碳纤维预浸料层间滑移力测量装置及测量方法
【专利摘要】一种碳纤维预浸料层间滑移力测量装置及测量方法。承载架安装在该支架的支架面板上。两个固定碳纤维预浸料的基座位于在承载架内，述碳纤维预浸料滑移机构中的垫板位于两个基座之间，并与该碳纤维预浸料滑移机构中的滑轮钢丝绳固连。滑轮固定在连接板上。连接板固定在机床台面上，通过机床带动碳纤维预浸料滑移机构移动，使滑移碳纤维预浸料与固定碳纤维预浸料之间产生相对运动，通过电子万能试验机力传感器测量测量包覆在垫板上的碳纤维预浸料滑移中的滑移力。本发明施力匀均、加热温度易控制，得到的测量数据可靠，并且操作容易，方便实用，适用性强；可推广到其它种类预浸料的滑移力测量实验中。
【专利说明】碳纤维预浸料层间滑移力测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及成型【技术领域】，具体是一种可测量碳纤维预浸料成型过程中层间滑移力的方法及装置。
【背景技术】
[0002]在用热隔膜成型工艺制作复合材料预成型件的过程中，为了避免纤维的褶皱和断裂，必须使这些纤维层发生相对滑移，并且层间滑移有利于成型过程的进行。预成型件边缘质量主要与复合材料叠层的层间滑移效应有关，各层复合材料应力、应变和位移几乎一致的效果以及良好的边缘成型质量证明层间滑移效应明显，随着拐角处曲率的变化，层与层之间产生均匀的层间滑移，保证了成型质量，避免了层间分离、拐角褶皱和边缘参差不齐。
[0003]我国在此项技术上尚处于实验开发阶段，相关的理论基础薄弱，涉及具体工艺参数的研究也还处在起步阶段，无法指导热隔膜成型工艺的实际操作实施，严重制约了复合材料在我国的应用。因此，对碳纤维预浸料成型过程中层间滑移力的研究不仅可以测得碳纤维预浸料发生层间滑移时的最佳温度范围，同时对提高复合材料大型复杂结构件的成型效率和成型质量有重要的理论意义和现实意义。测量装置需要在加热的环境中使用，所以对装置的耐热性和可靠性要求较高。
[0004]国外的Scherer等开发了一种采用静载荷系统测量熔融复合材料层间滑移阻力的测试设备。Murtagh等开发了类似上述采用静载荷系统测量熔融复合材料层间滑移阻力的控制设备。这两种设备的操作原理都是从夹在两块矩形加热板之间的两个平板样品中间横向拉伸中心层，并且上述设备的操作过程都比较复杂。
[0005]北京航空航天大学建立的碳纤维预浸料铺层摩擦滑移特性测试装置是将测试夹具和试样整体固定到力学实验机上，利用弹簧加压装置和加热片对试样进行加压和加热，以此来测量层间滑移力，这种弹簧加压的方法误差较大，施加的压力准确度不高；同时，利用加热片对碳纤维预浸料进行加热的方法不容易有效控制温度。
[0006]目前，急需一种可靠的能够测量碳纤维预浸料成型过程中不同温度下层间滑移力的简易装置，不仅原理简单、便于操作、经济适用，而且还能够准确和方便的测出碳纤维预浸料的层间滑移力。
【发明内容】
[0007]为了克服现有技术存在的施力误差较大、加热温度不易控制的不足，本发明提出了一种碳纤维预浸料层间滑移力测量装置及测量方法。
[0008]本发明提出的碳纤维预浸料层间滑移力测量装置包括支架、承载架、碳纤维预浸料固定座和碳纤维预浸料滑移机构。其中承载架安装在该支架的支架面板上。碳纤维预浸料固定座位于承载架内，并且所述碳纤维预浸料固定座中的上基座固定在承载架的顶板的下表面，碳纤维预浸料固定座中的下基座固定在支架面板的上表面，两个基座的碳纤维预浸料固定面相对应并且有间距，该间距等于垫板的厚度与四层碳纤维预浸料的厚度之和。承载架的立柱插装在位于所述支架面板上的立柱孔内，并使两者之间间隙配合。所述碳纤维预浸料滑移机构中的垫板位于两个基座之间，并与该碳纤维预浸料滑移机构中的滑轮钢丝绳固连。滑轮固定在连接板上。连接板固定在机床台面上。
