可控张力的大丝束碳纤维复丝拉伸试样制备装置的制作方法

本实用新型属于碳纤维材料制备技术领域，涉及一种可控张力大丝束碳纤维复丝拉伸试样制备装置。

背景技术：

当今，碳纤维是先进复合材料最重要的增强体之一，碳纤维的拉伸强度和弹性模量是实现复合材料结构性能的关键。碳纤维复合材料具备质量轻、强度高、弹性模量高的优点，对能源(风电)、武器装备的性能提升有着巨大的贡献，被广泛用于制造风叶、航空器机体及发动机、导弹外壳等重大国防和工业领域，已成为发展现代战略武器必不可少的新材料之一。

在工业生产的碳纤维都要对碳纤维的强度和模量进行相关测试，纤维的强度、模量等性能参数，最终决定了复合材料的性能。目前，在工业生产中对碳纤维复丝拉伸强度测试，其主要制备装置过于简单，不能解决制备过程中碳纤维复丝在制备拉伸试样的张力不均问题以及纤维的平直问题，造成在纤维制备试样时，出现加捻、翻转等现象，造成在测试碳纤维的拉伸试样强度、模量不准确，以及在制备试样时，每个技术人员制备试样有所差异，造成试样强度、模量的差异性，导致纤维的本身性能不能真实的反映出来。一般对于碳纤维性能而言，客观的评价碳纤维复丝的拉伸强度是自身以及客户的需求出发，客观的评价碳纤维性能也是对下游客户的需求保证，同时也是对碳纤维企业对碳纤维生产工艺控制的重要参考参数，本专利提供了一种可控张力的大丝束碳纤维复丝拉伸试样制备装置以及方法，很好的解决了上述难题，对工业生产的碳纤维的评价有一定的指导意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种可控张力的大丝束碳纤维复丝拉伸试样制备装置，解决了碳纤维制样的张力不均，以及纤维平直不均问题，降低了技术人员手工操作的不确定性。

本实用新型包括有导辊、中心轴、支架、重锤和沟槽；支架立在操作面上，中心轴固定在支架顶部，多个导辊固定在中心轴上，导辊水平设置并垂直于中心轴，各导辊间相互平行，沟槽放在操作面上并位于中心轴之下，碳纤维复丝上端挂在导辊的端部，碳纤维复丝的下端挂有重锤，重锤位于沟槽6，沟槽限制重锤的摆动。

一种可控张力的大丝束碳纤维复丝拉伸试样制备方法包括以下步骤：

(1)大丝束碳纤维浸润；先配制环氧树脂胶液，在环氧树脂胶液浸胶时间在0.5～20min浸胶完成，再将浸胶后的大丝束碳纤维复丝缠绕挂在主体架上，悬挂标重的重锤调节碳丝的张力，控制浸胶后碳纤维复丝的张力；

(2)大丝束碳纤维的固化：把制备的试样放到智能调节烘箱，在固化温度为100～150℃，固化时间为30～150min；

(3)大丝束碳纤维剪裁；剪下固化后的碳纤维复丝制备测试样品，试样长度为国标测试对应长度；

(4)拉伸试样制备。

上述技术方案中，所述张力控制为重锤控制；所述重锤为等重量的砝码、罗兰等等重物体，重锤的质量控制张力大小，实现大丝束碳纤维试样制备张力调控；

对于张力控制后，由于重锤的悬挂，试样制备的全部过程中实现了张力的恒定，解决了试样制备的全程张力控制问题。

对于悬挂后重锤的固定，使用沟槽，使悬挂后重锤在沟槽内，减少了重锤的摆动造成纤维试样的摆动、断丝等现象。

在上述的浸胶树脂是环氧树脂、酚醛改性环氧树脂、聚酯改性环氧树脂、聚氨酯改性环氧树脂等通用环氧树脂体系或改性环氧树脂体系中的一种或一种以上。根据纤维的伸长率选定相匹配的复合树脂或者单一树脂；

上述一种可控张力的大丝束碳纤维复丝拉伸试样制备方法具体步骤如下：

制样方法包括以下步骤：(1)大丝束碳纤维浸润；先配制环氧树脂胶液，在环氧树脂胶液浸胶时间在0.5～20min浸胶完成，再将浸胶后的大丝束碳纤维复丝缠绕挂在主体架上，悬挂标重的重锤调节碳丝的张力，控制浸胶后碳纤维复丝的张力；(2)大丝束碳纤维固化：把制备的试样放到智能调节烘箱，在固化温度为100～150℃，固化时间为30～150min；(3)固化后大丝束碳纤维剪裁；剪下固化后的碳纤维复丝制备测试样品，试样长度为国标测试对应长度；(4)拉伸试样制备。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型能主动控制碳纤维张力，测定碳纤维的拉伸性能，可以客观评价纤维性能，减少了人为因素对制样的影响。制备装置简单，操作方便，测试方法简单有效，测试纤维性能稳定性好。对纤维自身性能的评价比较准确可靠，广泛适用于工业生产纤维的评价，较传统的制备装置而言，实现了工业生产中的碳纤维张力恒定控制以及浸胶纤维的平直的问题，更准确的反映出碳纤维的拉伸强度以及模量。

