一种碳纤维束氧化后质量损失率与应力应变实时测量系统及测量方法与流程

本发明涉及一种碳纤维束氧化后质量损失率与应力应变实时测量系统及测量方法，属于碳纤维束测量技术领域。

背景技术：

碳纤维因其强度高、密度低、热膨胀系数小等优点而被广泛用做各种先进复合材料中的增强相，目前，碳纤维增强复合材料在风力发电、航空航天、海洋船舶等方面的应用显示出其优越性。在碳纤维增强复合材料中，尤其是碳纤维增强陶瓷基复合材料中，碳纤维是主要的承力部分，其力学性能直接决定了复合材料的力学性能。由于碳纤维增强陶瓷基复合材料通常在高温环境下工作，碳纤维因而会发生氧化，致使材料力学性能下降，进而严重影响工程构件的使用寿命与安全，因此需对碳纤维氧化后的质量损失率与力学性能进行准确地测试。

然而，由于碳纤维微米级的直径，对于碳纤维单丝氧化后的拉伸应力应变曲线和质量损失率的测量面临很多困难。碳纤维单丝的直径一般在几微米到十几微米，其破坏拉力在0.1牛的量级，这样小的量级对拉力传感器和执行机构的控制都提出了更高的要求。而其质量都在微克级甚至更低，很难测出其氧化后质量变化，这样小的量级对质量传感器也提出了更高的要求。而在碳纤维增强复合材料中，碳纤维主要以纤维束的形式存在，因此需要对碳纤维束氧化后的质量损失率与力学性能进行测试。

目前，对于纤维束力学性能的研究虽然国家标准GB/T 3362-2005碳纤维复丝拉伸性能测试方法中给出了相应的试验方案，但该试验方案只能用于碳纤维束常温下的轴向拉伸试验，无法适用于高温氧化环境下碳纤维的轴向拉伸情况。目前，针对碳纤维束氧化后质量损失率与拉伸强度测试装置，孙志刚(孙志刚,王振剑,宋迎东.无应力氧化下C/SiC复合材料弹性性能模拟及验证[J].复合材料学报,2013,01:172-179.)将碳纤维增强陶瓷基复合材料放入高温环境箱，分别氧化2,4,6小时，然后将氧化后试件进行常温拉伸试验，获得氧化后的应力应变曲线。实验前后采用天平测量试件质量，并建立了材料质量损失率随氧化时间的变化关系。但该测试装置只能测量离散时间段的质量损失率与应力应变曲线，无法实时测量连续时间段内的质量损失率与应力应变，此外，由于在拉伸过程中材料基体会发生脱落，导致测量时质量损失偏大，测量精度较低。

当前，如何实时准确的测量碳纤维束的质量损失率与拉伸应力应变是本技术领域重要而难以解决的问题。因此，确有必要对现有技术进行改进已解决现有技术之不足。

技术实现要素：

本发明针对上述问题的不足，提出一种能够实时准确地测量该温度下该段时间内任意时刻碳纤维束的氧化失重率和应力应变的碳纤维束氧化后质量损失率与应力应变实时测量系统及测量方法。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：

一种碳纤维束氧化后质量损失率与应力应变实时测量系统，包括陶瓷加热管(1)、称重传感器(2)、电涡流位移传感器(3)、拉力传感器(4)、执行机构、操作台(6)、支架(7)、数据采集卡及控制系统，所述数据采集卡分别与陶瓷加热管(1)，称重传感器(2)、电涡流位移传感器(3)、拉力传感器(4)连接，而控制系统还与执行机构连接，其中；

所述执行机构包括电机(51)、滚珠丝杠(52)以及可调节高度平台(53)，所述支架(7)安装在操作台(6)上，而所述电机(51)、电涡流位移传感器(3)均通过支架(7)设置于操作台(6)上，所述滚珠丝杠(52)设置于电机(51)的驱动端头，所述滚珠丝杠(52)的一端与拉力传感器(4)连接，而所述滚珠丝杠(52)的另一端与电涡流位移传感器(3)相对设置；所述陶瓷加热管(1)通过可调节机构固定在支架(7)上；而所述可调节高度平台(53)设置于操作台(6)上，所述称重传感器(2)设置于可调节高度平台(53)上，且所述称重传感器(2)位于陶瓷加热管(1)的下方，所述称重传感器(2)上设置有销钉式榫头(8)。