[0009]所述碳纤维预浸料滑移机构包括垫板、夹板、套管和滑轮；所述垫板位于两个基座的碳纤维预浸料固定面之间，该垫板有滑轮钢丝绳连接孔的一端装夹在夹板内。垫板为条状板，宽度与滑移碳纤维预浸料的宽度相同，将一块条形碳纤维预浸料沿其长度方向对折之后包覆在垫板的上表面和下表面，并通过两个夹板夹紧固定，作为滑移碳纤维预浸料。滑轮钢丝绳装在套管内。在所述两个夹板相配合表面分别有垫板嵌槽。
[0010]所述碳纤维预浸料固定座中的上基座和下基座均为一个表面有凸台的矩形板，该凸台的表面为碳纤维预浸料固定面。
[0011 ] 所述套管包括前套管和后套管。在前套管一端端面对称分布有两个槽口，通过该槽口将前套管该端与支架面板插接；在所述前套管的另一端有法兰。在后套管的一端端面对称分布有两个槽口，通过该槽口将后套管与连接板插接；在所述后套管的另一端亦有法兰。将前套管与后套管通过所述法兰固连。
[0012]本发明提出的测量碳纤维预浸料层间滑移力的方法的具体步骤是:
[0013]步骤1，确定需施加在滑移碳纤维预浸料表面的物体质量。确定需施加在滑移碳纤维预浸料表面的物体质量时，根据试验要求确定的大气压强Pi,通过公式(I)
[0014]Fn=P1.S(I)[0015]得到应施加在滑移碳纤维预浸料表面的压力Fn，通过公式(2)确定需施加在滑移碳纤维预浸料上的物体质量M
[0016]M=FN/g (2)
[0017]上述公式中，S是滑移碳纤维预浸料的受力面积，g是施加在滑移碳纤维预浸料表面物体的重力加速度。
[0018]步骤2，确定所需配重块的质量。通过第一步得到的需施加在滑移碳纤维预浸料上的质量M由两部分组成，一部分是承载架与上基座的质量M0,另一部分是配重块的质量Mp所述承载架与上基座的质量M0通过称量的方法直接获得，所述配重块的质量Mi通过公式
(3)确定:
[0019]Mi=M-M0(3)
[0020]得到应施加在滑移碳纤维预浸料表面上的配重块的质量。
[0021]步骤3，装夹固定碳纤维预浸料。将两块碳纤维预浸料分别固定在上基座的碳纤维预浸料固定面和下基座的碳纤维预浸料固定面上，作为固定碳纤维预浸料。将上基座固定在承载架的顶板的下表面，将下基座固定在支架面板的上表面。
[0022]步骤4，装夹滑移碳纤维预浸料。将一块条形碳纤维预浸料沿其长度方向对折之后包覆在垫板的上表面和下表面。将包覆有碳纤维预浸料的垫板有滑轮钢丝绳连接孔的一端装入夹板上的垫板嵌槽内并固定。
[0023]步骤5，安装碳纤维预浸料层间滑移力测量装置。根据第二步中确定的所需配重块的质量Mi,在承载架的底板上码放质量为Mi的标准重物块。将支架置于烘箱中。将连接板固定在机床台面上。将滑轮钢丝绳装入套管内部并引出来。将前套管有槽口一端与支架面板插接；将后套管有槽口一端与连接板插接；将前套管的法兰与后套管的法兰固连。将滑轮钢丝绳装在滑轮上并固定在机床横梁的底部。至此完成了测量装置的安装。
[0024]步骤6，测量碳纤维预浸料层间滑移力。依次测量碳纤维预浸料在60°C~180°C的温度范围内的滑移力。首次测量温度为60°C，每次以10°C的温差升温，直至测量温度达到180。。。
[0025]测量时，首先通过烘箱对碳纤维预浸料加热至60°C并保温。启动电子万能试验机使机床横梁移动，带动连接在机床横梁上的滑轮钢丝绳移动，从而带动包覆有碳纤维预浸料的垫板滑移，使包覆在垫板上的碳纤维预浸料与固定在基座上的碳纤维预浸料之间产生相对运动。通过电子万能试验机力传感器测量测量包覆在垫板上的碳纤维预浸料滑移中的滑移力。该机床横梁的移动速度和移动距离均根据试验要求确定:机床横梁的移动速度为10mm/min，移动距离为90mm。当碳纤维预浸料滑移距离达到设定值后，机床横梁停止运动。测量温度为60°C时碳纤维预浸料层间滑移力结束。
