一种适用于纤维增强体及其预浸料测试剪切性能的夹具的制作方法

本发明属于材料性能测试领域，更具体地，涉及一种适用于纤维增强体及其预浸料测试剪切性能的夹具。

背景技术：

目前，编织纤维增强复合材料因其高比强度、高比刚度、强可设计性等优点已广泛应用于航空航天、国防、汽车和风电领域。对于编织纤维增强复合材料成形而言，无论是对于热固性树脂基复合材料树脂传递模塑成型(rtm)成形中纤维预制体的铺放过程，还是热塑性树脂基复合材料热压成型过程，编织纤维增强体及其预浸料剪切性能都是影响最终产品质量的重要成型因素之一，国内编织纤维复合材料研究人员通常使用偏轴拉伸实验或相框拉伸实验测试编织纤维增强体及其预浸料的剪切性能。

专利cn202693409u的实用新型专利报道了一种用于测试编织物材料剪切性能的测试夹具，通过该夹具可以对编织物进行相框拉伸实验，但该夹具结构过于简单，在装样时不能控制纤维轴向受拉力载荷，难以保证实验结果精确可靠；除此之外，编织纤维增强体及其预浸料在剪切变形过程中具有大变形、拉伸-剪切耦合、温度相关等特点，现有测试装置难以全面测试材料的这些性质，在该研究领域目前也没有统一标准的测试方法。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于纤维增强体及其预浸料测试剪切性能的夹具，通过对关键组件主体框架、夹持单元和拉力加载单元的结构设计与位置的布局，其目的在于使得待夹持对象被夹持，同时保持经纱方向和纬纱方向保持垂直，同时通过拉力加载单元实时对待夹持对象施加经、纬纱方向的拉力，由此解决剪切试验中编织纤维增强体及其预浸料不易固定、沿经纬纱方向夹持和加载拉力的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于纤维增强体及其预浸料测试剪切性能的夹具，其特征在于，所述夹具包括主体框架、夹持单元、拉力加载单元和传感器，其中：

所述主体框架包括相互连接形成方形的四根连杆，相互连接的连杆通过绕连接点旋转，实现主体框架形状的转换，进而实现对待测试对象的剪切变形；该主体框架的一对对角上设置有连接件，用于与外界测试机连接，另外一对对角上设置有呈l型的限位杆，用于限制所述主体框架的形状，使得相邻的所述连杆之间呈直角；

所述夹持单元包括前夹持部分和后夹持部分，所述前夹持部分设置在每个所述连杆的外侧且平行于所述连杆，包括前后两块夹板，待夹持对象设置在两块所述夹板之间实现预夹紧，同时保证待夹持对象的经纱方向和纬纱方向分别与相邻的所述连杆平行，所述后夹持部分设置在所述连杆上，所述拉力加载单元加载力后，该后夹持部分进一步夹紧和固定待夹持对象，防止其加载力后位置移动；

所述拉力加载单元设置在每根所述连杆的外侧，与所述前夹持部分连接，用于沿待夹持对象的经纱方向和纬纱方向分别施加拉力；所述相连的连杆上设置有传感器，分别用于检测所述拉力加载单元加载拉力的大小。

进一步优选地，所述拉力加载单元包括基座，导柱和螺杆，所述基座与所述前夹持部分的后夹板连接，该基座与所述连杆之间设置有导柱和螺杆，所述导柱用于限制所述基座沿垂直与所示连杆的方向上下运动，所述螺杆上设置有螺母，通过调节该螺母的位置使得所述基座上下移动，从而带动所述前夹紧部分上下移动，从而对待夹持对象施加拉力。

进一步优选地，所述待夹持对象为编织纤维增强体或编织纤维增强热塑性树脂预浸料，其中，所述编织纤维增强体包括不同编织方式的碳纤维编织布、玻璃纤维编织布、芳纶纤维编织布、混编编织布。编织纤维增强热塑性树脂预浸料的热塑性树脂包括聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚乙烯、聚氯乙烯。

进一步优选地，所述前后夹板分别上设置有凹槽和与该凹槽配合的凸起，通过该凹槽和凸起的配合，实现待夹持对象的夹紧。

进一步优选地，所述凹槽中和所述后夹持部分中均设置有橡胶垫，用于增大摩擦，保持夹持效果。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述所述的夹具的夹持方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将所述连接件与用于测试剪切性能的拉伸试验机连接，调整所述限位杆，使得所述主体框架呈正方形；