优选的：所述陶瓷加热管(1)包括陶瓷管(11)、热阻丝(12)以及一个以上的电热耦合器(13)，所述电热阻丝(12)缠绕于陶瓷管(11)外表面，而所述电热耦合器(13)也设置于陶瓷管(11)的外表面，且所述电热耦合器(13)与电热阻丝(12)连接。

进一步地：还包括石棉层(14)，所述石棉层(14)设置于热阻丝(12)远离陶瓷管(11)的一侧。

优选的：所述电热耦合器(13)在陶瓷管(11)的外表面上均匀分布。

优选的：所述称重传感器(2)上设置有燕尾槽，所述销钉式榫头(8)通过燕尾槽滑动连接在称重传感器(2)上；所述燕尾槽上设置有定位器，所述销钉式榫头(8)通过定位器与燕尾槽相互固定。

优选的：所述可调节机构为夹子、螺纹连接结构或者卡扣结构。

一种碳纤维束氧化后质量损失率与应力应变实时测量系统的测量方法，包括碳纤维束氧化后质量损失率的测量方法和碳纤维束氧化后应力应变的测量方法，其中：

所述碳纤维束氧化后质量损失率的测量方法，包括以下步骤：

步骤101，标定称重传感器(2)：用标准砝码标定称重传感器(2)；测量碳纤维束的初始质量为m；

步骤102，碳纤维束的装夹：将碳纤维束装入陶瓷加热管(1)内，碳纤维束下端与销钉式榫头(8)相固定，陶瓷加热管(1)的两端用石棉塞堵住；

步骤103，纤维束无应力氧化试验：通过控制系统控制执行机构，调整可调节高度平台(53)通过销钉式榫头(8)使碳纤维束完全装入到陶瓷加热管(1)内，使称重传感器(2)具有初始读数W₁，调整陶瓷加热管(1)温度对碳纤维束加热氧化，采集加热氧化后的碳纤维束所对应的称重传感器(2)的读数W₂，质量损失率按下式可以得到；

ΔW＝W₁-W₂；

其中，λ为碳纤维束的质量损失率，W₁为称重传感器(2)的初始读数，W₂为碳纤维束加热氧化的称重传感器(2)的读数，ΔW为前后两个时刻纤维束的质量损失量；m为碳纤维束的初始质量。

所述碳纤维束氧化后应力应变的测量方法，包括以下步骤：

步骤201，标定拉力传感器(4)：通过标准砝码标定拉力传感器(4)；

步骤202，标定电涡流位移传感器(3)：将电涡流位移传感器(3)与比其精度等级高的位移传感器并列固定，保证测试方向与导轨平行，移动导轨上的滑块，通过更高精度等级的位移传感器对电涡流位移传感器(3)进行标定；

步骤203，碳纤维束的装夹：将碳纤维束装入陶瓷加热管(1)内，碳纤维束上端与标定拉力传感器(4)固定，而下端与销钉式榫头(8)相固定，陶瓷加热管(1)的两端用石棉塞堵住；通过可调节机构调节陶瓷加热管(1)，使得使碳纤维束完全装入到陶瓷加热管(1)内；

步骤204，纤维束高温拉伸试验：将陶瓷加热管(1)调整到所确定的温度，对碳纤维束加热氧化所确定的时间，通过控制系统控制执行机构，驱动电机(51)使滚珠丝杠(52)逐渐加载，直至碳纤维束断裂，记录试验过程中拉力传感器(4)的读数的F和电涡流位移传感器(3)的读数，得到碳纤维束伸长量Δx，Δx＝|x₁-x₂|，其中，x₁和x₂分别为电涡流位移传感器(3)测得的前后两个时刻滚珠丝杠移动的位移，单向拉伸过程中的应力和应变可通过下式计算：

