一种碳纤维集束制样装置的制作方法

实用新型涉及一种制样装置，具体涉及一种碳纤维集束制样装置。

背景技术：

碳纤维被誉为当今工业界综合性能最好的材料之一。它是一种化学组成中含碳元素质量分数在90％以上的新型碳材料。碳纤维及其改性复合材料已经广泛应用于航天航空、机械制造、纺织、化工、土木以及医疗卫生等许多领域，不论碳纤维本身还是其复合材料实际应用价值巨大。

热导率是评价碳纤维热学特性的重要物性参数之一，准确测量得到碳纤维的轴向热导率对于开发、制备和评估不同热学特性的碳纤维及其复合材料具有重要的指导意义。

材料的导热性能测试方法很多，大体可分为稳态法与瞬态法两大类。其中稳态法根据fourier方程直接测量导热系数，但温度范围与导热系数范围较窄，主要适用于在中等温度下测量中低导热系数材料。瞬态法则应用范围较为宽广，尤其适合于高导热系数材料以及高温下的测试，其中发展最快、最具代表性、得到国际热物理学界普遍承认的方法是闪光法(flashmethod)，亦称为激光法或激光闪射法。

传统的碳纤维轴向导热性测量方法主要包括直流通电法、t形法、3ω法等电学方法。然而单根碳纤维径向尺寸过小(通常只有几微米)，且各项异性，直接准确测量单根碳纤维热导率有一定的难度。何凤梅等采用激光闪射法获得碳纤维热扩散率及导热系数，证实了激光闪射法测量碳纤维热扩散率的可行性。

现行的国家标准gb/t22588—2008《闪光法测量热扩散系数或导热系数》等同采用astme1461—2001《standardtestmethodforthermaldiffusivitybytheflashmethod》。该测试方法适用于对基本上完全致密，均匀和各向同性的固体材料进行的测量，所述材料对所施加的能量脉冲是不透明的。然而，在某些情况中，用于多孔疏松试样时，也产生可接受的结果。所以，对于径向尺寸微小、各项异性的碳纤维，需要通过严格和适当的实验设计，适应与这些严格准则的某些偏差来进行碳纤维的轴向导热测试。

astme1461—2013《standardtestmethodforthermaldiffusivitybytheflashmethod》要求测试试样通常为一个圆形的薄片，其前表面面积小于能量束的面积。通常情况下，测试试样的直径为10至12.5毫米(特殊情况下，直径小至6毫米，直径大至30毫米已有成功使用的报告)。最佳厚度取决于估计的热扩散率的大小，并且应该选择使得达到最大温度一半的时间在10至1000ms范围内。在更高的温度下需要更薄的试样以最小化热损失校正；然而，试样通常应该足够厚以代表测试材料。通常，厚度在1至6毫米范围内。

因此，采用激光闪射法测试碳纤维轴向导热性能(热扩散率和导热系数)时，必须使碳纤维沿径向集束(多根轴向平行的碳纤维排列成圆柱状)，然后沿轴向截取一定长度制备成一个圆形的薄片试样，试样及其制备是应用闪光法测量热扩散系数的关键环节。

目前，碳纤维集束制样主要以手工制样为主，也就是两人配合利用胶带将碳纤维缠绕成圆柱状，然后用刀具截取其中一段，用砂纸将两个端面磨平制成圆形的薄片，手工制样后的碳纤维束内部平顺性不足，有起毛、打捻的情况，试样紧实度随手劲变化而变化，无一定规律，影响测试结果的准确性。也有一些使用圆柱形夹持器进行碳纤维集束制样的文献和报道，但是也存在很大问题，要么碳纤维束难以穿入圆柱形夹持器内，要么制成的试样在外形尺寸精度上难以达到gb/t22588—2008和astme1461—2013所要求的标准，内部平顺性不足，而且不能够精准的确定碳纤维的填充率。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供一种碳纤维集束制样装置，采用该装置制备碳纤维集束试样能够极大的减小试样的制样环节对实验结果的干扰，保证实验环节的准确性和可重复性、便于后期对实验数据及实验结果的分析。

