本发明涉及一种大丝束碳纤维复丝拉伸性能测试试样及其制样方法，属于材料性能测试领域。
背景技术：
碳纤维根据一束纤维中单丝根数可分为大、小丝束。一般而言，将24k(每束纤维中含有24000根单丝)规格以下的称为小丝束，而将24k及以上规格碳纤维称为大丝束碳纤维。由于大丝束碳纤维具有价格低、来源容易、性能与小丝束碳纤维相当的优点，其复合材料在基础设施、运动器材、汽车工业和风电设备等方面应用广泛，随着大丝束碳纤维预浸料制备技术发展，今后也将应用于航空航天等领域。
客观准确测试碳纤维力学性能是质量评价中非常重要的内容，影响到碳纤维复合材料的设计与使用。目前我国碳纤维复丝拉伸性能测试方法采用gb/t3362-2005标准，但是实践证明此标准只适合于小丝束(1k、3k、6k和12k等)碳纤维力学性能的测试。目前国内还没有批量化生产制备大丝束碳纤维，尚无评价大丝束碳纤维复丝拉伸性能的有效方法。参照国标gb/t3362-2005中的制样方法制备的24k及以上规格碳纤维标样，在进行测试时，试样夹持部位发生撕裂破坏，导致试样中的纤维丝束滑移，从而导致测试结果与标样给定值有较大差距。
为满足未来国产大丝束碳纤维研制与生产评价要求，亟需一种适用于24k及以上规格大丝束碳纤维拉伸性能试样的制样方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种大丝束碳纤维复丝拉伸性能测试试样及其制样方法，以适用于24k及以上规格大丝束碳纤维拉伸性能测试。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种大丝束碳纤维复丝拉伸性能测试试样的制样方法，包括以下步骤：
1)施加张力将不小于24k的碳纤维复丝缠绕在框架上；
2)将缠绕好的复丝进行浸胶、加热固化，冷却后裁剪成复丝段；
3)在所述复丝段的两端分别粘贴一组金属或复合材料加强片，其中，每组包括相对设置的两片加强片，所述两片加强片中的至少一片的内表面上贴附有结构胶膜，且贴附时空出了所述内表面的中部区域和四周边缘区域，所述复丝段两端位于所述中部区域；
4)给所述加强片加压，加热固化，得到测试试样。
在一可选实施例中，步骤1)所述张力为1～15n。
在一可选实施例中，步骤2)所述的将缠绕好复丝的框架进行浸胶，包括：
将缠绕好复丝的框架浸入胶液中，所述胶液包括以下质量份组分：
在一可选实施例中，步骤2)中将缠绕好复丝的框架浸入胶液中1～3分钟，然后沥胶1～5分钟。
在一可选实施例中，所述环氧树脂为1,2-环氧环己烷4,5-二甲酸二缩水甘油酯、邻苯二甲酸二缩水甘油酯、3,4-环氧环己基3’,4’-环氧环己基甲脂中的至少一种；所述固化剂为四氢苯二甲酸酐、六氢苯二甲酸酐、甲基纳迪克酸酐中的至少一种；所述促进剂为n,n-二甲基苄胺、2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚、2-乙基-4-甲基咪唑中的至少一种；所述溶剂为丙酮、甲苯、二甲苯中的至少一种。
在一可选实施例中，步骤2)所述的加热固化，包括：固化温度为140～200℃、固化时间为2～6小时。
在一可选实施例中，步骤3)所述的结构胶膜为j-47a、j-272、af163中的至少一种，总厚度为0.5～3mm。
在一可选实施例中，步骤4)所述的加压，加压压力为10～30n。
在一可选实施例中，步骤4)所述的加热固化，固化温度为60～120℃、固化时间为2～6小时。
在一可选实施例中，步骤3)所述的加强片材质为铝合金、玻璃钢、碳纤维复合材料中的至少一种，单片厚度为1～3mm。