$\mathrm{\σ}=\frac{4F}{{\mathrm{N\πd}}^2};$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δ}x}{L};$

其中，σ为拉伸过程中碳纤维束的应力，N为纤维束中纤维丝总数，d为纤维直径，F为拉力，ε为拉伸过程中碳纤维束的应力，Δx表示碳纤维束伸长量，L为碳纤维束试验段长度。

本发明的碳纤维束氧化后质量损失率与应力应变实时测量系统及测量方法，相比现有技术，具有以下有益效果：

(1)该发明提出的碳纤维束氧化后质量损失率测试装置，通过电热耦合器可以控制在任意温度下，采用称重传感器与加热装置相组合的方式，可以实时准确地测量该温度下该段时间内任意时刻碳纤维束的氧化失重率，为分析研究复合材料中纤维束的失效问题提供了试验基础。

(2)该发明提出的碳纤维束氧化后应力应变测试装置，通过电热耦合器可以控制在任意温度下，采用称重传感器与加热装置相组合的方式，可以实时准确地测量该温度下该段时间内任意时刻碳纤维束的应力应变，为进一步研究碳纤维增强相复合材料在高温环境下的使用寿命，保证材料的安全使用提供了实验依据。

附图说明

图1为本发明碳纤维束氧化后质量损失率测试装置原理图。

图2为本发明碳纤维束氧化后应力应变测试装置原理图。

图3为本发明碳纤维束氧化后质量损失率测试装置结构图。

图4为本发明碳纤维束氧化后应力应变测试装置结构图。

图5陶瓷加热管内部结构剖面图。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

实施例

一种碳纤维束氧化后质量损失率与应力应变实时测量系统，如图1-4所示，包括陶瓷加热管1、称重传感器2、电涡流位移传感器3、拉力传感器4、执行机构、操作台6、支架7、数据采集卡及控制系统，所述数据采集卡分别与陶瓷加热管1，称重传感器2、电涡流位移传感器3、拉力传感器4连接，而控制系统还与执行机构连接，其中；制系统通过数据采集卡实现对称重传感器2、电涡流位移传感器3、拉力传感器4信号的采集以及对执行机构的驱动。

所述执行机构包括电机51、滚珠丝杠52以及可调节高度平台53，所述支架7安装在操作台6上，而所述电机51、电涡流位移传感器3均通过支架7设置于操作台6上，所述滚珠丝杠52设置于电机51的驱动端头，所述滚珠丝杠52的一端与拉力传感器4连接，而所述滚珠丝杠52的另一端与电涡流位移传感器3相对设置；所述陶瓷加热管1通过可调节机构固定在支架7上；而所述可调节高度平台53设置于操作台6上，所述称重传感器2设置于可调节高度平台53上，且所述称重传感器2位于陶瓷加热管1的下方，所述称重传感器2上设置有销钉式榫头8。

如图5所示，所述陶瓷加热管1包括陶瓷管11、热阻丝12以及一个以上的电热耦合器13，所述电热阻丝12缠绕于陶瓷管11外表面，而所述电热耦合器13也设置于陶瓷管11的外表面，且所述电热耦合器13与电热阻丝12连接。如图5所示，电热耦合器13的个数为3个，所述电热耦合器13在陶瓷管11的外表面上均匀分布。当然，电热耦合器13的个数可以为一个，其直接设置在陶瓷管11的外表面上，电热耦合器13的个数也可以多个，个数越多，加热越均匀。

还包括石棉层14，所述石棉层14设置于热阻丝12远离陶瓷管11的一侧。

所述称重传感器2上设置有燕尾槽，所述销钉式榫头8通过燕尾槽滑动连接在称重传感器2上；所述燕尾槽上设置有定位器，所述销钉式榫头8通过定位器与燕尾槽相互固定。

所述可调节机构为夹子、螺纹连接结构或者卡扣结构。

其中，拉力传感器4量程为500N，分辨率不低于0.1N。电涡流位移传感器3为非接触式位移传感器，量程为10mm，分辨率不低于0.005mm。机控制系统采用计算机控制系统，计算机控制系统通过数据采集卡的A/D接口采集称重传感器2、电涡流位移传感器3、拉力传感器4的信号。同时计算机控制系统还通过数据采集卡的D/A接口输出运动速度和方向信号到执行机构上，以实现对执行机构进行控制。

