一種緊湊型復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度測(cè)試裝置及利用其測(cè)試復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度測(cè)試裝置及測(cè)試復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航空航天、大低溫工程、超導(dǎo)技術(shù)和醫(yī)療服務(wù)等低溫領(lǐng)域的快速發(fā)展，復(fù)合材 料在低溫環(huán)境中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，包括在低溫環(huán)境下使用的各種結(jié)構(gòu)、支撐、連接等構(gòu) 件等，同時(shí)也對(duì)這些結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能提出了各種苛刻的要求，如在空間環(huán)境中，溫度變化 較大，其中衛(wèi)星在地球面向太陽(yáng)的一側(cè)和背向太陽(yáng)的一側(cè)運(yùn)行時(shí)，需要航天器結(jié)構(gòu)在90K~ 600K范圍內(nèi)具有優(yōu)異的的力學(xué)性能和抗熱振性能;低溫燃料貯箱所處環(huán)境為一般為極低溫 條件(20K-77K)，因而需要復(fù)合材料在極低溫環(huán)境下仍具有足夠的承載能力。復(fù)合材料在低 溫環(huán)境下的力學(xué)性能對(duì)其在低溫工程結(jié)構(gòu)中使用時(shí)的可靠性和安全性有著重要影響，因 而，為了合理的設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件并保證其工程使用中的安全性，開(kāi)展低溫環(huán)境復(fù)合材 料的力學(xué)性能研究具有十分重要的意義。
[0003] 樹(shù)脂基體與纖維間的界面相是復(fù)合材料中極為重要的微觀結(jié)構(gòu)，它不但是復(fù)合材 料中增強(qiáng)相與基體相的連接紐帶，也是應(yīng)力傳遞的橋梁。因此深入研究低溫環(huán)境下纖維增 強(qiáng)復(fù)合材料界面的應(yīng)力傳遞行為對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響規(guī)律，精確表征低溫環(huán)境下界面結(jié) 合情況，并進(jìn)行定量描述，是提高復(fù)合材料性能的關(guān)鍵。迄今為止，微脫粘界面剪切強(qiáng)度測(cè) 試方法是唯一能對(duì)實(shí)際待測(cè)復(fù)合材料樣品進(jìn)行純粹界面強(qiáng)度定量測(cè)定的先進(jìn)技術(shù)。由于現(xiàn) 有微脫粘測(cè)試裝置體積過(guò)大，難以在低溫環(huán)境腔內(nèi)集成，所以目前還沒(méi)有關(guān)于將其用于低 溫環(huán)境復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的測(cè)試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有唯一能對(duì)實(shí)際待測(cè)復(fù)合材料樣品進(jìn)行純粹界面強(qiáng)度 定量測(cè)定的微脫粘測(cè)試裝置因體積過(guò)大，難以在低溫環(huán)境腔內(nèi)集成，不能用于測(cè)量低溫環(huán) 境中復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度的問(wèn)題，而提供一種緊湊型復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度測(cè)試裝置 及利用其測(cè)試復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的方法。
[0005] -種緊湊型復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度測(cè)試裝置，包括固定基座、微拉伸測(cè)試系統(tǒng)和 微滴夾持系統(tǒng)；
[0006] 所述的微拉伸測(cè)試系統(tǒng)包括X向壓電陶瓷位移平臺(tái)、微應(yīng)力傳感器、第一纖維夾具 和第二纖維夾具；
[0007] 所述的微滴夾持系統(tǒng)包括第一y向壓電陶瓷位移平臺(tái)、第二y向壓電陶瓷位移平 臺(tái)、第一微型刀具和第二微型刀具；
[0008] 所述的X向壓電陶瓷位移平臺(tái)、第一y向壓電陶瓷位移平臺(tái)、第二y向壓電陶瓷位移 平臺(tái)、第一纖維夾具和第二纖維夾具分別安裝在固定基座上；
[0009] 所述的微應(yīng)力傳感器的一端與X向壓電陶瓷位移平臺(tái)相連接，微應(yīng)力傳感器的另 一端與第一纖維夾具相連接；
[0010] 所述的微型刀具固定在第一y向壓電陶瓷位移平臺(tái)上，第二微型刀具固定在于第 二y向壓電陶瓷位移平臺(tái)上，且第一微型刀具和第二微型刀具的兩個(gè)刀口對(duì)位安裝。
[0011] 利用一種緊湊型復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度測(cè)試裝置測(cè)試復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的 方法，是按以下步驟完成的：
