本發(fā)明涉及纖維性能測試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種碳纖維絲束可展開性測試裝置及測量方法。

背景技術(shù)：

碳纖維由于其優(yōu)異的綜合性能，成為現(xiàn)今備受關(guān)注的高性能材料。由碳纖維浸漬樹脂而制成的復(fù)合材料利用了碳纖維材料良好的力學(xué)性能，可以達(dá)到增強構(gòu)件承載能力的目的，同時可以減輕構(gòu)件的重量，提高疲勞性能、耐腐蝕性能、減小能耗等，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。碳纖維絲束由幾千～幾十萬根碳纖維單絲組成。對于碳纖維復(fù)合材料來說，纖維絲束越薄，單位面積質(zhì)量越小，其物理性能偏差越小，同時基體與碳纖維絲的接觸面積更大，浸漬質(zhì)量和界面粘結(jié)性能更好，力學(xué)性能越優(yōu)異，可以最大限度地發(fā)揮由碳纖維產(chǎn)生的纖維強化作用。因此，要想提高碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，獲得寬而薄的碳纖維帶并進(jìn)行充分的浸潤是關(guān)鍵。通過展纖工藝將碳纖維絲束展成寬度適中、厚度薄且均勻的絲束帶，不僅可以提高樹脂對纖維束的浸潤性，提高生產(chǎn)效率，而且重排了單絲，在復(fù)合材料鋪層時減少了鋪層角度錯位及纖維屈曲等制造缺陷，大大增強了復(fù)合材料的力學(xué)性能。碳纖維的展絲已成為碳纖維預(yù)浸料制備、復(fù)合材料纏繞成型等必不可少的工藝環(huán)節(jié)。

目前，碳纖維絲束展開裝置大多針對實際生產(chǎn)過程所設(shè)計，如申請?zhí)枮镃N 203977026 U和CN 203960467 U的中國專利，雖然展纖效果較好，但裝置復(fù)雜，操作繁瑣，成本相對較高，沒有很好的普遍性和適用性。專利CN102002787A、CN102121153A公開了碳纖維的擴(kuò)絲裝置和擴(kuò)絲方法，目的是擴(kuò)寬碳纖維絲，使其蓬松度高，有效提高碳纖維絲的浸潤性，從而大幅增加復(fù)合材料產(chǎn)品的剪切強度和模量。專利CN104153085A公開了一種碳纖維振動展纖裝置，通過升降機(jī)構(gòu)改變兩進(jìn)紗加熱輥間包角的大小，包角越大，絲展開越大，設(shè)加熱展纖輥和振動電機(jī)，使加熱展纖輥上下運動，從而達(dá)到良好的纖維展寬目的。目前，對于碳纖維預(yù)浸料的實際生產(chǎn)，大多采用多輥機(jī)械式原理進(jìn)行展絲，并通過對碳纖維進(jìn)行加熱調(diào)節(jié)碳纖維絲束的可展開性。在測量碳纖維展開寬度時，大多數(shù)采用目測或利用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量，受人為因素影響較大，造成測量結(jié)果誤差較大，也無法實時、連續(xù)測量碳纖維長度方向上絲束可展開性的波動情況。此外，實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)一些碳纖維產(chǎn)品的可展開性較差，展開寬度不穩(wěn)定或展開時纖維斷絲現(xiàn)象明顯，嚴(yán)重影響了后續(xù)生產(chǎn)的復(fù)合材料的質(zhì)量和性能穩(wěn)定性，因此需要對碳纖維可展開性進(jìn)行定量的測試以評價碳纖維的工藝性能?，F(xiàn)有專利主要注重如何使碳纖維展開，而沒有關(guān)注碳纖維展開的穩(wěn)定性，展開寬度也往往根據(jù)展開裝置的設(shè)定值或產(chǎn)品中的纖維排布狀態(tài)判定，屬于定性評價。結(jié)合實際需求，本發(fā)明提出了一種基于熱輾法的碳纖維絲束可展開性測量裝置及基于圖像傳感器的展寬測量方法，操作簡單，易于實現(xiàn)，不僅與碳纖維預(yù)浸料實際生產(chǎn)過程相接近，而且能夠?qū)崟r、連續(xù)定量地測定碳纖維絲束展寬。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種操作簡單、普遍適用的碳纖維絲束可展開性測試裝置及測量方法。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種碳纖維絲束可展開性測試裝置及測量方法，其特征在于：包括安裝碳纖維的行進(jìn)方向順次連接的驅(qū)動放卷裝置、展絲加熱裝置、3輥驅(qū)動裝置、圖像傳感器以及收卷機(jī)。

