浸胶纱试样的制备方法及其压缩测试夹具

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试技术领域，尤其涉及一种浸胶纱试样的制备方法及其压缩测试夹具。

背景技术

从二十世纪九十年代开始，以碳纤维、特种玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子聚乙烯纤维等为代表的高性能纤维的制备技术与工艺步入快速发展，并且在航空航天、汽车、风电等诸多领域得到广泛应用。纤维纱是纤维在复合材料中的主要使用形式，因此它的力学性能具有重要影响。

浸胶纱测试是目前工程应用中常用的碳纤维力学性能的检测评价方法。目前碳纤维的力学性能评价大多集中于拉伸性能方面，而浸胶纱的压缩测试目前尚无相应标准。

相比于传统的层压复合材料，碳纤维编织复合材料的抗冲击性能和横向性能都有较大提升，然而编织复合材料主要由碳纤维纱编织并由基体浸润成型。因此，在细观尺度上，编织复合材料主要包含基体和浸胶纱两种组分，而浸胶纱起主要承载作用，它对于编织复合材料的力学性能具有很大影响。在编织复合材料力学性能的多尺度仿真分析方法中，对于编织复合材料细观有限元模型的建立，其中关键步骤是定义单浸胶纱的力学性能参数。但是目前对于浸胶纱的压缩性能测试缺乏相应方法，所以只能通过理论或有限元预测，缺乏充分的试验验证。

现有技术中的碳纤维浸胶纱试样制备及测试技术具有以下缺点：第一，效率较低，试样制备需要分两次固化，且浸胶纱的树脂和树脂块的树脂种类不一致可能造成界面的提前失效；第二，制备的浸胶纱试样本身的直径不稳定，会引入强度测量值的误差；第三，由于模具开槽直径和浸胶纱直径总是存在误差，因此不能确保浸胶纱在两头树脂保护端的正中间部位，也会影响测试的准确性；第四，由于采用金属模具，需要合模、脱模，加工成本高、效率低、通用性差；第五，加载前试样的装夹复杂、繁琐，试样需要先置于限位夹具再压缩夹具。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种浸胶纱试样的制备方法及其压缩测试夹具，以解决现有技术存在的碳纤维浸胶纱压缩测试方法均不能保证试样的恒定截面积和稳定纤维体积分数，以及存在夹具复杂、加载同轴性差等缺点。

根据本发明实施例的一个方面提供一种浸胶纱试样的制备方法，其包括：

制备硅胶材料的试样模具，其中沿所述模具的中部具有用于埋设浸胶纱的缝隙；提供碳纤维纱，将浸胶纱埋置于所述缝隙中；将配制好的树脂浇筑在所述试样模具中，固化并脱模后得到浸胶纱试样，其中所述浸胶纱试样为两段式圆柱体试样。

其中，所述制备硅胶材料的试样模具包括：制作两段式圆柱体的浸胶纱试样阳模；提供一立方体形状的容器，将所述浸胶纱试样阳模置于所述容器中；将配制好的硅胶倒入所述容器，待硅橡胶完全固化后，在阳模的中间部分的硅胶上切出缝隙，并进行脱模。

其中，所述碳纤维纱的长度大于所述试样模具的长度。

根据本发明实施例的另一方面还提供一种浸胶纱试样的压缩测试夹具，其包括：刚性框架、上直线轴承、下直线轴承、上夹头、下夹头和多个紧固螺栓；所述刚性框架包括上框架和下框架，所述上框架限定所述上直线轴承，所述下框架限定所述下直线轴承，所述上直线轴承和所述下直线轴承同轴；所述上直线轴承与所述上夹头连接，所述下直线轴承与所述下夹头连接，所述上夹头和所述下夹头同轴；所述上夹头和所述下夹头之间用于加持浸胶纱试样，所述多个紧固螺栓用于限定所述浸胶纱试样的加持位置，使所述浸胶纱试样与所述上夹头和所述下夹头同轴。

其中，所述浸胶纱试样包括中间的待测试段和两端的树脂保护端，所述树脂保护端的截面形状为方形。

其中，所述浸胶纱试样包括第一树脂保护端和第二树脂保护端，所述第一树脂保护端的部分被夹持在所述上夹头内，所述第二树脂保护端的部分被夹持在所述下夹头内；2个紧固螺栓穿过所述上夹头的侧壁后紧固所述第一树脂保护端的相邻的两个侧壁，2个紧固螺栓穿过所述下夹头的侧壁后紧固所述第二树脂保护端的相邻的两个侧壁，使得所述浸胶纱试样的待测试段与所述上夹头和所述下夹头同轴