[0012] 一、制備界面剪切強(qiáng)度測(cè)試試樣：
[0013] 將纖維單絲固定在硬紙板上，再將樹(shù)脂膠液涂覆在纖維單絲中間的一段纖維單絲 上，再將涂覆有樹(shù)脂膠液的纖維單絲進(jìn)行固化，得到一段表面帶有樹(shù)脂微滴的纖維單絲，即 為界面剪切強(qiáng)度測(cè)試試樣；
[0014] 二、界面剪切強(qiáng)度測(cè)試:將界面剪切強(qiáng)度測(cè)試試樣固定在第一纖維夾具和第二纖 維夾具上，再調(diào)整微滴夾持系統(tǒng)，使第一微型刀具和第二微型刀具夾持住纖維單絲上的樹(shù) 脂微滴;記錄纖維單絲的直徑D，再記錄纖維單絲埋在樹(shù)脂微滴內(nèi)的長(zhǎng)度L，利用微拉伸測(cè)試 系統(tǒng)對(duì)纖維單絲進(jìn)行拉伸，直至樹(shù)脂微滴與纖維單絲脫粘，利用微應(yīng)力傳感器記錄最大載 荷應(yīng)力F;
[0015] 三、根據(jù)以下以下計(jì)算公式計(jì)算復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度τ; F
[0016] r =--; kDL
[0017] 其中，D為纖維單絲的直徑，單位為ym;L為纖維單絲埋在樹(shù)脂微滴內(nèi)的長(zhǎng)度，單位 為ym;F為樹(shù)脂微滴與纖維單絲脫粘時(shí)的最大載荷應(yīng)力，單位為mNp為圓周率;τ為復(fù)合材料 界面剪切強(qiáng)度，單位為MPa。
[0018] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
[0019] -、本發(fā)明一種緊湊型微脫粘復(fù)合材料界面強(qiáng)切測(cè)試裝置，具有體積小、精度高、 方便拆裝等特點(diǎn)，可在多種狹小腔體中集成，因而可以用于低溫、高溫等多種環(huán)境下的復(fù)合 材料界面剪切強(qiáng)度測(cè)試；
[0020] 二、利用本發(fā)明的一種緊湊型復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度測(cè)試裝置測(cè)試復(fù)合材料界面 剪切強(qiáng)度的精度為〇. 05 %~0.5 % ;
[0021] 三、本發(fā)明中第一 y向壓電陶瓷位移平臺(tái)和第二y向壓電陶瓷位移平臺(tái)可驅(qū)動(dòng)第一 微型刀具和第二微型刀具的刀口沿y軸方向運(yùn)動(dòng)，第一微型刀具和第二微型刀具用于夾緊 纖維單絲上的樹(shù)脂微滴；
[0022] 四、利用本發(fā)明的一種緊湊型微脫粘復(fù)合材料界面強(qiáng)切測(cè)試裝置可對(duì)復(fù)合材料界 面剪切強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)際測(cè)量；
[0023] 五、將纖維單絲固定在U型硬紙板上，并確保纖維單絲在硬紙板兩側(cè)固定的位置在 同一水平線上，目的是為了有效保證纖維單絲軸向與測(cè)試裝置拉伸方向保持一致。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1為實(shí)施例一中所述的一種緊湊型復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖，圖1為1為固定基座，2為X向壓電陶瓷位移平臺(tái)，3為微應(yīng)力傳感器，4為第一纖維夾具，5 為第一 y向壓電陶瓷位移平臺(tái)，6為第一微型刀具，7為第二纖維夾具，8為界面剪切強(qiáng)度測(cè)試 試樣，9為第二微型刀具，10為第二y向壓電陶瓷位移平臺(tái)；
[0025] 圖2為實(shí)施例一步驟一中制備界面剪切強(qiáng)度測(cè)試試樣結(jié)構(gòu)示意圖；圖2中11為U型 硬紙板，12為纖維單絲，13為樹(shù)脂微滴；
[0026] 圖3為實(shí)施例一步驟二中界面剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖；圖3中21為第一纖維夾 具，22為第一微型刀具，23為樹(shù)脂微滴，24為纖維單絲，25為第二纖維夾具，26為第二微型刀 具。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0027] 一:本實(shí)施方式是一種緊湊型復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度測(cè)試裝置包括 固定基座1、微拉伸測(cè)試系統(tǒng)和微滴夾持系統(tǒng)；
[0028] 所述的微拉伸測(cè)試系統(tǒng)包括X向壓電陶瓷位移平臺(tái)2、微應(yīng)力傳感器3、第一纖維夾 具4和第二纖維夾具7;
[0029] 所述的微滴夾持系統(tǒng)包括第一 y向壓電陶瓷位移平臺(tái)5、第二y向壓電陶瓷位移平 臺(tái)10、第一微型刀具6和第二微型刀具9;
[0030] 所述的X向壓電陶瓷位移平臺(tái)2、第一 y向壓電陶瓷位移平臺(tái)5、第二y向壓電陶瓷位 移平臺(tái)10、第一纖維夾具4和第二纖維夾具7分別安裝在固定基座1上；
[0031] 所述的微應(yīng)力傳感器3的一端與X向壓電陶瓷位移平臺(tái)2相連接，微應(yīng)力傳感器3的 另一端與第一纖維夾具4相連接；