(b)将待夹持对象放置在所述前后夹板之间，使得待夹持对象预夹紧；

(c)所述拉力加载单元对待夹持对象施加拉力，所述传感器检测施加的拉力，调整所述拉加载单元直至其施加的拉力满足预设要求；

(d)所述后夹持部分固定所述待夹持对象。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的夹具适用于测量编织纤维增强体及其预浸料剪切性能，其优点在于结构稳定、动作灵活可靠、测量过程式样不打滑、可测试大角度剪切变形；

2、本发明提供的测试方法可以针对编织纤维增强体及其预浸料在不同环境温度、不同剪切速率、不同纤维束轴向拉力载荷等实验条件下的剪切性能进行测量。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的夹具的立体结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的夹具的背面结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的夹具的主体框架结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的夹持单元的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-主体框架2-螺母3-传感器4-夹持单元5-限位杆6-待夹持对象7-前夹持部分8-后夹持部分9-螺栓10-连杆11-连接件12-销轴13-销钉14-基座15-后夹板16-前夹板17-橡胶垫18-导柱

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的夹具的立体结构示意图；，如图1所示，一种适用于纤维增强体及其预浸料测试剪切性能的夹具，包括主体框架1、两套纤维束轴向拉力加载单元2、两个拉压传感器3，四个夹持单元4、两个l型限位杆5。

图3是按照本发明的优选实施例所构建的夹具的主体框架结构示意图，如图3所示，主体框架1包括4根连杆10，2个c型连接件11。主体框架上设有销钉13与夹持单元连接，且主体框架连杆之间及连杆与c型连接件通过销轴12活动连接,连杆通过绕销轴旋转实现剪切变形，在本实例中，主体框架通过销轴连接，可自由转动。但是，需要说明的是，本发明并不限定各部件的具体连接方式，现有技术中任何能够实现框架式结构自由转动的连接方式均应落在本发明的保护范围内，以上采用销轴连接只是一个实施例，并非用于限定本发明。

图2是按照本发明的优选实施例所构建的夹具的背面结构示意图，如图2所示，夹持单元4包括前夹持部分7、后夹持部分8及螺栓螺钉9等紧固装置。图4是按照本发明的优选实施例所构建的夹持单元的结构示意图，如图4所示，后夹持部8通过紧固装置与主体框架连杆10连接，后夹持部上8设有凹槽，主体框架连杆10对应位置上设有相适配的凸起，且在凹槽和凸起之间设有橡胶垫17，用以增大摩擦力，保证夹持效果；前夹持部分包括可移动基座14、下夹持板15、上夹持板16，可移动基座通过导柱18与主体框架连杆10相连接，上夹持板15与下夹持板16通过销钉与可移动基座相连接，上夹持部16上设有凹槽，下夹持部15对应位置上设有相匹配的凸起，且在凹槽和凸起之间设有橡胶垫17，用以增大摩擦力，保证夹持效果。

如图1所示，拉压传感器3设置夹持单元和主体框架连杆10之间，拉力加载单元2与主体框架连杆10连接。拉力加载单元包括基座，导柱和螺杆，基座与前夹持部分的后夹板连接，该基座与连杆之间设置有导柱和螺杆，导柱18用于限制所述基座沿垂直与所示连杆的方向上下运动，螺杆上设置有螺母，通过调节该螺母的位置使得所述基座上下移动，从而带动所述前夹紧部分上下移动，从而对待夹持对象施加拉力，通过调节螺母调节前夹持部分的位置，配合对应的拉压传感器，对式样经纬纱线方向施加指定的拉力载荷。

进一步的，c型连接件与相邻连杆相互连接，两个c型连接件设置在主体框架对称的两个对角线顶点处。在试验过程中，且该c型连接件与万能拉伸试验机夹头相连接，主体框架因此呈45°倾斜放置的菱形形状。

进一步的，在试验过程中，前夹持部对待夹持对象进行初始固定，将式样经纬纤维束所受拉力载荷调节至指定大小后，通过后夹持部将式样固定在指定位置。

进一步的，l形限位杆固定在主体框架相邻的两根连杆上；在装夹式样时，通过l形限位杆限制主体框架位置，使相邻连杆相互呈90°。

本发明所述测试方法适用的待夹持对象为编织纤维增强体或编织纤维增强热塑性树脂预浸料。编织纤维增强体包括但不限于不同规格，不同编织方式的碳纤维编织布、玻璃纤维编织布、芳纶纤维编织布、混编编织布。热塑性树脂预浸料中的热塑性树脂包括但不限于聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚乙烯、聚氯乙烯。