上述制样方法制备的大丝束碳纤维复丝拉伸性能测试试样。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明实施例提供的大丝束碳纤维复丝拉伸性能测试试样的制样方法，通过采用金属或复合材料加强片并采用结构胶膜作为加强片与碳纤维复丝的粘结材料，通过在加强片的四周边缘及中部位置留空，使结构胶膜在加热固化的过程中向中部留空区域流动，充分浸润位于中部位置的碳纤维复丝束，同时避免胶膜外溢，提高了加强片的力学性能及复丝与加强片的粘接强度，避免了制得的试样在拉伸试验中出现加强片撕裂破坏及纤维脱粘滑移的问题；
(2)本发明采用的胶液体系粘度低、浸润大丝束纤维效率高，具体地，将缠绕好复丝的框架浸入胶液中1～3分钟，然后沥胶1～5分钟，提高了制样效率；该树脂体系能够与纤维充分结合，形成良好的界面性能，有利于提高碳纤维拉伸强度的发挥；该树脂体系为高温固化体系，与后续结构胶膜固化温度形成较大的温差，保证已固化的碳纤维复丝段在加强片固化过程中不发生蠕变，避免由于蠕变导致的纤维性能下降；
(3)本发明通过采用特定材质和厚度的结构胶膜和加强片配合固定复丝，进一步增大了碳纤维与树脂界面结合力，从而进一步避免了大丝束碳纤维试样在拉伸过程中出现的纤维脱粘滑移和加强片撕裂破坏等问题；
(4)本发明制备的拉伸试样外表平滑均匀，可用于多种规格大丝束碳纤维的拉伸性能制样；拉伸测试结果能客观评价纤维力学性能，离散值较小。
附图说明
图1为本发明结构胶膜粘贴位置示意图；
图2为本发明大丝束碳纤维复丝拉伸试样示意图；
图3为本发明拉伸试样加强片固化后截面示意图；
附图中标记为：
1—碳纤维复丝，2—加强片，3—固化变形后的结构胶膜，4—结构胶膜(固化前)。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明具体实施方式做进一步说明：
各实施例所用材料均为市售产品；拉伸性能按gb/t3362-2005中的规定测试。
本发明实施例提供了一种大丝束碳纤维复丝拉伸性能测试试样的制样方法，包括以下步骤：
1)施加张力将不小于24k的碳纤维复丝缠绕在框架上；
具体地，本发明实施例中，碳纤维复丝优选24～60k，相应地，施加张力时，优选1～15n，具体地，当纤维复丝为24k时，张力为1～5n，当纤维复丝为36k时，张力为5～10n，当纤维复丝为48k、50k或60k时，张力为10～15n；
通过控制施加的张力，可以确保碳纤维复丝与框架的接触位置及其延伸段(5～8cm左右)在浸胶、固化后呈扁平状，且其余位置呈圆柱状，以进一步提高加强片粘贴效果和纤维拉伸性能发挥，提高了测试准确度；
2)将缠绕好的复丝进行浸胶、加热固化，冷却后裁剪成复丝段；
本发明实施例中，可以将缠绕好复丝的框架浸入浸胶槽的胶液中，以使缠绕好的复丝进行浸胶，所述胶液包括以下质量份组分：
环氧树脂100、固化剂50～100、促进剂0.5～3及溶剂100～200；其中，所述环氧树脂优选1,2-环氧环己烷4,5-二甲酸二缩水甘油酯、邻苯二甲酸二缩水甘油酯、3,4-环氧环己基3’,4’-环氧环己基甲脂中的至少一种；所述固化剂优选四氢苯二甲酸酐、六氢苯二甲酸酐、甲基纳迪克酸酐中的至少一种；所述促进剂优选n,n-二甲基苄胺、2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚、2-乙基-4-甲基咪唑中的至少一种；所述溶剂优选丙酮、甲苯、二甲苯中的至少一种；