[0032] 所述的微型刀具6固定在第一 y向壓電陶瓷位移平臺(tái)5上，第二微型刀具9固定在于 第二y向壓電陶瓷位移平臺(tái)10上，且第一微型刀具6和第二微型刀具9的兩個(gè)刀口對(duì)位安裝。 [0033]本實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)：
[0034] -、本實(shí)施方式一種緊湊型微脫粘復(fù)合材料界面強(qiáng)切測(cè)試裝置，具有體積小、精度 高、方便拆裝等特點(diǎn)，可在多種狹小腔體中集成，因而可以用于低溫、高溫等多種環(huán)境下的 復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度測(cè)試；
[0035] 二、利用本實(shí)施方式的一種緊湊型復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度測(cè)試裝置測(cè)試復(fù)合材料 界面剪切強(qiáng)度的精度為0.05 %~0.5 % ;
[0036]三、本實(shí)施方式中第一 y向壓電陶瓷位移平臺(tái)5和第二y向壓電陶瓷位移平臺(tái)10可 驅(qū)動(dòng)第一微型刀具6和第二微型刀具9的刀口沿y軸方向運(yùn)動(dòng)，第一微型刀具6和第二微型刀 具9用于夾緊纖維單絲上的樹(shù)脂微滴；
[0037] 四、利用本實(shí)施方式的一種緊湊型微脫粘復(fù)合材料界面強(qiáng)切測(cè)試裝置可對(duì)復(fù)合材 料界面剪切強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。
【具體實(shí)施方式】 [0038] 二:本實(shí)施方式與一不同點(diǎn)是:所述的X向壓電陶瓷位 移平臺(tái)2可驅(qū)動(dòng)第一纖維夾具4沿X軸方向移動(dòng)，微應(yīng)力傳感器3用于測(cè)量X軸應(yīng)力值。其他步 驟與一相同。
[0039]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二之一不同點(diǎn)是:所述的第一 y 向壓電陶瓷位移平臺(tái)5和第二y向壓電陶瓷位移平臺(tái)10可驅(qū)動(dòng)第一微型刀具6和第二微型刀 具9的刀口沿y軸方向運(yùn)動(dòng)。其他步驟與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0040]【具體實(shí)施方式】四：本實(shí)施方式是利用一種緊湊型復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度測(cè)試裝置 測(cè)試復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的方法是按以下步驟完成的：
[0041] -、制備界面剪切強(qiáng)度測(cè)試試樣：
[0042] 將纖維單絲固定在硬紙板上，再將樹(shù)脂膠液涂覆在纖維單絲中間的一段纖維單絲 上，再將涂覆有樹(shù)脂膠液的纖維單絲進(jìn)行固化，得到一段表面帶有樹(shù)脂微滴的纖維單絲，即 為界面剪切強(qiáng)度測(cè)試試樣；
[0043] 二、界面剪切強(qiáng)度測(cè)試:將界面剪切強(qiáng)度測(cè)試試樣固定在第一纖維夾具4和第二纖 維夾具7上，再調(diào)整微滴夾持系統(tǒng)，使第一微型刀具6和第二微型刀具9夾持住纖維單絲上的 樹(shù)脂微滴;記錄纖維單絲的直徑D，再記錄纖維單絲埋在樹(shù)脂微滴內(nèi)的長(zhǎng)度L，利用微拉伸測(cè) 試系統(tǒng)對(duì)纖維單絲進(jìn)行拉伸，直至樹(shù)脂微滴與纖維單絲脫粘，利用微應(yīng)力傳感器3記錄最大 載荷應(yīng)力F;
[0044] 三、根據(jù)以下計(jì)算公式計(jì)算復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度τ;
[0045] τ - ^ ；；： π??
[0046] 其中，D為纖維單絲的直徑，單位為ym;L為纖維單絲埋在樹(shù)脂微滴內(nèi)的長(zhǎng)度，單位 為ym;F為樹(shù)脂微滴與纖維單絲脫粘時(shí)的最大載荷應(yīng)力，單位為mNp為圓周率;τ為復(fù)合材料 界面剪切強(qiáng)度，單位為MPa。
[0047] 本實(shí)施方式將纖維單絲固定在U型硬紙板上，并確保纖維單絲在硬紙板兩側(cè)固定 的位置在同一水平線上，目的是為了有效保證纖維單絲軸向與測(cè)試裝置拉伸方向保持一 致。
【具體實(shí)施方式】 [0048] 五:本實(shí)施方式與四的不同點(diǎn)是:步驟一中所述的樹(shù) 脂膠液為T(mén)DE85環(huán)氧樹(shù)脂或聚甲基丙烯酸甲酯與丙酮的混合液;所述的聚甲基丙烯酸甲酯 與丙酮的混合液中聚甲基丙烯酸甲酯與丙酮的體積比為1:1。其他步驟與四 相同。
[0049]
【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】四至五之一不同點(diǎn)是：步驟一中所 述的纖維單絲上樹(shù)脂膠液的液滴直徑為30μπι~100μπι。其他步驟與【具體實(shí)施方式】四至五相 同。
【具體實(shí)施方式】 [0050] 七:本實(shí)施方式與四至六之一不同點(diǎn)是：步驟一中所 述的固化具體工藝為在溫度為80°C下保溫2h。其他步驟與四至六相同。