碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件拉伸性能测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及碳纤维增强树脂基复合材料管件拉伸性能测试方法，适用于测定壁厚 小于1. 5mm(公称直径小于50mm)和直径与壁厚之比大于50(公称直径为50mm-100mm)的 碳纤维增强复树脂基合材料薄壁管件的机械性能，属于碳纤维增强树脂基复合材料结构性 能测试领域。
【背景技术】
[0002] 碳纤维增强树脂基复合材料杆、管结构是组成复合材料构件的一种典型单元，是 航空、航天器结构中常用的结构组件，大型卫星天线支架等大多采用碳纤维增强树脂基复 合材料管件。
[0003] 碳纤维增强树脂基复合材料管件成型一般采用纤维缠绕、预浸料铺层、拉挤成型、 热缩成型等工艺，不同的工艺方法和铺层设计在力学性能上具有较大的差别。
[0004] 在工程实践中，碳纤维增强树脂基复合材料管件力学性能测试结果不但可W对产 品设计构型和铺层进行优化，而且可用于对产品成型质量的检测。在测试过程中，碳纤维增 强树脂基复合材料管件的壁厚、纤维类型W及试验件的尺寸精度对测试结果均有影响。目 前常用的碳纤维增强树脂基复合材料管件的力学拉伸性能测试方法为GB/T5349-2005《纤 维增强热固性塑料管轴向拉伸性能试验方法》。该方法不适于碳纤维增强树脂基薄壁复合 材料管材的拉伸性能测试，该方法规定了制备试验件的方式，即将待测管件两端加装了金 属接头，金属接头靠摩擦力夹紧待测管件，在测试过程中，金属接头容易对管件造成损伤， 尤其对于高模量碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管材，导致力学测试结果离散度较大，无 法真实反映产品的实际性能。
【发明内容】
阳0化]本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供碳纤维增强树脂基薄壁复 合材料管件拉伸性能测试方法，避免了金属接头对待测试管件的损伤，减小了力学测试结 果的离散度，从而得到测量产品实际的拉伸性能。
[0006] 本发明的技术解决方案是：碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件拉伸性能测试方 法，步骤如下：
[0007] (1)利用机械设备从待测试碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件上截取一段作为 测试用，截取时将管件内腔使用玻璃钢棒垫实，并对截取后得到的测试用管件两个端面锐 加工，保证两个端面平行度0. 05mm;
[0008] (2)为步骤（1)得到的测试用管件的一端加工金属接头，所述金属接头包括内套 筒和外套筒，外套筒上设计有装卡台阶，内套筒外径和测试用管件之间、测试用管件和外套 筒内径之间的配合间隙为单边0. 1~0. 2mm;
[0009] (3)测量并计算测试用管件内径和外径平均尺寸、实际制备的内套筒外径平均尺 寸W及外套筒内径平均尺寸，计算内套筒和测试用管件之间W及测试用管件和外套筒之间 相互配合的间隙值；
[0010] (4)根据步骤（3)计算得到的间隙值，选择与待测试碳纤维增强树脂基薄壁复合 材料管件相同牌号和规格的碳纤维丝束，使用胶黏剂浸溃碳纤维丝束，然后将浸溃的碳纤 维丝束缠绕胶接在内套筒外径和测试用管件与外套筒胶接区域的外径上，常溫固化24小 时后使用800目水砂纸对碳纤维丝束进行打磨，保证内套筒和测试用管件之间W及测试用 管件和外套筒之间的配合间隙值为单边0.lmm-0. 2mm;
[0011] (5)将胶黏剂均匀涂刷在测试用管件、内套筒、外套筒之间的胶接表面，然后将内 套筒和外套筒胶接在测试用管件一端，常溫固化7天；
[0012] (6)重复步骤（2)-巧），为测试用管件的另一端加工并胶接金属接头，得到拉伸 试验件；
[0013] (7)为拉伸试验件加工转接夹具，所述转接夹具一端与装卡台阶相匹配，另一端与 力学试验机上的卡头匹配；
[0014] (8)在拉伸试验件中部径向对称各贴一处应变片，然后将拉伸试验件通过转接夹 具装卡在力学试验机上；
[001引 （9)运行力学试验机，测定拉伸模量时，对拉伸试验件进行均匀连续加载，加载速 度为Imm/min~2mm/min，记录载荷值及相应的变形值，并根据载荷值及相应的变形值计算 待测试管件的拉伸模量，其中施加的最大载荷不超过材料的弹性变形范围；
[0016] (10)测定拉伸强度时，对拉伸试验件进行均匀连续加载，加载速度为5mm/min~ 6mm/min，直至试样破坏，记录破坏载荷和位移，并根据破坏载荷计算拉伸强度。
[0017] 所述步骤（2)中内套筒为空屯、圆柱体，其一端带有台阶，用于卡在测试用管件的 端口处，外套筒包括一体成型的两个直径不同的空屯、圆柱体，且直径大的空屯、圆柱体一端 与内套筒的台阶相匹配，直径大的空屯、圆柱体另一端相对于直径小的空屯、圆柱体突出的部 分作为装卡台阶。
[0018] 所述步骤（4)中将浸溃的碳纤维丝束胶接在内套筒外径和测试用管件外径上的 方式为：浸溃的碳纤维丝束沿圆周方向均布，数量为3~8束。
[0019] 所述步骤（8)中将拉伸试验件装卡在力学试验机上时，应使拉伸试验件轴线与试 验机上、下夹头的中屯、线对准。