所述的碳纤维集束制样装置包括：预压拉直组件、约束环组件和切边组件；

所述预压拉直组件用于压紧并拉直形成碳纤维集束的碳纤维，以获得圆柱形的碳纤维集束；

所述约束环组件包括：上约束环和下约束环；所述上约束环和下约束环为两个卡扣形式的半圆环，其对接后形成一个整圆作为约束环，圆柱形的碳纤维集束约束在约束环内；

所述切边组件包括用于夹持约束有碳纤维集束的约束环的夹持装置和用于对夹持后的碳纤维集束进行切边处理以获得碳纤维集束试样的刀具。

进一步的，所述预压拉直组件包括：第一支架、第二支架、两个t型压块、导轨、定位螺母、套筒及联接紧固件；

所述第一支架和第二支架上均加工有贯穿其前后端面的u型槽，当第一支架和第二支架对接时，两个u型槽同轴相对；在所述第一支架和第二支架底部u型槽的左右两端分别加工有用于安装导轨的通孔，所述导轨穿过第一支架和第二支架底部的通孔后，将第一支架和第二支架串接在一起；所述导轨的一端通过联接紧固件固定所述第一支架上，另一端穿过所述第二支架后，在其伸出端上依次连接套筒和定位螺母；

所述t型压块竖直部分的底部加工有半圆形凹槽，两个所述t型压块的竖直部分分别插入第一支架和第二支架上的u型槽内，t型压块竖直部分底部的半圆形凹槽与u型槽底部的半圆形内凹面对接，形成用于放置碳纤维集束的圆孔；两个所述t型压块分别通过联接紧固件和与之对应的支架固接。

进一步的，所述切边组件中的夹持装置包括：手柄、支架管和压环；所述手柄为中空管结构，一端内圆周面加工有内螺纹；所述支架管一端具有与手柄内螺纹相配合的外螺纹，通过螺纹联接使手柄和支架管同轴连接；另一端为半圆形结构；所述压环为与支架管端部的半圆形结构半径一致的半圆形结构；所述支架管端部的半圆形结构和所述压环对接并固定后形成管状结构以夹持约束有碳纤维集束的约束环；所述支架管内部设置有用于对碳纤维集束进行轴向限位的轴肩。

有益效果：

该制样装置规范碳纤维集束试样的制备过程，通过预压拉直组件能够使碳纤维集束状态的平顺性、准直性更加符合实验要求；通过约束环能够使碳纤维集束试样得到精确的体积密度和外形尺寸；通过碳纤维集束试样装置切边组件，可以避免试样表面(砂眼，划痕，条纹)的不均匀性，采用该制样装置能够极大的减小试样的制样环节对实验结果的干扰，保证实验环节的准确性和可重复性、便于后期对实验数据及实验结果的分析，有利于用闪光法测量碳纤维轴向热扩散系数的应用于推广。

附图说明

图1为碳纤维集束制样装置预压拉直组件的结构示意图；

图2为碳纤维集束制样装置预压拉直组件的左视图；

图3为图2的a-a剖视图；

图4为图2的b-b剖视图；

图5为图2的c-c剖视图；

图6为图2的d-d剖视图；

图7为图3中i处的局部放大图；

图8为上约束环结构示意图；

图9为下约束环结构示意图；

图10为上约束环与下约束环工作位置示意图；

图11为上约束环定位部件示意图；

图12为下约束环定位部件示意图；

图13为切边组件中夹持装置的结构示意图；

图14为拉直碳纤维束试样原理图；

图15为装有上约束环的上约束换部件结构示意图；

图16为装有下约束环的下约束换部件结构示意图；

图17为碳纤维集束制样装置工作原理示意图。

其中：1-六角头螺栓；2-t型压块；3-第一支架；4-螺钉a；5-定位螺母；6-导轨；7-下约束环托架；8-定位片a；9-螺钉b；10-定位片b；11-上约束环托架；12-定位片c；13-定位片d；14-第二支架；15-上约束环；16-下约束环；17-套筒；18-手柄；19-支架管；20-压环；21-螺钉c、22-碳纤维集束

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

本实施例提供一种碳纤维集束制样装置，用于制备碳纤维集束试样，用该装置制备的碳纤维集束试样能够用闪光法测量碳纤维的轴向热扩散系数。

该碳纤维集束制样装置包括预压拉直组件、约束环组件和切边组件。

如图1至图6所示，预压拉直组件包括：第一支架3、第二支架14、两个t型压块2、导轨6、定位螺母5、套筒17及联接紧固件；其中联接紧固件包括六角头螺栓1和螺钉a4。

