高通量测试纤维与树脂微观界面性能热力耦合装置及方法与流程

本发明涉及先进高分子基复合材料技术测量领域，特别涉及一种在热力耦合作用条件下高通量测试纤维与树脂微观界面力学性能的装置及方法。

背景技术：

随着2011年美国材料基因组计划的提出与实施，结合了高通量材料试验和材料数据库的高通量材料集成设计方法，得到了科学界和工业界的高度重视。在先进高分子基复合材料的设计和研发上，利用实验及计算机模拟方法来研究材料的最佳组分、结构和性能的关系，结合云端数据库设计出符合特定要求的新型材料，并通过高通量实验筛选，从而极大地加快先进高分子基复合材料的创新、缩短研发的周期。通过已知的可靠实验数据，用理论模拟去尝试尽可能多的真实或未知材料，建立其组份，结构和各种物性的数据库，通过数据挖掘探寻材料组份，结构和性能之间的关系模式，用于指导先进高分子基复合材料设计。

对于先进高分子基复合材料性能最重要的表征就是界面力。界面力，也称为界面粘合强度，即纤维断裂处通过高分子基基体向纤维传递应力的能力，直接影响到复合材料的强度、韧性和破坏模式等微观、宏观力学行为。因此，如何表征纤维和高分子基体间的界面的微观性质，对预测材料宏观机械性能，设计、控制和优化纤维增强复合材料性能提供实验和理论基础。

目前世界测量先进高分子基复合材料界面力的主要方法是microbondtest即微键脱粘实验。但是现有的微键脱粘实验均是在常温下对试样进行界面力的测试。而在先进高分子基复合材料的应用领域中，复合材料的服役条件常常会处于高温条件下，那么在高于室温的温度条件下测量得到的界面力是否与常温相同，或者有何变化，这一研究对于先进高分基复合材料在航空航天领域的应用就具有很重要的意义，因此在高于常温的温度条件下对界面力进行测量就显得尤为重要。

因而开发出一种高通量测试纤维与树脂微观界面性能热力耦合装置及方法就显得尤为重要。

技术实现要素：

针对现有的测试微键脱粘实验的装置仅能测量常温下界面力的基础上，本发明增加加热装置，从而考虑了在热力耦合作用条件下测量界面力；此外利用本发明的装置的方法是对多组试样同时分别加热获得同一材料同一时间下，不同热力耦合作用下的界面强度，加快实验筛选的效率并且保证了准确性。

本发明是这样实现的：

一种高通量测试纤维与树脂微观界面性能热力耦合装置，其特征在于，所述的装置包括热电偶，所述的热电偶包括两个不同材质的热电极，所述的热电极通过焊接连接，构成闭合回路；所述的热电极外包覆有绝缘保护套，所述的热电偶端部设置有接线盒，所述的热电偶通过接线盒与信号放大器输入端连接，所述的信号放大器输出端与接线板连接；信号采集卡与信号放大器并不直接相连，而是通过接线板间接传递信号，信号放大器的正负极分别接于接线板的上下端，信号采集卡接于接线板的中部；所述的装置还包括继电器，所述的继电器的输入端通过接线板与信号输出卡间接相连，所述的继电器的输出端有两个分支端，其一端接于电源负极，另一端连接于镍铬合金加热器；所述的镍铬合金加热器一端与继电器相连，另一端接于电源正极；所述的信号采集卡和信号输出卡之间连接有温度集成控制器。

