本實用新型涉及一種單纖維界面剪切強度測試裝置。

背景技術(shù)：

復合材料與傳統(tǒng)金屬材料相比，具有高比強度、高比模量耐腐蝕、耐疲勞等特點，廣泛應用于航空航天、船舶、交通、醫(yī)療等承載能力要求較高的行業(yè)。而復合材料是由基體、增強材料兩相組成，相與相之間會產(chǎn)生界面，界面將增強材料與基體結(jié)合成一個整體，有效地傳遞應力，共同承受外界荷載，因此，研究復合材料界面性能并對其進行準確地表征具有重要意義。

目前，主流的測試纖維與基體間界面性能的方法有單纖維拔出、臨界纖維長度法、微脫粘法等。其中微脫黏法試驗的試樣制作較為簡便，但試驗設備成本高昂且不易于操作。而單纖維樹脂拔出法具有試驗方法簡便、觀察方便、設備制作成本低等優(yōu)點，該方法是將單根纖維一端埋入樹脂基體中，待樹脂固化后脫模取出形成單纖維復合材料，通過試驗機在纖維上端施加沿纖維軸向作用力將單纖維從樹脂基體中脫離，記錄拔出過程中產(chǎn)生的最大荷載從而獲得界面剪切強度、摩擦系數(shù)等。

目前單纖維拔出法所用的SFPOT系統(tǒng)包括自動加載系統(tǒng)、變形測定器、微型計算機、顯微觀測系統(tǒng)；在樣品制備時較難，纖維上端夾持，下端接觸樹脂并伸入一定深度，待固化后測試，上端自動勻速加載上升，得出荷載-位移曲線。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種單纖維界面剪切強度測試裝置，采用該測試裝置能解決現(xiàn)有技術(shù)中存在試樣制作困難、操作過程中因夾持精度不當造成試驗失敗等問題，采用該測試裝置可方便快捷的測試纖維與樹脂拔出時所產(chǎn)生的剪切強度，即，測試單纖維與樹脂界面剪切強度，能有效降低試驗離散度。

為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種單纖維界面剪切強度測試裝置，包括單絲拉伸儀、定夾具、動夾具，還包括單纖維拔出輔助裝置；

所述單纖維拔出輔助裝置包括支座組件、輔助夾具、顯示器及伸縮調(diào)控組件；

所述支座組件由滑動支座、固定支座和支座底板組成；在支座底板的兩端分別設置滑動支座和固定支座，所述滑動支座與支座底板滑動相連，固定支座與支座底板固定相連；

在輔助夾具上設置顯示器；

在輔助夾具的兩側(cè)各設置一個伸縮調(diào)控組件，兩個伸縮調(diào)控組件相對于輔助夾具成鏡面對稱；

每個伸縮調(diào)控組件由依次排列的伸縮端、固定端套管以及含刻度的旋轉(zhuǎn)端組成，局部套裝在固定端套管內(nèi)的旋轉(zhuǎn)端與固定端套管螺紋相連，局部套裝在固定端套管內(nèi)的伸縮端與旋轉(zhuǎn)端固定相連；伸縮端與輔助夾具相連；

一個伸縮調(diào)控組件中的固定端套管與滑動支座固定相連，另一個伸縮調(diào)控組件中的固定端套管與固定支座固定相連。

作為本實用新型的單纖維界面剪切強度測試裝置的改進：

所述輔助夾具由兩個成鏡面對稱的上大下小的倒直角梯形組成，兩個倒直角梯形的斜邊配合形成輔助夾具的夾持口。

作為本實用新型的單纖維界面剪切強度測試裝置的進一步改進：

顯示器為顯微鏡顯示器。

作為本實用新型的單纖維界面剪切強度測試裝置的進一步改進：

固定端套管的內(nèi)壁上設有內(nèi)螺紋，旋轉(zhuǎn)端的外壁上設有與所述內(nèi)螺紋相配套的外螺紋；依靠內(nèi)螺紋和外螺紋的配合，旋轉(zhuǎn)端與固定端套管實現(xiàn)螺紋相連。