[0020] 所述步骤巧）中对拉伸试验件进行加载时，如果有载荷和变形值的自动记录装置 则均匀连续加载，如果没有，则应分级加载，加载级数不少于五级，相邻两级之间的载荷增 量相同。
[0021] 本发明相比现有技术具有如下优点：
[0022] (1)本发明在待测试管件两端胶接了金属接头，增大了待测试管件整体结构的稳 定性，解决了GB/T5349-2005规定的试验件形式在用于薄壁复合材料管件时机械连接的 金属接头对管件造成损伤的问题，从而真实反映薄壁管件的拉伸性能。
[0023] (2)本发明金属内、外套筒设置有限位台阶，可W有效保证内、外套筒与管件试验 件的胶接尺寸，从而保证管件试验件有效测试段尺寸30mm，既满足GB/T5349-2005的规 定，又有效降低了测试结果的离散度。
[0024] (3)本发明将碳纤维丝束胶接在内套筒外径和测试用管件与外套筒胶接区域的外 径，大于8束，碳纤维丝束太厚，不利于胶接，小于3束，胶接强度变弱。选择3-8束碳纤维 丝束，一方面能够有效保证内套筒和测试用管件之间w及测试用管件和外套筒之间的配合 间隙值为单边0.lmm-0. 2mm，另一方面形成类似于螺纹的连接关系，增强了金属接头和测试 用管件的胶接强度，防止测试过程中胶接区域发生破坏而导致试验结果不准确，从而确保 试验结果真实反映产品性能。
[00巧](4)本发明针对现有标准GB/T5349-2005《纤维增强热固性塑料管轴向拉伸性能 试验方法》规定的试验件形式不适用于薄壁结构复合材料管件的问题，为薄壁测试用管件 设计了胶接金属接头，扩展了复合材料管件拉伸性能测试的测试范围，有助于复合材料结 构产品的轻量化发展。
【附图说明】 阳0%] 图1为本发明方法流程图；
[0027]图2为内套筒剖视图；
[00巧]图3为外套筒不意图；
[0029] 图4为拉伸试验件套装转接夹具的示意图。
【具体实施方式】
[0030] 碳纤维增强树脂基复合材料管件尤其是薄壁管件是航空、航天器结构中常用的结 构组件，大型卫星天线支架等大多采用碳纤维增强树脂基复合材料管件，因此对其结构性 能进行测试非常重要。但是目前常用的测试方法GB/T5349-2005《纤维增强热固性塑料管轴 向拉伸性能试验方法》将待测管件两端加装了金属接头，测试过程中，靠摩擦力夹紧管件的 金属接头容易对管件造成损伤，无法真实测量产品的实际拉伸性能。因此，本发明提出了一 种薄壁管件的拉伸性能测试方法，该方法首先为待测试管件两端加工并胶接内外套筒（金 属接头），形成拉伸试验件，由于金属接头与待测试管件之间通过胶接连接，因此该试验件 能够有效避免在拉伸施加载荷进行测试时金属接头（胶接的内外套筒）对待测试管件的损 伤，从而得到待测试管件的实际拉伸性能。
[0031] 如图1所示，本发明的碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件拉伸性能测试方法， 步骤如下：
[0032] (1)利用机械设备从待测试碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件上截取一段作为 测试用，截取时将管件内腔使用玻璃钢棒垫实，并对截取后得到的测试用管件两个端面锐 加工，保证两个端面平行度0. 05mm;
[003引 似为步骤（1)得到的测试用管件的D1端（设测试用管件的两端分别为D1端和 D2端）加工金属接头，所述金属接头包括内套筒和外套筒，如图2所示，内套筒为空屯、圆柱 体，其一端带有台阶，用于卡在测试用管件的端口处，如图3中所示，外套筒包括一体成型 的两个直径不同的空屯、圆柱体，且直径大的空屯、圆柱体一端与内套筒的台阶相匹配，直径 大的空屯、圆柱体另一端相对于直径小的空屯、圆柱体突出的部分作为装卡台阶。内套筒外径 和测试用管件之间、测试用管件和外套筒内径之间的配合间隙为单边0. 1~0. 2mm。
[0034] (3)测量并计算测试用管件内径和外径平均尺寸、实际制备的内套筒外径平均尺 寸W及外套筒内径平均尺寸，计算内套筒和测试用管件之间W及测试用管件和外套筒之间 相互配合的间隙值。
[0035] (4)根据步骤（3)计算得到的间隙值，选择与待测试碳纤维增强树脂基薄壁复合 材料管件相同牌号和规格的碳纤维丝束，使用R邸UX420胶黏剂浸溃碳纤维丝束，然后将浸 溃的碳纤维丝束缠绕胶接在内套筒外径和测试用管件D1端与外套筒胶接区域的外径上， 浸溃的碳纤维丝束沿圆周方向均布，数量为3~8束。常溫固化24小时后使用800目水砂 纸对碳纤维丝束进行打磨，保证内套筒和测试用管件之间W及测试用管件和外套筒之间的 配合间隙值为单边0.lmm-0. 2mm。
[0036] 妨将R邸UX420胶黏剂均匀涂刷在测试用管件、内套筒、外套筒之间的胶接表面， 然后将内套筒和外套筒胶接在测试用管件D1端，常溫固化7天。
[0037] (6)重复步骤（2)-巧），为测试用管件的另一端（D2端）加工并胶接金属接头。
[0038] (7)为拉伸试验件加工转接夹具，用于在拉伸试验时夹住拉伸试验件，转接夹具一 端与装卡台阶相匹配，另一端与力学试验机上的卡头匹配，拉伸试验件套装转接夹具后如 图4所示。
[0039] (8)在拉伸试验件中部径向对称各贴一处应变片，然后将拉伸试验件装卡在力学 试验机上，应使拉伸试验件轴线与试验机上、下夹头的中屯、线对准。
[0040] (9)运行力学试验机，测定拉伸模量时，对拉伸试验件进行均匀连续加载（如果有 载荷和变形值的自动记录装置