进一步，所述的信号放大器内含npn型硅三极管，通过导线与热电偶端部设置有接线盒相连接。

进一步，所述的温度集成控制器内含di智能工业调节器，微型计算机芯片，采用高通量并发计算系统，通过usb端接口与信号采集卡和信号输出卡相连。

进一步，所述的继电器内含电磁系统、延时机构和触点。

进一步，所述的热电偶与镍铬合金加热器位于微键脱粘实验装置的内部，通过耐高温玻璃与外界隔离开；所述的微键脱粘实验装置包括模具和模具固定装置。

进一步，所述的镍铬合金加热器底部和微键脱粘实验装置的内部安装有冷却系统，以保证实验条件与设备的安全。

进一步，所述的信号采集卡内含单端32路i/o板卡，ad芯片以及fifo。

本发明还公开了一种高通量测试纤维与树脂微观界面性能热力耦合装置的方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步，组装各部件：将热电偶安装于微键脱粘实验装置的内部，由热电偶端部的接线盒与信号放大器的输入端相连，信号放大器的输出端引出正负极连接于接线板的上下端，接线板的中部端口接有信号采集卡的输入端，信号采集卡的输出端通过usb接口与温度集成控制器相连，温度集成控制器的另一个usb接口接于信号输出卡的输入端；所述的信号输出卡输出端接于接线板的中部，接线板的上下端接于继电器的输入端，继电器的输出端一端接于镍铬合金加热器，一端接于电源负极，镍铬合金加热器另一端接于电源正极；

第二步，在微键脱粘实验装置中装入若干根滴附固化的环氧树脂液滴的单丝纤维，两端固定；

第三步，所述加热装置先分别对若干组实验环境进行加热，达到设定温度后通过微键脱粘实验装置施加载荷，刀具逐渐切割树脂，在力与热的共同作用下测量界面强度，最终得到热力耦合作用条件下界面力的大小。

进一步，所述的第二步中，装入40根滴附固化的环氧树脂液滴的单丝纤维，40根环氧树脂液滴分别分为8组装入微键脱粘实验装置中，环氧树脂液滴在80℃下固化，对5组实验环境进行加热；热力耦合作用下高通量制备树脂微滴的单丝纤维的长度一般为5-7mm。

进一步，所述的微键脱粘实验装置为微观纤维拉伸强度测试系统实验仪器，其装有1×250gf测力传感器及2×24-bitusb模拟数字转换器。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的装置既可以在常温下测量界面力，又可以在载荷与热的共同作用下测量界面力的大小，能够获悉恒定温度或者阶梯温度变化对界面力是否存在影响，并且更加符合先进高分子基复合材料在实际中的应用；

2、加热装置可以同时对微粘结装置中的多组试样(多达40组)进行加热，对比性强，筛选效率高，且确保实验数据的准确性；温度集成控制器采用高通量并发计算系统，高效，准确，充分体现了高通量的特性；

3、有助于丰富先进高分子复合材料的组分、结构和性能数据库，用于指导先进高分子基复合材料设计，通过高通量实验筛选加快先进高分子基复合材料的创新、缩短研发的周期。

附图说明

图1为本发明中测温装置热电偶的示意图；

图2为本发明中信号放大器的原理示意图；

图3为本发明中微键脱粘实验示意图；

图4为本发明中热力耦合装置示意图；

其中，1-接线盒，2-绝缘保护套，3-热电极，4-刀具，5-环氧树脂液滴，6-单丝纤维，7-微键脱粘实验装置，8-热电偶，9-信号放大器，10-接线板，11-信号采集卡，12-温度集成控制器，13-信号输出卡，14-继电器，15-镍铬合金加热器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1~4所示，本发明的装置包括热电偶8、信号放大器9、接线板10、信号采集卡11、温度集成控制器12、信号输出卡13、继电器14、镍铬合金加热器15和微键脱粘实验装置，所述热电偶8包括两个不同材质的热电极3、绝缘保护套2和接线盒1，两个热电极通过焊接连接起来，构成闭合回路，绝缘保护套分别套在两个热电极上，避免两个热电极3接触形成短路，接线盒1位于热电偶8的端部以与信号放大器9连接；所述信号放大器9内含npn型硅三极管，通过导线与热电偶8端部的接线盒1相连接；所述信号采集卡11内含单端32路i/o板卡，ad芯片以及fifo。信号采集卡12与信号放大器9并不直接相连，而是通过接线板10间接传递信号，信号放大器9的正负极分别接于接线板10的上下端，信号采集卡11接于接线板10的中部.