作為本實用新型的單纖維界面剪切強度測試裝置的進一步改進：

旋轉(zhuǎn)端上刻度的精度為0.001mm。

作為本實用新型的單纖維界面剪切強度測試裝置的進一步改進：

輔助夾具為金屬制成的輔助夾具；

輔助夾具的夾持口設置倒角，從而避免單絲纖維引入時被夾持口的金屬邊緣切斷或者表面磨損產(chǎn)生測試誤差；

輔助夾具保證精度，尺寸公差在0.01mm以內(nèi)。

本實用新型還同時公開了利用上述裝置進行的單纖維界面剪切強度測試法，依次進行以下步驟：

1)、制作試樣：

在單絲纖維的下端固定樹脂，單絲纖維在樹脂中埋入的長度為L；

即，試樣制備參照微脫黏試驗制作，具體為：先將單絲纖維粘貼在模具上，擦拭模具及單絲纖維表面，用樹脂滴至模具中的單絲纖維上，控制樹脂浸漬單絲纖維的長度，等待固化即可；單絲纖維在樹脂中埋入的長度為L；

2)、通過移動滑動支座，使輔助夾具的夾持口處于夾緊狀態(tài)，記下旋轉(zhuǎn)端上的初始刻度Ⅰ；

通過旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)端，使輔助夾具的夾持口處于松開狀態(tài)，將單絲纖維的上端固定在單絲拉伸儀的動夾具上，使單絲纖維的下端自然下垂穿過輔助夾具的夾持口，樹脂位于輔助夾具的下方；通過顯示器觀察并調(diào)整單絲纖維的位置，使單絲纖維位于夾持口的中間位置處，且不與輔助夾具發(fā)生接觸(即，不與輔助夾具相貼附)；

再通過旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)端，使單絲纖維在測試時剛好從夾持口(即夾具縫隙)中通過，再記下旋轉(zhuǎn)端上的測試刻度Ⅱ，初始刻度Ⅰ與測試刻度Ⅱ的差值為單絲纖維的直徑D；

說明：使單絲纖維在測試時剛好從夾持口(即夾具縫隙)中通過，即，此狀態(tài)下，輔助夾具剛好與單絲纖維相接觸，但是不對單絲纖維產(chǎn)生垂直于單絲纖維的力；

3)、啟動單絲拉伸儀，通過拉伸儀測試記錄拔出過程中最大拉伸荷載F及力-位移曲線；

所述最大拉伸荷載F為單絲纖維拔出過程中樹脂與單絲纖維脫黏時的荷載；

4)、根據(jù)公式計算復合材料的界面剪切強度τ：

τ＝F/πDL；

其中τ為復合材料界面剪切強度，單位為MPa；F為單絲纖維拔出過程中樹脂與纖維脫黏時最大荷載(該數(shù)據(jù)從單絲拉伸儀上能直接獲得)，單位為mN；π為圓周率；D為所測試的單絲纖維直徑，單位為μm；L為復合材料中單絲纖維埋入樹脂中的長度，單位為μm。

當單絲纖維為碳纖維時，埋置深度為100±10μm。

在本實用新型中，輔助夾具采用金屬制成，從而滿足高精度的需求。輔助夾具需要控制夾持口精度，包括夾持口線性及倒角精度，精度保證在0.01mm以內(nèi)。

在本實用新型中，碳纖維直徑較低，約為7μm，樹脂球直徑約40μm以上。

本實用新型所采用的測試儀器的核心部件是單纖維拔出輔助裝置。伸縮調(diào)控組件類似于千分尺，右端的旋轉(zhuǎn)端刻有標尺，通過旋轉(zhuǎn)可調(diào)控伸縮端，從而精確調(diào)整夾具水平位置，精度達到0.001mm。