下面将进一步说明上述夹具进行剪切试验时的夹持方法，具体步骤如下：

步骤1：将待测试的纤维增强体或其预浸料裁剪至指定形状。

步骤2：将主体框架安装在拉伸试验机上，将拉压传感器安装在主体框架上并通电。

步骤3：调整拉伸试验机夹头行程并配合l型限位杆使得主体框架保持正方形形状，即主体框架相邻连杆相互呈90°。通过四个夹持单元的前夹持部分别固定测试样品的四边并检查式样是否打滑。

步骤4：调节拉力加载装置并观察拉压传感器示数，使其达到实验设计要求。轴向拉伸载荷调整完毕后，通过四个夹持单元的后夹持部分别固定x形测试样品。

步骤5：若测试式样在室温环境下剪切性能，则设置拉伸试验机拉伸速率，开始试验并记录数据；式样达到指定变形后，试验结束。若测试试样在在高温环境下的剪切性能，卸下拉压传感器后，将主体框架置入实验设计的高温环境中，开始试验并记录数据，式样达到指定变形后，试验结束。

重复步骤3至步骤5，获得式样在不同经纬纱线拉力载荷、不同剪切速率、不同环境温度下剪切性能的数据。

下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。

实施例1：

步骤1：制备测试样品，将待测试的t300平纹编织碳纤维布裁剪至指定形状，长边为320mm，短边为100mm的十字状式样，纤维布经纬纱线方向与十字方向一致，

步骤2：将主体框架安装在拉伸试验机上并将拉压传感器3安装在主体框架上并通电。

步骤3：调整拉伸试验机夹头行程并配合l型限位杆使得初始相框保持正方形形状，即主体框架连杆相互呈90°。将十字状式样边缘置于后夹持部橡胶垫17之间，锁紧后夹持部8上的螺栓，使得上夹持板16、下夹持板15夹紧式样并固定在可移动基座14上。

步骤4：调节拉力加载装置2上的螺栓螺母，夹持单元4位置并观察传感器示数，使其达到实验设计要求；在本实施例中，施加在测试样品经纬纱线方向上的拉力载荷分别为0\10\20\30n。轴向拉伸载荷调整完备后，锁紧前夹持部分7上的螺栓，使的前夹持部分、主体框架连杆锁紧式样。

步骤5：设置拉伸试验机参数，卸下l形限位杆，开始测量并记录数据。在本实施例中，拉伸试验机拉伸速率分别为5\10\15\20mm/s，拉伸试验机夹头行程为60mm。

重复步骤3至步骤5，对式样在不同经纬纱线拉力载荷、不同拉伸速率的剪切性能进行测试。

实施例2：

步骤1：制备测试样品，将待测试的碳纤维增强聚醚醚酮预浸料裁剪至指定形状，长边为320mm，短边为100mm的十字状式样，纤维布经纬纱线方向与十字方向一致，其中碳纤维增强聚醚醚酮预浸料是通过静电粉末喷涂制备的预浸料，增强体优选为t300平纹编织碳纤维布，基体优选为上海威格斯公司的vicote702聚醚醚酮精细粉末，并混合2-3％体积分数的ptfe粉末。

步骤2：将主体框架安装在拉伸试验机上，将拉压传感器3安装在主体框架上并通电。

步骤3：调整拉伸试验机夹头行程并配合l型限位杆使得主体框架保持正方形形状，即主体框架连杆相互呈90°。将十字状式样边缘置于后夹持部分橡胶垫17之间，锁紧后夹持部分8上的螺栓，使得上夹持板16、下夹持板15夹紧式样并固定在可移动基座14上。

步骤4：调节纤维束轴向拉力加载装置2上的螺栓螺母，夹持单元4位置并观察传感器示数，使其达到实验设计要求；在本实施例中，施加在测试样品经纬纱线方向上的拉力载荷分别为0\10\20\30n。轴向拉伸载荷调整完备后，锁紧前夹持部分7上的螺栓，使的前夹持部分、主体框架连杆锁紧式样。

步骤5：设置加热炉温度设置，当加热炉温度达到设定温度并保温10min中后，卸下主体框架的l型限位杆与拉压传感器3，将加热炉推动至拉伸试验机工作平台并关闭炉门。设置拉伸试验机参数，式样保温5min后开始测量并记录数据。在本实施例中，加热炉温度设置分别为300\330\360\390℃，拉伸试验机拉伸速率分别为5\10\15\20mm/s，拉伸试验机夹头行程为60mm。

重复步骤3至步骤5，对式样在不同经纬纱线拉力载荷、不同拉伸速率、不同环境温度的剪切性能进行测试。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。