[0026] 机床横梁回位。从烘箱内取出碳纤维预浸料层间滑移力测量装置，并使包覆有碳纤维预浸料的垫板4回归原位。把碳纤维预浸料层间滑移力测量装置放回到烘箱内。通过烘箱对碳纤维预浸料加热至70°C并保温。当烘箱温度加热到70°C后，启动机床，重复温度为60°C时的测量过程，得到温度为70°C时碳纤维预浸料层间滑移力。
[0027]以10°C的温度差逐次调节对碳纤维预浸料的加热温度，并重复所述测量过程，直至完成碳纤维预浸料在60°C~180°C的温度范围内滑移力的测量。得到碳纤维预浸料在60 V~180°C的温度范围内的滑移力。
[0028]在测量中，通过计算机会自动绘制出滑移过程中力变化的曲线图。
[0029]利用弹簧加压装置和加热片对试样进行加压和加热，以此来测量层间滑移力，这种弹簧加压的方法误差较大，施加的压力准确度不高；同时，利用加热片对碳纤维预浸料进行加热的方法不容易有效控制温度。
[0030]本发明提出的碳纤维预浸料滑移力测量装置全部由机械零件组成，并且是在烘箱内作业，可获得良好的实验效果；利用电子万能试验机可测出不同参数条件下碳纤维预浸料之间的滑移力，柔性较强；尽量避免使用电子元器件，可靠性高；装置方便实用，容易操作；结构简单，易于加工制造；经济适用，适应性强；可推广到其它种类预浸料的滑移力测量实验中。
[0031]当碳纤维预浸料上所加重物质量M为2958.6g时，不同温度下，采用本发明测得的碳纤维预浸料滑移力如表1所示:
[0032]表1
[0033]
【权利要求】
1.一种碳纤维预浸料层间滑移力的测量装置，其特征在于，包括支架、承载架、碳纤维预浸料固定座和碳纤维预浸料滑移机构；其中承载架安装在该支架的支架面板上；碳纤维预浸料固定座位于承载架内，并且所述碳纤维预浸料固定座中的上基座固定在承载架的顶板的下表面，碳纤维预浸料固定座中的下基座固定在支架面板的上表面，两个基座的碳纤维预浸料固定面相对应并且有间距，该间距等于垫板的厚度与四层碳纤维预浸料的厚度之和；承载架的立柱插装在位于所述支架面板上的立柱孔内，并使两者之间间隙配合；所述碳纤维预浸料滑移机构中的垫板位于两个基座之间，并与该碳纤维预浸料滑移机构中的滑轮钢丝绳固连；滑轮固定在连接板上；连接板固定在机床台面上。
2.如权利要求1所述碳纤维预浸料层间滑移力的测量装置，其特征在于，所述碳纤维预浸料滑移机构包括垫板、夹板、套管和滑轮；所述垫板位于两个基座的碳纤维预浸料固定面之间，该垫板有滑轮钢丝绳连接孔的一端装夹在夹板内；垫板为条状板，宽度与滑移碳纤维预浸料的宽度相同，将一块条形碳纤维预浸料沿其长度方向对折之后包覆在垫板的上表面和下表面，并通过两个夹板夹紧固定，作为滑移碳纤维预浸料；滑轮钢丝绳装在套管内；在所述两个夹板相配合表面分别有垫板嵌槽。
3.如权利要求1所述碳纤维预浸料层间滑移力的测量装置，其特征在于，所述碳纤维预浸料固定座中的上基座和下基座均为一个表面有凸台的矩形板，该凸台的表面为碳纤维预浸料固定面。
4.如权利要求2所述碳纤维预浸料层间滑移力的测量装置，其特征在于，所述套管包括前套管和后套管；在前套管一端端面对称分布有两个槽口，通过该槽口将前套管该端与支架面板插接；在所述前套管的另一端有法兰；在后套管的一端端面对称分布有两个槽口，通过该槽口将该后套管与连接板插接；在所述后套管的另一端亦有法兰；将前套管与后套管通过所述法兰固连。