在本實用新型中，如果取消了單纖維拔出輔助裝置，原裝置只能測試纖維拉伸強度和模量等指標，無法測試單纖維界面剪切強度。

本實用新型的單纖維樹脂界面剪切強度測試裝置及方法具有如下技術(shù)優(yōu)勢：

1、具有精度高、操作方便、易拆裝的特點，結(jié)合微脫黏試驗試樣易于制作，即，試樣制作簡便。

2、利用本實用新型的裝置，可以測量直徑5μm以上的纖維，適用于不同直徑的纖維測試剪切強度，同時測試時可以測量纖維直徑及樹脂基體直徑。

具體如下：使輔助夾具的夾持口處于夾緊狀態(tài)，記下此狀態(tài)下左右旋轉(zhuǎn)端對應的刻度Ⅰ，通過旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)端，使單絲纖維在測試時剛好從夾持口(即夾具縫隙)中通過，再記下此狀態(tài)下左右旋轉(zhuǎn)端對應的刻度Ⅱ，刻度Ⅰ與刻度Ⅱ的差值為單纖維的直徑D；樹脂基體的直徑測試同理。

3、本實用新型的輔助裝置測試精度達0.001mm，可以同時旋轉(zhuǎn)左右旋轉(zhuǎn)端而調(diào)節(jié)夾具，便于不同直徑的纖維測試。

4、本實用新型的輔助裝置可以在測試前調(diào)整夾具位置以保證加載方向與纖維軸向一致。即，在測試前調(diào)整裝置位置及夾具位置，使單絲纖維自由下垂恰好穿過夾具而不貼附夾具，這樣可以使得拉伸過程中夾具僅對單絲纖維施加沿纖維方向的剪切力。

5、利用含有輔助裝置的本實用新型的測試裝置，能精確測量復合材料的剪切強度。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細說明。

圖1為本實用新型的測試裝置中的單纖維拔出輔助裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中的輔助夾具5實際使用狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實用新型的測試裝置實際使用狀態(tài)示意圖。

圖中：1--單絲纖維(含樹脂)，2--顯示器，3--伸縮端，4--旋轉(zhuǎn)端，5--輔助夾具，6--固定端套管，7--支座底板，8--滑動支座，9--固定支座，10--單絲拉伸儀，11--定夾具，12--動夾具。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本實用新型進行進一步描述，但本實用新型的保護范圍并不僅限于此。

實施例1、一種單纖維界面剪切強度測試裝置，包括帶有定夾具11和動夾具12的單絲拉伸儀10，還包括單纖維拔出輔助裝置。

單纖維拔出輔助裝置包括支座組件、輔助夾具5、顯示器2及伸縮調(diào)控組件。支座組件由滑動支座8、固定支座9、支座底板7組成；在支座底板7的兩端分別設置滑動支座8和固定支座9，所述滑動支座8與支座底板7滑動相連，固定支座9與支座底板7固定相連。

在輔助夾具5的兩側(cè)各設置一個伸縮調(diào)控組件，兩個伸縮調(diào)控組件相對于輔助夾具5成鏡面對稱。每個伸縮調(diào)控組件由依次排列的伸縮端3、固定端套管6、含刻度的旋轉(zhuǎn)端4組成，局部套裝在固定端套管6內(nèi)的旋轉(zhuǎn)端4與固定端套管6螺紋相連，具體為：固定端套管6的內(nèi)壁上設有內(nèi)螺紋，旋轉(zhuǎn)端4的外壁上設有與所述內(nèi)螺紋相配套的外螺紋；依靠內(nèi)螺紋和外螺紋的配合，從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)端4與固定端套管6實現(xiàn)螺紋相連。局部套裝在固定端套管6內(nèi)的伸縮端3與旋轉(zhuǎn)端4固定相連；伸縮端3與輔助夾具5固定相連。一個伸縮調(diào)控組件中的固定端套管6與滑動支座8固定相連，另一個伸縮調(diào)控組件中的固定端套管6與固定支座9固定相連。

所述輔助夾具5由兩個成鏡面對稱的上大下小的倒直角梯形組成，兩個倒直角梯形的斜邊配合形成輔助夾具5的夾持口。在輔助夾具5上設置顯示器2，顯示器2為顯微鏡顯示器。顯示器2正對夾持口，從而便于觀察夾持口內(nèi)的情況。