一种碳纤维束氧化后质量损失率与应力应变实时测量系统的测量方法，包括碳纤维束氧化后质量损失率的测量方法和碳纤维束氧化后应力应变的测量方法，其中：

所述碳纤维束氧化后质量损失率的测量方法，包括以下步骤：

步骤101，标定称重传感器2：用标准砝码标定称重传感器2；测量碳纤维束的初始质量为m；

步骤102，碳纤维束的装夹：将碳纤维束装入陶瓷加热管1内，碳纤维束下端与销钉式榫头8相通过高温胶粘贴固定，陶瓷加热管1的两端用石棉塞堵住；

步骤103，纤维束无应力氧化试验：通过控制系统控制执行机构，调整可调节高度平台53通过销钉式榫头8使碳纤维束完全装入到陶瓷加热管1内，使称重传感器2具有初始读数W₁，将电热耦合器调整到一定的温度，接通电源开始对电热阻丝加热，加热氧化任意时间，采集加热氧化后的碳纤维束所对应的称重传感器2的读数W₂，质量损失率按下式可以得到；

ΔW＝W₁-W₂；

其中，λ为碳纤维束的质量损失率，W₁为称重传感器2的初始读数，W₂为碳纤维束加热氧化的称重传感器2的读数，ΔW为前后两个时刻纤维束的质量损失量；m为碳纤维束的初始质量。

因此即可获得该温度下该段时间内碳纤维束氧化后质量损失率与氧化时间连续变化曲线。

所述碳纤维束氧化后应力应变的测量方法，包括以下步骤：

步骤201，标定拉力传感器4：在拉力传感器4下端连接质量已知的砝码盘，将拉力传感器4与放大器和数据采集器相连，通过标准砝码标定拉力传感器4；

步骤202，标定电涡流位移传感器3：将电涡流位移传感器3与比其精度等级高的位移传感器并列固定，保证测试方向与导轨平行，移动导轨上的滑块，通过更高精度等级的位移传感器对电涡流位移传感器3进行标定；

步骤203，碳纤维束的装夹：将碳纤维束装入陶瓷加热管1内，碳纤维束上端与标定拉力传感器4通过高温胶粘住固定，而下端与销钉式榫头8通过高温胶粘住固定，陶瓷加热管1的两端用石棉塞堵住；通过可调节机构调节陶瓷加热管1，使得使碳纤维束完全装入到陶瓷加热管1内；

步骤204，纤维束高温拉伸试验：将陶瓷加热管1调整到所确定的温度，对碳纤维束加热氧化所确定的时间，即电热耦合器调整到一定的温度，接通电源开始对电热阻丝加热，加热任意时间，通过控制系统控制执行机构，驱动电机51使滚珠丝杠52逐渐加载，直至碳纤维束断裂，记录试验过程中拉力传感器4的读数的F和电涡流位移传感器3的读数，得到碳纤维束伸长量Δx，Δx＝|x₁-x₂|，其中，x₁和x₂分别为电涡流位移传感器3测得的前后两个时刻滚珠丝杠移动的位移，单向拉伸过程中的应力和应变可通过下式计算：

$\mathrm{\σ}=\frac{4F}{{\mathrm{N\πd}}^2};$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δ}x}{L};$

其中，σ为拉伸过程中碳纤维束的应力，N为纤维束中纤维丝总数，d为纤维直径，F为拉力，ε为拉伸过程中碳纤维束的应力，Δx表示碳纤维束伸长量，L为碳纤维束试验段长度。

因此即可获得该温度下该段时间内碳纤维束氧化后拉伸应力应变曲线。

综上所述，本发明能够实时准确地测量碳纤维束氧化后质量损失率与拉伸应力应变，克服了传统测试装置不能准确测量碳纤维束在连续时间段内的质量损失率及拉伸应力应变的问题。

上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范畴。