所述驅(qū)動放卷裝置采用電機(jī)驅(qū)動放卷，并設(shè)有可獨立設(shè)定運行張力的張力控制系統(tǒng)。絲束在運行時可自動跟隨設(shè)定張力，放絲速度與3輥驅(qū)動速度自動同步，無論驅(qū)動速度快慢變化，均不影響絲束運行張力。

所述展絲加熱裝置主要包括紅外加熱裝置和三組展絲棒。其中，每組展絲棒由一根方管和圓管組成，絲束從圓管進(jìn)入方管后被擠壓展平。絲束在進(jìn)入展絲棒前，可通過調(diào)節(jié)紅外加熱器的輸出功率使絲束達(dá)到所需的溫度；在展絲過程中，可通過調(diào)節(jié)展絲棒與絲束的包角和紅外加熱器的輸出功率來調(diào)節(jié)絲束展開寬度。

所述3輥驅(qū)動裝置采用輪條傳動方式，在整線系統(tǒng)中為絲束運行提供動力并確保絲束進(jìn)入收絲機(jī)前的張力平穩(wěn)。

所述圖像傳感器主要是在絲束展開過程中以一定頻率采集不同位置處碳纖維絲束展開寬度的圖像，并通過圖像處理軟件獲得不同展絲條件下不同位置處碳纖維絲束寬度值。圖像傳感器的位置和采樣速率可根據(jù)實際需要進(jìn)行調(diào)整。

所述收絲機(jī)用于碳纖維的卷繞，絲束經(jīng)導(dǎo)紗片引導(dǎo)通過往復(fù)螺桿運動纏繞到紗管上，采用導(dǎo)絲輪與卷繞錠軸分離的方式設(shè)計，有效減小由于導(dǎo)絲輪夾角與卷繞紗錠切線的夾角造成的張力不平穩(wěn)，提高卷繞紗錠的質(zhì)量。

使用如上面所述的測試裝置測試碳纖維絲束可展開性的測試步驟如下：

1)將一軸碳纖維紗錠固定在放卷裝置的導(dǎo)向輪上，并將碳纖維絲束另一端纏繞到收絲機(jī)的卷繞錠軸上。

2)通過放卷裝置中的電機(jī)驅(qū)動和張力控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)放絲速度和運行張力，所述放絲速度調(diào)整范圍為1-15m/min，所述運行張力調(diào)整范圍為100-2000g。

3)調(diào)節(jié)紅外加熱器的輸出功率，使碳纖維絲束在進(jìn)入展絲棒前達(dá)到所需的溫度，溫度范圍為室溫到200℃。

4)打開電機(jī)驅(qū)動使絲束通過導(dǎo)向輪按照預(yù)設(shè)的放絲速度開卷，隨后依次經(jīng)過張力控制系統(tǒng)、展絲加熱裝置、3輥驅(qū)動裝置和圖像傳感器，最后纏繞到收絲機(jī)的卷繞錠軸上。

5)根據(jù)圖像傳感器的采集結(jié)果，可以進(jìn)一步調(diào)整放絲速度、運行張力、展絲棒與絲束的包角以及紅外加熱器的輸出功率等參數(shù)，使碳纖維絲束的展開寬度接近所需值，并將優(yōu)化得到的上述工藝參數(shù)用于實際的產(chǎn)品生產(chǎn)。