輔助夾具5為金屬制成的輔助夾具；輔助夾具5的夾持口設置倒角，從而避免單絲纖維1引入時被夾持口的金屬邊緣切斷或者表面磨損產(chǎn)生測試誤差。輔助夾具5應保證精度，尺寸公差在0.01mm以內(nèi)。旋轉(zhuǎn)端4上刻度的精度為0.001mm。

單絲拉伸儀10的支架101與底座102固定相連，在支架101上設有能相對于支架101上下移動的動夾具12，在支架101上還設有與支架101固定相連的定夾具11，動夾具12位于定夾具11的上方。

單纖維拔出輔助裝置被置于底座102上，且位于定夾具11的下方。調(diào)整動夾具12位置，使其能夾持單絲纖維1上端，從而實現(xiàn)將單絲纖維1固定在動夾具12上，測試時動夾具12將會向上拉伸同時實時測試拉伸力。定夾具11用于固定單絲纖維1，進行纖維拉伸試驗。

利用上述裝置進行的單纖維界面剪切強度測試法，依次進行以下步驟：

1)、制作試樣：

試樣制備參照微脫黏試驗制作，具體為：先將單絲纖維1粘貼在模具上，擦拭模具及單絲纖維1表面，用樹脂滴至模具中的單絲纖維1上，控制樹脂浸漬單絲纖維1的長度，等待固化即可；單絲纖維1在樹脂中埋入的長度為L；即，單絲纖維1的下端固定有樹脂；

對于直徑較小的碳纖維單絲而言，埋置深度通?？刂圃?00μm左右；

對于較大直徑的玻璃纖維及芳綸纖維單絲，埋置深度可為0.3～1mm左右；

2)、通過移動滑動支座8，使輔助夾具5的夾持口處于夾緊狀態(tài)，記下旋轉(zhuǎn)端4上的初始刻度Ⅰ；

通過旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)端4，使輔助夾具5的夾持口處于松開狀態(tài)，將單絲纖維1的上端固定在單絲拉伸儀10的動夾具12上，使單絲纖維1的下端自然下垂穿過輔助夾具5的夾持口，使得纖維上端拉伸時夾持夾具5僅施加沿纖維方向的剪切力，樹脂位于輔助夾具5的下方；通過顯示器2觀察并調(diào)整單絲纖維1的位置，使單絲纖維1位于夾持口的中間位置處，且不與輔助夾具5發(fā)生接觸(即，不與輔助夾具5相貼附)；

再通過旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)端4，使單絲纖維1在測試時剛好從夾持口(即夾具縫隙)中通過，再記下旋轉(zhuǎn)端4上的測試刻度Ⅱ，初始刻度Ⅰ與測試刻度Ⅱ的差值為單絲纖維的直徑D；

說明：使單絲纖維1在測試時剛好從夾持口(即夾具縫隙)中通過，即，此狀態(tài)下，輔助夾具5剛好與單絲纖維1相接觸，但是不對單絲纖維1產(chǎn)生垂直于單絲纖維的力；

3)、測試時將固化后的單絲纖維1夾持在夾具12上，穿過夾具5的中心位置，記錄單絲纖維埋入樹脂中的長度L，運行單絲拉伸儀10，同時記錄儀表顯示單絲纖維1拔出過程中最大拉伸荷載F及力-位移曲線；

所述最大拉伸荷載F為單絲纖維1拔出過程中樹脂與單絲纖維1脫黏時的荷載；

4)、根據(jù)公式計算復合材料的界面剪切強度τ：

τ＝F/πDL；

其中τ為復合材料界面剪切強度，單位為MPa；F為單絲纖維1拔出過程中樹脂與纖維脫黏時最大荷載，單位為mN；π為圓周率；D為所測試的單絲纖維1的直徑，單位為μm；L為復合材料中單絲纖維1埋入樹脂中的長度，單位為μm。

