出測試需要對復合材料的樣品進行特殊的研磨，這是一個非常費時的處理過程，同時纖維在制備過程中，并不是所有的纖維都是彼此平行的所以重復性不能保證，與單絲拉出測試相比，由于纖維通常比較細，所以會容易發(fā)生在拉出的過程當中，纖維斷裂的現象，所以通過本發(fā)明裝置的微滴包埋測試的優(yōu)勢十分明顯，具有精度高(可以達到微米的精度)、實驗重復效果好等特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為本裝置的結構示意圖。
[0012]圖2為主塊體的剖面圖。
[0013]圖3為副塊體的剖面圖。
[0014]圖4為鋼薄片的剖面圖。
[0015]圖5碳納米管纖維/PMMA脫粘曲線。
[0016]圖6人體頭發(fā)絲纖維/PVC脫粘曲線。
[0017]圖中:1、主塊體，2、副塊體，3、鋼薄片，4、緊固螺釘，5、頂部螺釘孔，6、緊固螺釘孔，
7、中間凹形腔，8、底部凹形腔，9、纖維，10、微滴狀基體，11、底部連接螺孔。
【具體實施方式】
[0018]如圖1-4所示，一種用于測試復合材料界面力學性能的夾具，其中，該夾具包括主塊體1、副塊體2、鋼薄片3、緊固螺釘4 ;主塊體I外表面為圓柱體結構，主塊體I 一端為圓臺，圓臺頂部中央開有頂部螺釘孔5，頂部螺釘孔5用于連接微納米拉伸儀；主塊體I的圓臺底部與主塊體I另一端中間開有凹槽，凹槽兩端為臺階且臺階上開有緊固螺釘孔6 ;主塊體I的非圓臺端開有底部凹槽；副塊體2的外表面形狀可以為矩形柱或圓柱；副塊體2外表面一側開有凹槽，與凹槽對稱側的兩端開有緊固螺釘孔6 ;緊固螺釘4通過主塊體I與副塊體2的緊固螺釘孔6將主塊體I與副塊體2連接；主塊體I與副塊體2的凹槽形成中間凹形腔7 ;副塊體2與主塊體I非圓臺端的凹槽接觸處開有底部凹槽；主塊體I與副塊體2的底部凹槽形成底部凹形腔8 ;鋼薄片3為中空結構，鋼薄片3的中空結構兩側連接有纖維9 ;纖維9 一端的鋼薄片3上開有底部連接螺孔11，鋼薄片3通過底部連接螺孔11與外部夾頭固定；微滴狀基體10置于纖維9上并且可以沿纖維9運動；所述中間凹形腔7與底部凹形腔8的表面需精磨、拋光。[0019]實驗裝置的工作過程如下，
[0020]SI取出一段纖維9，將纖維的兩端通過粘結劑固定在鋼薄片3上，保證纖維9與鋼薄片3的側邊相互平行；在纖維的表面滴入聚合物的基體，在高溫下讓聚合物在纖維9的表面固化，形成微滴狀基體10。
[0021]S2將剛薄片3的底部連接螺孔11與微納米拉伸儀的下夾頭相連接，主塊體I通過頂部螺釘孔5與微納米拉伸儀的上夾頭相連接，保證微滴狀基體10在中間凹形腔7內。
[0022]S3將緊固螺釘4分別擰入側面的緊固螺釘孔6中，從而將主塊體I與副塊體2連接成一個整體，為了保證纖維不會被發(fā)生碎斷在這個過程當中要緩慢的擰入螺釘。
[0023]S4對微拉伸儀進行設置，上夾頭帶都動主塊體I與副塊體2組成的結構向上移動，微滴狀基體10沿纖維9移動，在整個過程當中，儀器會記錄位移-載荷的曲線，在纖維9與微滴狀基體10相互分離時記錄下最大脫粘載荷，從而計算界面的結合強度。
[0024]實施例一
[0025]圖5為通過本發(fā)明裝置測得的碳納米管纖維與聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基體之間的脫粘曲線。首先從整段的碳納米管纖維截取一段，將纖維貼在矩形薄鋼片的中心位置，然后將PMMA基體用針管注射到纖維表面，然后再高溫的環(huán)境下，使其固化，此刻紙樣制備結束。然后將薄鋼片連接到微納米拉伸下夾頭，主塊體I與上夾頭連接，通過緊固螺釘4將主塊體I與副塊體2連接成為一個整體，其中微滴位于底部凹形腔8的上方，微滴被容置于中間凹形腔7當中，對微納米拉伸儀進行設置，隨著上夾頭的移動，底部凹形腔8與球形基體相互接觸，其中底部凹形腔8的空隙距離為I毫米，通過光學顯微鏡測得球狀微滴的直徑為1.8毫米，從圖1當中可以看出曲線在達到最大的脫粘力之后，載荷迅速下降，這是因為界面發(fā)生了破壞纖維與載荷分離，可以看到最大的脫粘力為300毫牛。