其中，所述刚性框架具有中空部。

根据本发明的技术方案，通过利用硅胶模具，一次性将含有树脂保护端试样浇筑成型，大大降低了试样制备的时间和经济成本，并且测试段的浸胶纱直径均匀、纤维体积分数稳定。此外，提出了新的压缩测试夹具，在保证精确压缩加载的同时降低了夹具的机加工成本，且提高了测试效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的浸胶纱试样的制备方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的试样模具制备的示意图；

图3是根据本发明实施例的压缩试样制备的示意图；

图4是根据本发明实施例的压缩测试夹具的示意图

图5是根据本发明实施例的夹头的示意图；

图6是根据本发明实施例的试样被紧固螺栓限定位置的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

根据本发明实施例提供了一种浸胶纱试样的制备方法，参考图1和图3，所述方法包括以下步骤：

步骤S102，制备硅胶材料的试样模具，其中沿所述模具的中部具有用于埋设浸胶纱的缝隙；

具体地，参考图2，制备硅胶材料的试样模具的具体步骤可包括：

制作两段式圆柱体的浸胶纱试样阳模，阳模的两端为长方体，中间部分为圆柱体；提供一立方体形状的容器，将所述浸胶纱试样阳模置于所述容器中；将配制好的硅胶倒入所述容器，待硅橡胶完全固化后，在阳模的中间部分和两端的硅胶上切出缝隙，并进行脱模。

步骤S104，提供碳纤维纱，将浸胶纱埋置于试样模具的缝隙中；

其中，所述碳纤维纱的长度大于所述试样模具的长度。

步骤S106，将配制好的树脂浇筑在所述试样模具中，固化并脱模后得到浸胶纱试样，其中所述浸胶纱试样为两段式圆柱体试样，即，所述浸胶纱试样包括中间的待测试段和两端的树脂保护端，所述待测试段为圆柱体，所述树脂保护端的截面形状为带倒角的方形。

通过上述制备方法，不用二次固化，只一次就将含有树脂保护端的浸胶纱试样浇筑成型，大大缩短了试样制备流程和时间。并且，通过固定直径的阳模倒模，能够实现对于浸胶纱测试段的恒定截面积和恒定纤维体积分数的控制。

根据本发明实施例还提供一种浸胶纱试样的压缩测试夹具，参考图4，所述压缩测试夹具包括：刚性框架4、上直线轴承43、下直线轴承44、上夹头45、下夹头46、多个紧固螺栓以及浸胶纱试样47；

所述刚性框架4为中部中空的框架，刚性框架4包括上框架41和下框架42。所述上框架41限定上直线轴承43，所述下框架42限定下直线轴承44，且上直线轴承43和下直线轴承44同轴。如图所示，上直线轴承43穿过上框架41，下直线轴承44穿过下框架42，上直线轴承43的一端和下直线轴承44的一端在刚性框架4的中空部相对。

所述上直线轴承43与所述上夹头45连接，所述下直线轴承44与所述下夹头46连接，所述上夹头45和所述下夹头46在刚性框架4的中空部相对设置，且所述上夹头45和所述下夹头46同轴。当夹头在直线轴承内上下移动时，直线轴承内的滚珠可以减小压缩时夹头与轴承摩擦，减小对于实验结果准确性的影响。参考图5，夹头具有一个带倒角的方形的内腔，作为加持浸胶纱试样的加持部。加持部的截面略大于浸胶纱试样的树脂保护端的截面，能够容纳树脂保护端一部分。

在本实施例中，所述压缩测试夹具包括4个紧固螺栓，其中上夹头45的侧壁上具有2个紧固螺栓孔，安装有紧固螺栓51和52；下夹头46的侧壁上也具有2个紧固螺栓孔，安装有紧固螺栓53和54。如图4所示，上下夹头上的紧固螺栓孔位置相对应。从加持部来看，加持部的相邻的两侧壁安装有紧固螺栓，另外两个相邻的侧壁没有安装螺栓。

在安装试样后，同一个夹头上的两个螺栓分别对树脂保护端施加作用力，这两个方向(图5和图6中箭头所示方向)的作用力在同一水平面内且互相垂直。拧紧螺栓时，树脂保护端在紧固螺栓的作用下会紧贴加持部的未安装螺栓的内壁，这样，树脂保护端及试样就能够相对夹头保持固定，并且，也使得待测试段的轴线与夹具轴线同轴。

通过上述压缩测试夹具，通过简单的装配和试样夹持即可实现对于试样的有效测试，既保证了压缩时载荷的同轴度，又降低了夹持难度，提高了测试效率。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。