该胶液体系粘度低、浸润大丝束纤维效率高，本发明实施例中，将缠绕好复丝的框架浸入胶液中1～3分钟，然后沥胶1～5分钟，提高了制样效率；该树脂体系能够与纤维充分结合，形成良好的界面性能，有利于提高碳纤维拉伸强度的发挥；该树脂体系为高温固化体系，与后续结构胶膜固化温度形成较大的温差，保证已固化的碳纤维复丝段在加强片固化过程中不发生蠕变，避免由于蠕变导致的纤维性能下降；在其他实施例中，还可以通过从复丝上方，沿复丝缠绕延伸方向滴加胶液等方式给复丝浸胶，本发明不作限定。
具体地，本发明实施例中，所述的加热固化，包括：固化温度为140～200℃、固化时间2～6小时；裁剪时，使复丝与框架接触位置及其延伸段位于复丝段的两端。
3)如图2所示，在复丝段1的两端分别粘贴一组加强片2，其中，每组包括相对设置的两片加强片2，加强片2可以为铝合金、高强钢、不锈钢等金属材质还可以是玻璃钢、碳纤维复合材料、芳纶复合材料等复合材料材质，本发明不作限定；如图1所示，两片加强片2中的至少一片的内表面上贴附有结构胶膜4，且贴附时空出了所述内表面的中部区域(如图1中宽度为d1的区域)和四周边缘区域(如图1中宽度为d2的区域)，复丝段1两端位于所述中部区域；
具体地，本发明实施例中，复丝段两端与加强片通过结构胶膜粘贴，所述的结构胶膜优选j-47a、j-272、af163中的至少一种，单层厚度优选0.1～1mm，总厚度优选0.5～3mm；所述的加强片材质优选铝合金、玻璃钢、碳纤维复合材料中的至少一种，单片厚度优选1～3mm；粘贴加强片时，使复丝与框架接触位置及其延伸段位于加强片内，圆柱状段位于两组加强片之间，每组加强片包括上、下两片，下片的上表面及上片的下表面为内表面；当结构胶膜总厚度为0.5～1mm时，需要在两片加强片的内表面均贴附结构胶膜，当结构胶膜的总厚度为1～3mm时，只需在一片加强片的内表面贴附结构胶膜；本发明通过采用特定材质和厚度的结构胶膜和加强片配合固定复丝，进一步增大了碳纤维与树脂界面结合力，从而进一步避免了大丝束碳纤维试样在拉伸过程中出现的纤维脱粘滑移和加强片撕裂破坏等问题；
4)给所述加强片加压，加热固化，得到测试试样。
具体地，本发明实施例中，步骤5)中加压压力优选10～30n，以确保结构胶膜在固化过程中充分浸润位于加强片内的碳纤维丝束(如图3所示，标号3为固化变形后的结构胶膜)，且避免胶液外溢；
步骤5)所述的加热固化，固化温度为60～120℃、固化时间为2～6小时。
本发明实施例提供的大丝束碳纤维复丝拉伸性能测试试样的制样方法，通过采用金属或复合材料加强片，并通过结构胶膜作为加强片与碳纤维复丝的粘结材料，通过在加强片的四周边缘及中部位置留空，使结构胶膜在加热固化的过程中向中部留空区域流动，充分浸润位于中部位置的碳纤维复丝束，同时避免胶膜外溢，提高了加强片的力学性能及复丝与加强片的粘接强度，避免了制得的试样在拉伸试验中出现加强片撕裂破坏及纤维脱粘滑移的问题，试样外观平滑、测试结果稳定。
上述制样方法制备的大丝束碳纤维复丝拉伸性能测试试样。
以下为本发明的几个具体实施例：
实施例1