6)展絲過程中，實時、連續(xù)測量碳纖維絲束展開寬度，圖像傳感器通過相機(jī)采集實時圖像，并存儲為數(shù)值矩陣，再利用控制器內(nèi)的處理軟件分析矩陣的灰度值，從而確定碳纖維絲束的展開寬度，即為滿足灰度值要求的像素塊數(shù)量與單位像素塊尺寸的乘積。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1)本發(fā)明所述的測試裝置可用于測試1K-24K及以上絲束規(guī)格的碳纖維紗錠的展開性能，操作簡單、方便，成本相對較低，具有很好的普遍性和適用性。

2)本發(fā)明所述的測試裝置采用電機(jī)驅(qū)動并具有張力控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)放絲速度和運行張力可控。

3)本發(fā)明所述的測試裝置可以通過調(diào)節(jié)展絲棒與絲束的包角及紅外加熱器的加熱溫度來調(diào)節(jié)碳纖維絲束的展開寬度，以滿足不同展寬需求。

4)本發(fā)明采用圖像傳感器和相應(yīng)的處理軟件對絲束展開寬度進(jìn)行測量，不僅對絲束展開過程無干擾，而且大大提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和測量的連續(xù)性。

5)本發(fā)明實現(xiàn)了展絲過程中絲束寬度的實時、連續(xù)定量測量，可以評價碳纖維展開性能的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中碳纖維絲束可展開性測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-驅(qū)動放卷裝置、2-導(dǎo)向輪、3-張力控制系統(tǒng)、4-過渡輥、5-展絲加熱裝置、6-紅外加熱器、7-展絲棒、8-三輥驅(qū)動裝置、9-圖像傳感器、10-收絲機(jī)、11-導(dǎo)絲輪、12-往復(fù)螺桿、13-卷繞錠軸。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明做各種改動或修改，這些等價形式同樣屬于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種碳纖維絲束可展開性測試裝置，其特征在于：包括按照碳纖維的行進(jìn)方向順次連接的驅(qū)動放卷裝置1、展絲加熱裝置5、3輥驅(qū)動裝置8、圖像傳感器9以及收卷機(jī)10。

所述驅(qū)動放卷裝置1采用電機(jī)驅(qū)動放卷，碳纖維紗線通過導(dǎo)向輪2開卷，經(jīng)由張力控制系統(tǒng)3，再由過渡輥4向前輸送。導(dǎo)向輪2帶有電機(jī)驅(qū)動、傳感、變頻器，變頻器驅(qū)動電機(jī)控制跟隨紗線的牽引速度自動調(diào)節(jié)紗綻的放卷速度，保持紗線張力平穩(wěn)；張力控制系統(tǒng)3可獨立設(shè)定張力，并由三輪傳感器檢測、輸出張力信號，絲束運行時自動跟隨設(shè)定張力，放絲速度與3輥驅(qū)動速度自動同步，無論驅(qū)動速度快慢變化，均不影響絲束運行張力。該驅(qū)動放卷裝置1的放卷原理為旋轉(zhuǎn)紗錠切線放紗，可以避免放卷過程中的加捻；放卷方式為一錠單獨運行，如果絲斷，張力控制系統(tǒng)3中的擺桿垂下使驅(qū)動停止，不產(chǎn)生浪費及妨礙其他錠位正常生產(chǎn)。

所述展絲加熱裝置5主要包括紅外加熱器6和三組展絲棒7。其中，每組展絲棒7由一根方管和圓管組成，絲束從圓管進(jìn)入方管后被擠壓展平。絲束在進(jìn)入展絲棒前，可通過調(diào)節(jié)紅外加熱器6的輸出功率使絲束達(dá)到所需的溫度；在展絲過程中，可通過調(diào)節(jié)展絲棒7與絲束的包角來調(diào)節(jié)絲束展開寬度。