5.一种使用权利要求1所述碳纤维预浸料层间滑移力测量装置测量碳纤维预浸料层间滑移力的方法，其特征在于，具体步骤是: 步骤1，确定需施加在滑移碳纤维预浸料表面的物体质量；确定需施加在滑移碳纤维预浸料表面的物体质量时，根据试验要求确定的大气压强Pi,通过公式(I) Fn=P1.S (I) 得到应施加在滑移碳纤维预浸料表面的压力Fn，通过公式(2)确定需施加在滑移碳纤维预浸料上的物体质量M M=FN/g (2) 上述公式中，S是滑移碳纤维预浸料的受力面积，g是施加在滑移碳纤维预浸料表面物体的重力加速度； 步骤2，确定所需配重块的质量；通过第一步得到的需施加在滑移碳纤维预浸料上的物体质量M由两部分组成，一部分 是承载架与上基座的质量M0,另一部分是配重块的质量Mi ;所述承载架与上基座的质量M0通过称量的方法直接获得，所述配重块的质量Mi通过公式(3)确定: Mi=M-M0 (3) 得到应施加在滑移碳纤维预浸料表面上的配重块的质量； 步骤3，装夹固定碳纤维预浸料；将两块碳纤维预浸料分别固定在上基座的碳纤维预浸料固定面和下基座的碳纤维预浸料固定面上，作为固定碳纤维预浸料；将上基座固定在承载架的顶板的下表面，将下基座固定在支架面板的上表面； 步骤4，装夹滑移碳纤维预浸料；将一块条形碳纤维预浸料沿其长度方向对折之后包覆在垫板的上表面和下表面；将包覆有碳纤维预浸料的垫板有滑轮钢丝绳连接孔的一端装入夹板上的垫板嵌槽内并固定； 步骤5，安装碳纤维预浸料层间滑移力测量装置；根据第二步中确定的所需配重块的质量Mi,在承载架的底板上码放质量为Mi的标准重物块；将支架置于烘箱中；将连接板固定在机床台面上；将滑轮钢丝绳装入套管内部并引出来；将前套管有槽口一端与支架面板插接；将后套管有槽口一端与连接板插接；将前套管的法兰与后套管的法兰固连；将滑轮钢丝绳装在滑轮上并固定在机床横梁的底部；至此完成了测量装置的安装； 步骤6，测量碳纤维预浸料层间滑移力；依次测量碳纤维预浸料在60°C~180°C的温度范围内的滑移力；首次测量温度为60°C，每次以10°C的温差升温，直至测量温度达到.180 0C ； 测量时，首先通过烘箱对碳纤维预浸料加热至60°C并保温；启动电子万能试验机使机床横梁移动，带动连接在机床横梁上的滑轮钢丝绳移动，从而带动包覆有碳纤维预浸料的垫板滑移，使包覆在垫板上的碳纤维预浸料与固定在基座上的碳纤维预浸料之间产生相对运动；通过电子万能试验机上的力传感器测量包覆在垫板上的碳纤维预浸料滑移中的滑移力；该机床横 梁的移动速度和移动距离均根据试验要求确定:机床横梁的移动速度为.10mm/min，移动距离为90mm ;当碳纤维预浸料滑移距离达到设定值后，机床横梁停止运动；测量温度为60°C时碳纤维预浸料层间滑移力结束； 机床横梁回位；从烘箱内取出碳纤维预浸料层间滑移力测量装置，并使包覆有碳纤维预浸料的垫板4回归原位；把碳纤维预浸料层间滑移力测量装置放回到烘箱内；通过烘箱对碳纤维预浸料加热至70°C并保温；当烘箱温度加热到70°C后，启动机床，重复温度为60°C时的测量过程，得到温度为70°C时碳纤维预浸料层间滑移力；以10°C的温度差逐次调节对碳纤维预浸料的加热温度，并重复所述测量过程，直至完成碳纤维预浸料在60°C~.180°C的温度范围内滑移力的测量；得到碳纤维预浸料在60°C~180°C的温度范围内的滑移力； 在测量中，通过计算机会自动绘制出滑移过程中力变化的曲线图。
【文档编号】G01N19/00GK103913413SQ201410146458
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】王永军, 杨凯, 孙宝龙, 元振毅, 杨选宏 申请人:西北工业大学