采用5n张力在框架上缠绕日本东丽公司t700s-24k碳纤维复丝；在5l量杯中依次加入100质量份邻苯二甲酸二缩水甘油酯、50质量份四氢苯二甲酸酐和0.5质量份n,n-二甲基苄胺，然后加入100份丙酮充分搅拌5分钟，倒入浸胶槽中；将缠绕复丝的框架浸入浸胶槽1分钟后取出晾置沥胶1分钟后置入鼓风烘箱干燥固化，复丝固化工艺为(140℃/0.5h)+(180℃/1.5h)，冷却后裁剪成30cm的复丝段，复丝段两段为扁平状，且长度为5cm左右，中间部位为圆柱状；在复丝段两端分别贴附有一组铝合金加强片(单片厚度1mm)，且加强片的上下内表面各贴附有四层j-47a结构胶膜(单层厚度0.1mm)，贴附时，如图1所示，内表面中间部位及四周边缘部位留空，且中间部位宽度d1为0.5cm，四周边缘留空宽度d2为0.5cm；采用工装夹具固定加强片给加强片施加10n压力，并置于烘箱中加热固化得到如图2和3所示的拉伸性能测试试样，其中固化工艺为(120℃/2h)。大丝束碳纤维复丝拉伸性能见表1所示。
实施例2
采用10n张力在框架上缠绕日本东丽公司x720s-36k碳纤维复丝；在5l量杯中依次加入100质量份3,4-环氧环己基3’,4’-环氧环己基甲脂、60质量份甲基纳迪克酸酐和2质量份2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚，然后加入120份甲苯充分搅拌5分钟，倒入浸胶槽中；将缠绕复丝的框架浸入浸胶槽2分钟后取出晾置沥胶2分钟后置入鼓风烘箱干燥固化，复丝固化工艺为(150℃/1h)+(200℃/3h)，冷却后裁剪成30cm的复丝段，复丝段两段为扁平状，且长度为5cm左右，中间部位为圆柱状；在复丝段两端分别贴附有一组铝合金加强片(单片厚度3mm)，且加强片的上下内表面各贴附有两层j-47a结构胶膜(单层厚度0.25mm)，贴附时，如图1所示，内表面中间部位及四周边缘部位留空，且中间部位宽度d1为0.5cm，四周边缘留空宽度d2为0.5cm；采用工装夹具固定加强片给加强片施加15n压力，并置于烘箱中加热固化得到如图2和3所示的拉伸性能测试试样，其中固化工艺为(60℃/1h)+(120℃/3h)。大丝束碳纤维复丝拉伸性能见表1所示。
实施例3
采用10n张力在框架上缠绕日本东邦公司sts-48k碳纤维复丝；在5l量杯中依次加入100质量份3,4-环氧环己基3’,4’-环氧环己基甲脂、100质量份六氢苯二甲酸酐和3质量份2-乙基-4-甲基咪唑，然后加入150份二甲苯充分搅拌5分钟，倒入浸胶槽中；将缠绕复丝的框架浸入浸胶槽3分钟后取出晾置沥胶3分钟后置入鼓风烘箱干燥固化，复丝固化工艺为(150℃/2h)+(200℃/3h)，冷却后裁剪成30cm的复丝段，复丝段两段为扁平状，且长度为5cm左右，中间部位为圆柱状；在复丝段两端分别贴附有一组玻璃钢加强片(单片厚度2mm)，且加强片的上下内表面各贴附有两层j-272结构胶膜(单层厚度0.5mm)，贴附时，如图1所示，内表面中间部位及四周边缘部位留空，且中间部位宽度d1为0.8cm，四周边缘留空宽度d2为0.5cm；采用工装夹具固定加强片给加强片施加20n压力，并置于烘箱中加热固化得到如图2和3所示的拉伸性能测试试样，其中固化工艺为(80℃/1h)+(120℃/3h)。大丝束碳纤维复丝拉伸性能见表1所示。
实施例4
采用10n张力在框架上缠绕日本三菱公司tr330-50k碳纤维复丝；在5l量杯中依次加入100质量份1,2-环氧环己烷4,5-二甲酸二缩水甘油酯、80质量份六氢苯二甲酸酐和1质量份2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚，然后加入150份丙酮充分搅拌5分钟，倒入浸胶槽中；将缠绕复丝的框架浸入浸胶槽3分钟后取出晾置沥胶4分钟后置入鼓风烘箱干燥固化，复丝固化工艺为(140℃/2h)+(200℃/4h)，冷却后裁剪成30cm的复丝段，复丝段两段为扁平状，且长度为5cm左右，中间部位为圆柱状；在复丝段两端分别贴附有一组玻璃钢加强片(单片厚度2mm)，且加强片的上下内表面各贴附有两层af163结构胶膜(单层厚度0.5mm)，贴附时，如图1所示，内表面中间部位及四周边缘部位留空，且中间部位宽度d1为0.8cm，四周边缘留空宽度d2为0.5cm；采用工装夹具固定加强片给加强片施加20n压力，并置于烘箱中加热固化得到如图2和3所示的拉伸性能测试试样，其中固化工艺为(80℃/1h)+(120℃/4h)。大丝束碳纤维复丝拉伸性能见表1所示。