實驗一、1#單絲纖維的材料為T700碳纖維，D為7μm，樹脂為環(huán)氧樹脂；L為45μm(樹脂黏附在單絲纖維1后的直徑，即樹脂基體直徑為45μm)，F(xiàn)為60.335mN。

根據(jù)τ＝F/πDL，因此最終所得的復合材料界面剪切強度τ為61Mpa。

實驗二、2#單絲纖維的材料為T800碳纖維，D為5μm，樹脂為環(huán)氧樹脂；L為40μm(樹脂黏附在單絲纖維1后的直徑，即樹脂基體直徑為40μm)，F(xiàn)為44.588mN。

根據(jù)τ＝F/πDL，因此最終所得的復合材料界面剪切強度τ為71Mpa。

實驗三、3#單絲纖維的材料為苧麻纖維，D為30μm，樹脂為聚丙烯樹脂；L為253μm(樹脂黏附在單絲纖維1后的直徑，即樹脂基體直徑為253μm)，F(xiàn)為293.1mN。

根據(jù)τ＝F/πDL，因此最終所得的復合材料界面剪切強度τ為12.3Mpa。

實驗四、4#單絲纖維的材料為玄武巖纖維，D為7μm，樹脂為乙烯基樹脂；L為43μm(樹脂黏附在單絲纖維1后的直徑，即樹脂基體直徑為43μm)，F(xiàn)為60.489mN。

根據(jù)τ＝F/πDL，因此最終所得的復合材料界面剪切強度τ為64Mpa。

驗證實驗：

將實驗一～實驗四所述的材料按照目前本行業(yè)公認的檢測精度最高的微脫粘法進行檢測，所得結(jié)果分別為：61.3Mpa、71.6Mpa、12.1Mpa、64.4Mpa。

對比實驗一、按照背景技術(shù)中告知的目前現(xiàn)有的單纖維界面剪切強度測試裝置，對實驗一所述材料進行檢測，所得檢測數(shù)據(jù)為：F(單纖維施加拉力的峰值)＝57.2mN；d(纖維直徑)＝7μm；L＝埋入纖維的長度46μm，其依據(jù)的計算方式為：τ＝F/πdL，因此所得結(jié)果為：56.6MPa。

對比實驗二、取消實施例1中的顯示器2(顯微鏡顯示器)的設置，其余等同于實施例1。以此所得檢測裝置對實驗一所述材料進行檢測：

檢測所得數(shù)據(jù)為：D為7μm，樹脂基體直徑為47μm，F(xiàn)為57.8mN。L同實驗一。

因此，τ為55.95Mpa。

該檢測裝置由于缺少顯微鏡顯示器的原因，因此存在不能精確測試樹脂基體直徑的缺陷。

對比實驗三、取消實施例1中的輔助夾具5的夾持口的倒角的設置，其余等同于實施例1。以此所得檢測裝置對實驗一所述材料進行檢測：

檢測所得數(shù)據(jù)為：D為7μm，樹脂基體直徑為45μm，F(xiàn)為57.8mN。L同實驗一。

因此，τ為58.43Mpa。

該檢測裝置由于輔助夾具5的夾持口沒有設置倒角的原因，因此存在單絲纖維引入時表面磨損產(chǎn)生測試誤差、甚至被夾持口的金屬邊緣切斷的缺陷。

對比實驗四、將實施例1中的金屬制成的輔助夾具5改成塑料制成的輔助夾具5，其余等同于實施例1。以此所得檢測裝置對實驗一所述材料進行檢測：

檢測所得數(shù)據(jù)為：D為7μm，樹脂基體直徑為45μm，F(xiàn)為58.1mN。L同實驗一。

因此，τ為58.74Mpa。

該檢測裝置由于輔助夾具5用塑料制成的原因，因此存在夾具在測試過程中易于產(chǎn)生微小變形、導致數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差的缺陷。

最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本實用新型的若干個具體實施例。顯然，本實用新型不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本實用新型公開的內(nèi)容直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本實用新型的保護范圍。