其连接关系为：第一支架3和第二支架14上均加工有贯穿其前后端面的u型槽，当第一支架3和第二支架14平行对接时，两个u型槽位置相对。令第一支架3的前端面与第二支架14的后端面对接，为实现两个u型槽的精准对接，在第一支架3的前端面上u型槽的左右两端分别加工有沿其高度方向的条形凸台，第二支架14的后端面上u型槽的左右两端分别加工有与条形凸台配合的条形凹槽；且在第一支架3和第二支架14底部u型槽的左右两端分别加工有用于安装导轨6的通孔，导轨6穿过第一支架3和第二支架14底部的通孔，将第一支架3和第二支架14连接在一起，导轨6的后端通过螺钉a4固定第一支架3上，前端穿过第二支架14后，在其伸出端上依次连接套筒17和定位螺母5，由此保证第一支架3上的条形凸台与第二支架14的条形凹槽紧密结合，实现第一支架3上的u型槽与第二支架14上的u型槽各平面与曲面沿导轨轴向方向完全共面。

t型压块2竖直部分的底部加工有半圆形凹槽，使其底面为内凹的半圆形弧形，t型压块2竖直部分宽度略小于u型槽的宽度，两个t型压块2的竖直部分分别插入第一支架3和第二支架14上的u型槽内，t型压块2竖直部分底部的半圆形凹槽与u型槽底部的半圆形内凹面对接，形成用于放置碳纤维集束的圆槽。t型压块2通过其水平部分两端的六角头螺栓1与对应的支架固接，通过t型压块2实现对u型槽内碳纤维集束的预压。

约束环组件包括：约束环、上约束环定位部件和下约束环定位部件。如图8-图10所示，约束环由两个卡扣形式的半圆环对接后形成，两个半圆环分别为上约束环15和下约束16，上约束环15和下约束16对接后形成一个整圆，上约束环15和下约束16在对接处采用卡扣形式连接，使其沿径向方向不能分离，碳纤维束约束在约束环内。

如图11所示，上约束环定位部件包括：上约束环托架11、定位片b10、定位片d13及联接紧固件，其中联接紧固件为螺钉b9。上约束环托架11一端为与上约束环15弧形一致的半圆形结构，上约束环15放置在半圆形结构圆弧面上，定位片b10和定位片d13分别通过螺钉b9安装在上约束环托架11半圆形结构的两侧端面上，将位于两者中间的上约束环15夹紧，实现对上约束环15的定位，由此通过定位片b10、定位片d13以及半圆形结构圆弧面限制上约束环15的轴向和径向位移，防止上约束环15转动以及从上约束环托架11上脱落。

下约束环定位部件的结构与上约束环定位部件的结构相同，如图12所示，具体包括：下约束环托架7、定位片a8、定位片c12和联接紧固件，其中联接紧固件为螺钉b9。下约束环托架7一端为与下约束16弧形一致的半圆形结构，下约束16放置在半圆形结构圆弧面上，定位片a8和定位片c12分别通过螺钉b9安装在下约束环托架7半圆形结构的两侧端面上，将位于两者中间的下约束环16夹紧，实现对下约束环16的定位，由此通过定位片a8、定位片c12以及半圆形结构圆弧面限制下约束环16的轴向和径向位移，防止下约束环16转动以及从下约束环托架7上脱落。

如图13所示，切边组件用于夹持约束有碳纤维集束的约束环的夹持装置和用于对夹持后的碳纤维集束进行切边处理以获得碳纤维集束试样的刀具。其中夹持装置包括：手柄18、支架管19、压环20和螺钉c21。其中手柄18为中空管结构，一端内圆周面加工有内螺纹；支架管19为中空阶梯孔结构，一端具有与手柄18内螺纹相配合的外螺纹，通过螺纹联接使手柄18和支架管19同轴连接；支架管19的另一端为半圆形结构，半圆形结构径向两端设置有凸台；压环20为与支架管19端部的半圆形结构半径一致的半圆形结构，且其径向两端也设置有凸台。其中支架管19端部半圆形结构的内径略小于或等于约束环的外径(使其与约束环配合的时候能够将约束环夹紧)，具有外螺纹部分的内孔半径小于带凸台部分的内孔半径，从而在支架管19内部形成轴肩。当将约束有碳纤维束的约束环放置在支架管19端部的半圆形结构内部后，将压环20与支架管19端部的半圆形结构对接，并通过轴肩上的螺钉c21紧固连接，使支架管19端部的半圆形结构和压环20配合所形成管状结构夹持已扣合的装有碳纤维束的约束环。