[0026]實施例二
[0027]圖6為通過本發(fā)明裝置測得的人體頭發(fā)絲纖維與氯乙烯(PVC)基體之間的脫粘曲線。首先從整段的碳納米管纖維截取一段，將纖維貼在矩形薄鋼片的中心位置，然后將PVC基體用針管注射到頭發(fā)纖維表面，然后再高溫的環(huán)境下，使其固化，此刻紙樣制備結束。然后將薄鋼片連接到微納米拉伸下夾頭，主塊體I與上夾頭連接，通過緊固螺釘4將主塊體I與副塊體2連接成為一個整體，其中微滴位于底部凹形腔8的上方，微滴被容置于中間凹形腔7當中，對微納米拉伸儀進行設置，隨著上夾頭的移動，底部凹形腔8與球形基體相互接觸，其中底部凹形腔8的空隙距離為0.5毫米，通過光學顯微鏡測得球狀微滴的直徑為1.0毫米，從圖1當中可以看出曲線在達到最大的脫粘力之后，載荷迅速下降，這是因為界面發(fā)生了破壞纖維與載荷分離，可以看到最大的脫粘力為200毫牛。
【權利要求】
1.一種用于測試復合材料界面力學性能的夾具，其特征在于:該夾具包括主塊體(I)、副塊體(2)、鋼薄片(3)、緊固螺釘(4);主塊體(I)外表面為圓柱體結構，主塊體(I) 一端為圓臺，圓臺頂部中央開有頂部螺釘孔(5)，頂部螺釘孔(5)用于連接微納米拉伸儀；主塊體(I)的圓臺底部與主塊體(I)另一端中間開有凹槽，凹槽兩端為臺階且臺階上開有緊固螺釘孔(6);主塊體(I)的非圓臺端開有底部凹槽；副塊體(2)的外表面形狀可以為矩形柱或圓柱；副塊體(2)外表面一側開有凹槽，與凹槽對稱側的兩端開有緊固螺釘孔(6);緊固螺釘(4)通過主塊體(I)與副塊體(2 )的緊固螺釘孔(6 )將主塊體(I)與副塊體(2 )連接；主塊體(I)與副塊體(2 )的凹槽形成中間凹形腔(7 );副塊體(2 )與主塊體(I)非圓臺端的凹槽接觸處開有底部凹槽；主塊體(I)與副塊體(2)的底部凹槽形成底部凹形腔(8);鋼薄片(3)為中空結構，鋼薄片(3 )的中空結構兩側連接有纖維(9 );纖維(9 ) 一端的鋼薄片(3 )上開有底部連接螺孔(11)，鋼薄片(3)通過底部連接螺孔(11)與外部夾頭固定；微滴狀基體(10)置于纖維(9)上并且可以沿纖維(9)運動；所述中間凹形腔(7)與底部凹形腔(8)的表面需精磨、拋光。
2.依權利要求1所述的夾具，夾具實施過程，其特征在于: SI取出一段纖維(9)，將纖維的兩端通過粘結劑固定在鋼薄片(3)上，保證纖維(9)與鋼薄片(3)的側邊相互平行；在纖維的表面滴入聚合物的基體，在高溫下讓聚合物在纖維(9)的表面固化，形成微滴狀基體(10)； S2將剛薄片(3)的底部連接螺孔(11)與微納米拉伸儀的下夾頭相連接，主塊體(I)通過頂部螺釘孔(5)與微納米拉伸儀的上夾頭相連接，保證微滴狀基體(10)在中間凹形腔(7)內； S3將緊固螺釘(4)分別擰入側面的緊固螺釘孔(6)中，從而將主塊體(I)與副塊體(2)連接成一個整體，為了保證纖維不會被發(fā)生碎斷在這個過程當中要緩慢的擰入螺釘； S4對微拉伸儀進行設置，上夾頭帶都動主塊體(I)與副塊體(2)組成的結構向上移動，微滴狀基體(10)沿纖維(9)移動，在整個過程當中，儀器會記錄位移-載荷的曲線，在纖維(9)與微滴狀基體(10)相互分離時記錄下最大脫粘載荷，從而計算界面的結合強度。
【文檔編號】G01N3/04GK103760016SQ201410050420
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年2月13日 優(yōu)先權日:2014年2月13日
【發(fā)明者】楊慶生, 李熙, 楊忠軍, 劉志遠 申請人:北京工業(yè)大學