所述3輥驅(qū)動裝置8采用輪條傳動方式，在整線系統(tǒng)中為絲束運行提供動力并確保絲束進(jìn)入收絲機(jī)前的張力平穩(wěn)。

所述圖像傳感器9主要是在絲束展開過程中以一定頻率采集不同位置處碳纖維絲束展開寬度的圖像。圖像傳感器9主要包括控制器、相機(jī)、鏡頭、光源控制器、光源、電源和線纜等幾大部分。圖像傳感器9可通過調(diào)控光源控制器改變光源，使碳纖維絲束能在控制器顯示屏上清晰顯示。在展絲過程中，圖像傳感器9通過相機(jī)采集實時圖像，并存儲為數(shù)值矩陣，再利用控制器內(nèi)的處理軟件分析矩陣的灰度值，從而確定碳纖維絲束的展開寬度，即為滿足灰度值要求的像素塊數(shù)量與單位像素塊尺寸的乘積。圖像傳感器9的位置和采樣速率可根據(jù)實際需要進(jìn)行調(diào)整。

所述收絲機(jī)10用于碳纖維的卷繞，絲束經(jīng)導(dǎo)紗片引導(dǎo)通過往復(fù)螺桿12運動纏繞到紗管上，采用導(dǎo)絲輪11與卷繞錠軸13分離的方式設(shè)計，有效減小由于導(dǎo)絲輪11夾角與卷繞紗錠切線的夾角造成的張力不平穩(wěn)，提高卷繞紗錠的質(zhì)量。該收絲機(jī)10采用塑料錠軸設(shè)計，通過張緊圈將紗錠內(nèi)錠緊固，使人手換紗操作簡便，節(jié)約時間、人力、物力，保護(hù)功能完善。

在本發(fā)明中，作為一種優(yōu)選的實施方式，所述驅(qū)動放卷裝置1中導(dǎo)絲元件的材質(zhì)為硬質(zhì)鋁合金，所述展絲棒7及3輥驅(qū)動裝置8中輥筒的材質(zhì)為普通碳鋼，表面均鍍硬質(zhì)化處理，表面光潔，能夠有效減少碳纖維絲束運行時產(chǎn)生的損傷。

在本發(fā)明中，所述驅(qū)動放卷裝置1、展絲加熱裝置5、3輥驅(qū)動裝置8、圖像傳感器9和收卷機(jī)10分別獨立，可以按照實際需要擺放。

本發(fā)明還提供了一種使用所述碳纖維絲束可展開性測試裝置測量碳纖維絲束展開寬度的方法，包括以下步驟：

1)將碳纖維紗錠固定在驅(qū)動放卷裝置1中的導(dǎo)向輪2上，并將碳纖維絲束另一端纏繞到收絲機(jī)10中的卷繞錠軸13上。

2)通過驅(qū)動放卷裝置1中的電機(jī)驅(qū)動和張力控制系統(tǒng)3預(yù)設(shè)放絲速度和運行張力，所述放絲速度調(diào)整范圍為1-15m/min，所述運行張力調(diào)整范圍為100-2000g。

3)調(diào)節(jié)紅外加熱器6的輸出功率，使碳纖維絲束在進(jìn)入展絲棒前達(dá)到所需的溫度，溫度范圍為室溫到200℃。

4)打開電機(jī)驅(qū)動使絲束通過導(dǎo)向輪2按照預(yù)設(shè)的放絲速度開卷，隨后依次經(jīng)過張力控制系統(tǒng)3、展絲加熱裝置5、3輥驅(qū)動裝置8和圖像傳感器9，最后纏繞到收絲機(jī)10的卷繞錠軸13上。

5)根據(jù)圖像傳感器9的采集結(jié)果，可以進(jìn)一步調(diào)整放絲速度、運行張力、展絲棒7與絲束的包角以及紅外加熱器10的輸出功率等參數(shù)，使碳纖維絲束的展開寬度接近所需值，并將優(yōu)化得到的上述工藝參數(shù)用于實際的產(chǎn)品生產(chǎn)。

6)展絲過程中，實時、連續(xù)測量碳纖維絲束展開寬度。