所制备的用于轴向导热性能测试的碳纤维集束试样包括约束环以及约束在约束环内部的碳纤维集束，碳纤维集束为多根轴向平行的待测碳纤维排列成的圆柱状。

采用该碳纤维制样装置制备碳纤维集束试样的过程为：

(1)计算所需碳纤维集束的质量m

碳纤维集束在约束环内时尽可能紧密，理论上可以达到最高为80％的体积填充率，50％～80％比较适宜，优选较高的体积填充率。

选取一束长度为l、质量为m的待测碳纤维，根据待测碳纤维的比重ρ，由式(1)计算单根待测碳纤维的横截面积sc：

由式(2)，根据约束环的内径d计算约束环内孔截面积sy：

设定体积填充率k，由式(3)得出体积填充率为k的碳纤维集束的横截面积s：

s＝ksy(3)

由式(4)，得出s和sc的比例系数：

则达到体积填充率k所需碳纤维的质量为：m＝φm。

(2)压紧碳纤维集束

称取质量为m的待测碳纤维，形成碳纤维集束，水平放置在第一支架3与第二支架14对接后的各共面形成的u型槽内，将两个t型压块2上的半圆凹槽向下分别插入第一支架3和第二支架14的u型槽内，并旋入六角头螺栓，通过t型压块2实现对碳纤维集束的预压。

(3)拉直碳纤维集束

从导轨6上依次取下定位螺母5和套筒17，然后再在导轨6上旋入定位螺母5。如图14所示，旋松第二支架14上的六角头螺栓1直到第二支架14与t型压块2能够沿导轨6向前移动，移动到与定位螺母5贴紧时停止，完成对碳纤维集束的拉直，旋紧第二支架14上的六角头螺栓1压紧碳纤维集束。

(4)组装约束环部件

如图15所示，把上约束环15放在上约束环托架11的半圆形凹槽内，由于上约束环托架11半圆形凹槽的厚度略小于上约束环15的厚度，所以通过螺钉b9将定位片b10、定位片d13分别安装在上约束环托架11的两侧可以实现对上约束环15的夹紧与定位，上约束环15和上约束环定位部件组装后形成上约束环部件。

如图16所示，把下约束环16放在下约束环托架7的半圆形凹槽内，由于下约束环托架7半圆形凹槽部分的厚度(与上约束环15半圆形凹槽部分的厚度相同)略小于下约束环16的厚度，所以通过螺钉b9将定位片a8、定位片c12分别安装在下约束环托架7的两侧可以实现对下约束环16的夹紧与定位。下约束环16和下约束环定位部件组装后形成下约束环部件。

(5)对碳纤维集束的约束

如图17所示，将上约束环部件从上往下，下约束环部件从下往上装入第一支架3和第二支架14之间的空间中，其中上约束环托架11和下约束环托架7的半圆形凹槽相对；为实现对上约束环部件和下约束环部件的导向，设计上约束环托架11和下约束环托架7的宽度与第一支架3上两个条形凸起之间的距离尺寸一致，由此通过第一支架3上的两个条形凸起对上约束环部件和下约束环部件进行导向，使上约束环部件和下约束环部件能够竖直对接。实际操作时，把下约束环部件、第一支架3和第二支架14的底面放在操作平台上，从上方给上约束环部件施加一定的压力使上约束环部件的顶部与t型压块2的顶面在同一水平面为止，此时上约束环15和下约束环16扣接在一起形成约束环，由此实现约束环对碳纤维集束的约束。

(6)取出用约束环约束的碳纤维集束

松开六角头螺栓1，移除t型压块2；松开定位螺母5，从导轨6上移除第二支架14。依次松开上约束环部件和下约束环部件上在同一侧的定位片上的紧固螺钉，以便取出用约束环约束的碳纤维集束。

(7)完成碳纤维集束试样的制备

将取出的用约束环约束的碳纤维集束伸出于约束环两端较长的碳纤维集束适当剪短，以便后续切边。如图13所示，将待切边的碳纤维集束放在切边工具支架管19端部的半圆形结构内，碳纤维集束轴线方向由支架管19内部的阶梯孔轴肩定位，通过螺钉21将压环20与支架管19端部的半圆形结构对接固定，配合所形成的管状结构夹持已扣合的装有碳纤维集束的约束环，用刀具贴着约束环端部边缘切掉多余的碳纤维。完成后以此方法完成对约束环另一端碳纤维集束的切边，由此形式与约束环厚度一致的碳纤维集束试样。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。