实施例5
采用15n张力在框架上缠绕日本三菱公司trh50-60k碳纤维复丝；在5l量杯中依次加入100质量份1,2-环氧环己烷4,5-二甲酸二缩水甘油酯、60质量份四氢苯二甲酸酐和2质量份2-乙基-4-甲基咪唑，然后加入200份甲苯充分搅拌5分钟，倒入浸胶槽中；将缠绕好的复丝的框架浸入浸胶槽3分钟后取出晾置沥胶5分钟后置入鼓风烘箱干燥固化，复丝固化工艺为(140℃/2h)+(200℃/4h)，冷却后裁剪成30cm的复丝段，复丝段两段为扁平状，且长度为5cm左右，中间部位为圆柱状；在复丝段两端分别贴附有一组碳纤维复合材料加强片(单片厚度2mm)，且下层加强片的内表面贴附有三层af163结构胶膜(单层厚度1mm)，贴附时，如图1所示，内表面中间部位及四周边缘部位留空，且中间部位宽度d1为1.0cm，四周边缘留空宽度d2为0.5cm；采用工装夹具固定加强片给加强片施加30n压力，并置于烘箱中加热固化得到如图2和3所示的拉伸性能测试试样，其中固化工艺为(80℃/1h)+(120℃/5h)。大丝束碳纤维复丝拉伸性能见表1所示。
比较例1
日本东丽公司t700sc-24k碳纤维复丝拉伸性能出厂报告值见表1所示。
比较例2
日本东丽公司x720sc-36k碳纤维复丝拉伸性能出厂报告值见表1所示。
比较例3
日本东邦公司sts40-48k碳纤维复丝拉伸性能出厂报告值见表1所示。
比较例4
日本三菱公司tr330-50k碳纤维复丝拉伸性能出厂报告值见表1所示。
比较例5
日本三菱公司trh50-60k碳纤维复丝拉伸性能出厂报告值见表1所示。
表1大丝束碳纤维复丝拉伸性能参数表
a拉伸模量采用接触式引伸计测试
b断裂伸长率＝拉伸强度/拉伸模量
从实施例1和对比例1的对比可以看出，采用本发明制样方法制备的t700s-24k碳纤维复丝拉伸强度测试值略高于出厂报道值，拉伸模量和断裂伸长率与出厂值相当。从实施例2和对比例2的对比可以看出，采用本发明制样方法制备的x720-36k碳纤维复丝拉伸强度测试值高于出厂报道值，拉伸模量和断裂伸长率与出厂值相当。从实施例3和对比例3的对比可以看出，采用本发明制样方法制备的sts40-48k碳纤维复丝拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率测试值均与出厂报道值相当。从实施例4和对比例4的对比可以看出，采用本发明制样方法制备的tr330-50k碳纤维复丝拉伸强度测试值高于出厂报道值，拉伸模量和断裂伸长率与出厂值相当。从实施例5和对比例5的对比可以看出，采用本发明制样方法制备的trh50-60k碳纤维复丝拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率测试值均与出厂报道值相当。另外，采用本发明制样方法制备的大丝束碳纤维复丝试样的所有拉伸性能测试离散值均小于5％,充分说明了本发明的效果。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。