本实用新型不仅适用于大丝束碳纤维，也适用于1K～100K各个类型的碳纤维，同时适用于干喷湿纺碳纤维、湿法纺丝碳纤维以及凝胶纺丝碳纤维，适用于强度型、模量型碳纤维，包括高模量石墨纤维。使用过程中根据需要通过控制张力大小，调节不同品种碳纤维所需的张力，然后在此张力达到纤维的恒定张力、纤维试样的平直以及测试准确性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括有导辊1、中心轴2、支架3、重锤5和沟槽6；支架3立在操作面上，中心轴2固定在支架3顶部，多个导辊1固定在中心轴2上，导辊1水平设置并垂直于中心轴2，各导辊1间相互平行，沟槽6放在操作面上并位于中心轴2之下，碳纤维复丝4上端挂在导辊1的端部，碳纤维复丝4的下端挂有重锤5，重锤5位于沟槽6中，沟槽6限制重锤5的摆动。

可控张力的大丝束碳纤维复丝拉伸试样方法：

实施例1：

参阅图1所示，其方法如下：

(1)先配制环氧树脂胶液A50g、固化剂1.70g、稀释剂60.0g进行搅拌3.0min均匀，静置5.0min待用；

(2)大丝束碳纤维在环氧树脂胶液浸胶时间在1.0min浸胶完成，再将浸胶后的大丝束碳纤维复丝缠绕挂在导辊1上，悬挂标重0.5kg的重锤调节碳丝的张力，控制浸胶后碳纤维复丝的张力；

(3)大丝束碳纤维固化：把制备的试样的主体架放到智能调节烘箱里，在固化温度为120℃，固化时间为120min；

(4)固化完成后架体3拿出，对大丝束碳纤维剪裁，剪下固化后的碳纤维复丝制备测试样品，试样长度为国标测试对应长度；(5)对试样粘贴加强片进行二次固化，用6101环氧树脂与三乙烯四胺，按照10:1的比例配比，搅拌均匀粘贴试样，在100℃固化60min完成二次固化，再进行试样的拉伸测试。获得的大丝束碳纤维的力学性能数据，结果见表1；

实施例2：

步骤与实施例1基本相同，不同之处是在步骤2施加1.0kg的张力对碳丝进行张力的调整；固化时间、温度与实施例1各项参数相同，获得的大丝束碳纤维的强度、模量数据，结果见表1；

实施例3：

步骤与实施例1基本相同，不同之处是在步骤2施加1.5kg的张力进行对碳丝张力的调整；固化时间、温度与实施例1各项参数相同，获得的大丝束碳纤维的强度、模量数据，结果见表1；

实施例4：

步骤与实施例1基本相同，不同之处是在步骤2施加2.0kg的张力进行对碳丝张力的调整；固化时间、温度与实施例1各项参数相同，获得的大丝束碳纤维的强度、模量数据，结果见表1；

实施例5：

步骤与实施例1各项基本参数相同，改变浸胶时间为2.0min、在步骤2施加1.0kg的张力对碳丝进行张力的调整；固化时间、温度与实施例1相同，获得的大丝束碳纤维的力学性能数据，结果见表1；

实施例6：

步骤与实施例1各项参数相同，改变浸胶时间为10min、在步骤2施加1.0kg的张力对碳丝进行张力的调整；固化时间、温度与实施例1相同，获得的大丝束碳纤维的力学性能数据，结果见表1；

对比实施例：

实验工艺参数与实施例1各项操作参数相同，所施加的张力以人为缠绕的不确定张力作为对比参照，浸胶时间为1.0min；其他工艺参数与实施例1的工艺参数相同，拉伸测试获得的大丝束碳纤维的力学性能数据，结果见表1；

表1碳纤维力学性能数据

实施例1-4与对比实施例比较，张力的全程控制相较于对比实施例不能明确碳丝在固化全程的张力控制，张力的可控性是有利于控制大丝束碳纤维的力学性能；

从实施例1-6对比可以看出，施加张力在1.5kg，浸胶时间为1.0min的工艺条件下，制备出来的碳丝试样力学性能数据较高，其强度可以达到4862MPa、模量为248GPa；

对于不同类型的纤维施加的张力不同，本实用性实用新型简单有效，操作方便快捷，有利于大批量碳丝测试，本实用新型适用于1K～100K各个类型的碳纤维以及其他类型纤维，同时适用于干喷湿纺碳纤维、湿法纺丝碳纤维以及凝胶纺丝碳纤维，适用于强度型、模量型碳纤维，包括高模量石墨纤维。