温度集成控制器12内含di智能工业调节器，微型计算机芯片，采用高通量并发计算系统，通过usb端接口与信号采集卡11和信号输出卡13相连；所述继电器14内含电磁系统、延时机构和触点，输入端通过接线板10与信号输出卡13间接相连，输出端一端接于电源负极，一端接于镍铬合金加热器15；所述镍铬合金加热器15一端与继电器14相连，一端接于电源正极；所述微键脱粘实验装置包括模具和模具固定装置。

利用本发明装置的方法如下具体实施例所示。

实施例1

研究表面上浆和不上浆的碳纤维与树脂之间在不同温度下的界面强度。

实验材料：水性上浆剂dgeba-mdi-tx-100表面改性的聚丙烯腈基t800单丝碳纤维，直径6um，长度6mm，密度1.78g/cm³，数量20根；未改性的同类单丝碳纤维，直径6um，长度6mm，密度1.78g/cm³，数量20根；e54双酚a型环氧树脂。具体实验步骤如下：

第一步：组装加热装置，参考图4，将使用上浆剂表面改性的单丝碳纤维20根分为4组装入微键脱粘装置中，两端固定；将表面未改性的单丝碳纤维20根分为4组装入微键脱粘装置中，两端固定。

第二步：对表面改性与未改性的8组单丝碳纤维进行编号，各组加热温度实施如下：表面改性的单丝碳纤维第一组处于室温的实验环境下；第二组处于50℃的实验环境下；第三组处于100℃的实验环境下；第四组处于150℃的实验环境下。未表面改性的单丝碳纤维的5-8组采用与表面改性的单丝碳纤维相同的实验环境。

第三步：加热装置同时对8组实验环境进行加热，达到设定温度后，通过微键脱粘实验装置施加载荷，刀具逐渐切割树脂，在力与热的共同作用下完成对界面力的测量。

实施例2

研究不同表面酸处理时间下的碳纤维与树脂之间在不同温度下的界面强度。

实验材料：硝酸表面处理的聚丙烯腈基t800单丝碳纤维，酸处理时间15min，直径6um，长度6mm，密度1.78g/cm3，数量20根；硝酸表面处理的聚丙烯腈基t800单丝碳纤维，酸处理时间30min，直径6um，长度6mm，密度1.78g/cm3，数量20根。e54双酚a型环氧树脂。

第一步：组装加热装置，参考图4，将酸处理时间为15min的单丝碳纤维20根分为4组装入微键脱粘装置中，两端固定；将酸处理时间为30min的单丝碳纤维20根分为4组装入微键脱粘装置中，两端固定。

第二步：对不同酸处理时间下的8组单丝碳纤维进行编号，各组加热温度实施如下：酸处理时间为15min的单丝碳纤维第一组处于室温的实验环境下；第二组处于50℃的实验环境下；第三组处于100℃的实验环境下；第四组处于150℃的实验环境下。其余5-8组采用与酸处理时间为15min的单丝碳纤维相同的实验环境。

第三步：加热装置同时对8组实验环境进行加热，达到设定温度后，通过微键脱粘实验装置施加载荷，刀具逐渐切割树脂，在力与热的共同作用下完成对界面力的测量。

实施例3

研究表面得到不同官能团的碳纤维与树脂之间在不同温度下的界面强度。

实验材料：阳极氧化处理后表面具有亲水性含氧官能团羟基oh的聚丙烯腈基t800碳纤维，直径6um，长度6mm，密度1.78g/cm3，数量20根；等离子体氧化处理后表面具有亲水性含氧官能团羧基的聚丙烯腈基t800碳纤维，直径6um，长度6mm，密度1.78g/cm3，数量20根。e54双酚a型环氧树脂。

第一步：组装加热装置，参考图4，将表面含有羟基oh的单丝碳纤维20根分为4组装入微键脱粘装置中，两端固定；将表面含有羧基cooh的单丝碳纤维20根分为4组装入微键脱粘装置中，两端固定。

第二步：对表面含有羟基oh和羧基cooh的8组单丝碳纤维进行编号，各组加热温度实施如下：表面含有羟基oh的单丝碳纤维第一组处于室温的实验环境下；第二组处于50℃的实验环境下；第三组处于100℃的实验环境下；第四组处于150℃的实验环境下。表面含有羧基cooh的单丝碳纤维的5-8组采用与表面含有羟基oh的单丝碳纤维相同的实验环境。

第三步：加热装置同时对8组实验环境进行加热，达到设定温度后，通过微键脱粘实验装置施加载荷，刀具逐渐切割树脂，在力与热的共同作用下完成对界面力的测量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。