高温下纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置

技术领域

本发明属于纤维力学性能测试设备技术领域，具体涉及一种高温下(常温～400℃)纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置。

背景技术

纤维的力学性能是衡量其结构稳定性的重要指标，材料的拉伸力学响应与加载速率和环境温度关系很大。目前，测试纤维的准静态拉伸力学性能主要依靠材料试验机，而测试材料动态拉伸力学性能最常见的实验设备为霍普金森拉杆。高性能纤维(碳纤维、碳纳米管纤维等)在航空、航天、工业应用等领域已经获得了广泛的使用，极端复杂的运行环境使得纤维材料在高温高应变率下的本构关系与失效模式具有极强的研究意义，而研制高温环境下纤维单丝动态拉伸力学性能测试设备是能否推进这些研究的关键问题之一。

常规霍普金森拉杆技术通过入射杆与透射杆上的应变片，测量入射波、透射波与反射波信号，根据三波法计算得到材料的应力-应变信息，试样的尺寸一般为毫米量级。当测试的纤维直径为微米量级时，由于纤维与杆之间的广义波阻抗有较大差距，透射波幅值较小且与噪声信号的幅值接近，无论是采用高精度的半导体应变片还是传统的电阻式应变片，透射信号都难以测量。同时，基于复杂条件下实验技术的限制，纤维在极端环境温度下动态力学行为的研究尚欠缺。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供了一种高温下(常温～400℃)纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置。本发明基于应力波理论，结合温度效应和应变率效应加以研制，测量直径为微米量级纤维单丝在高温(常温～400℃)环境下动态拉伸力学性能的装置；其特点在于：温度控制器装卸简易，体积小，升温较快；铝箔和耐高温环氧树脂制作试样卡，不易燃且易于控制样品标距；用高精度压电传感器代替透射杆，从而解决透射杆上的应变片无法测得透射波信号的问题。

本发明使用高精度的压电力传感器，设计了纤维单丝的动态力学性能测量设备。与此同时，该设备配备了槽形温度控制器，该温度控制器在传统的温度控制器的基础上，重新设计了加热探头，使槽形探头可与本发明设计的杆件系统自由装配，具有体积小，升温快，装卸简易等优点。基于此，本发明实现了对直径为微米量级的纤维单丝在高温环境下动态拉伸力学性能的测试。

本发明为了实现上述的发明目的，采用如下的技术方案：

一种高温下纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置，所述高温下纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置包括动态拉伸装置与温度控制装置；

所述动态拉伸装置包括电阻式应变片2、高压气室3、套筒式子弹4、法兰5、吸收器6、压电传感器7、组合夹头9、试样卡10和入射杆11；

所述动态拉伸装置沿X主轴方向为拉杆，包括压电传感器7、入射杆11、高压气室3、套筒式子弹4、法兰5和吸收器6；组合夹头9包括两部分，分别左夹头和右夹头；压电传感器7一端使用支座安装在平台上，另外一端连接组合夹头9的左夹头；入射杆11为贯穿高压气室3的贯穿杆，入射杆11的一端与组合夹头9的右夹头连接，另外一端与法兰5连接；在高压气室3与组合夹头9的右夹头之间的入射杆11上安装有电阻式应变片2；压电传感器7与法兰5、吸收器6以及入射杆11定位在同轴心高度；在高压气室3和法兰5之间的入射杆11上并且紧挨着高压气室设置有套筒式子弹4；法兰5安装在吸收器6上；吸收器6固定安装在平台上；

温度控制装置包括温度控制器1和半槽形加热探头8，加热探头8与温度控制器1相连，半槽形加热探头8在动态拉伸装置的组合夹头9外围。

入射杆11采用直径为2mm～6mm、长度为1000mm～1500mm的杆。

压电传感器7量程为-22N～+22N，测量精度为0.1mN，输出的电压、力转换关系为1V＝1N,响应时间为微秒量级。

组合夹头9的左夹头和右夹头可以分开，所述左夹头和所述右夹头中间夹持试样卡10；待测试的纤维置于试样卡10中央。

法兰5为圆柱形，外径为10mm～12mm。

套筒式子弹为内径与入射杆11直径一致、外径与高压气室3内壁直径一致、长度为150mm～250mm的中空圆管，无缝套于入射杆11上，并无缝紧贴高压气室3的内壁上。发射前，套筒式子弹4存在于高压气室3内部，充气完成后，套筒式子弹4发射出去，与法兰5相撞。

所述的吸收器6固定安装在平台上，与法兰5同轴心高度一致，内含弹性元件用以吸收能量。

实验温度通过温度控制器1设定，加热探头8内含温度传感器与加热电阻丝。

实验测试的纤维单丝的直径尺度为微米量级，压电传感器7直接采集纤维单丝上的受力信号。

套筒式子弹4由高压气室3充气并发射，释放撞击法兰5，法兰5与入射杆11相连将拉伸波反射，吸收器6在入射杆11末端用于吸收撞击产生的压缩波，避免了从法兰5右端反射的拉伸波对入射杆11的多次加载。

套筒式子弹4由高压气室3以一定的速度释放撞击法兰5，法兰5与入射杆11相连将拉伸波反射，吸收器6在入射杆11末端用于吸收撞击产生的压缩波。

组合夹头9由左夹头与右夹头组成。左夹头连接压电力传感器7，右夹头与入射杆11相连，中间夹持试样卡10，电阻式应变片2位于入射杆11上。

温度控制装置包括温度控制器1和半槽形加热探头8，加热探头8与温度控制器1用导线相连。实验温度通过温度控制器1设定，加热探头8内含温度传感器与加热电阻丝。加热探头8可以使用固定工具夹持在动态拉伸装置的样品夹9外围。

实验测试的纤维单丝的直径的尺度为微米量级。

具体工作原理如下：

在实验开始前需要完成样品的制备，待测试的纤维置于铝箔制作的试样卡10中央，纤维样品的标距l

实验时样品的环境温度由本发明设计的槽形温度控制箱1设定，加热探头8可固定在杆件系统上。设定实验温度后，杆件系统与样品共同加热至环境温度稳定后进行测试。

基于直接式霍普金森拉杆，本发明重新设计了动态拉伸杆件系统。由于测量的纤维直径一般为微米量级，纤维与杆之间的广义波阻抗有较大的差距，且透射波幅值过小，几乎被噪声覆盖。为了解决这个问题，本发明将透射杆替换成为精度高、响应速度快的压电传感器。高压气室3释放气压加速套筒式子弹4，子弹以速度v撞击法兰5后，拉伸波经法兰反射后沿着入射杆11向左传播至试样右端并对样品进行拉伸加载，入射杆11上的电阻式应变片2测得的电信号为U

本发明有如下优点：

(1)设计原理简单，易于实现；

(2)槽形加热头的设计有别于普通的加温箱，升温速率快，体积更小，装配简易，易拆卸，适用与多种纤维拉伸装置；

(3)使用压电传感器代替透射杆，测量精度高，干扰小。

下面通过实施例及其附图作进一步描述。

附图说明

图1为本发明设计的高温下纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置结构图；

图2为本发明半槽型加热探头的细节图与内部结构图。

图中：1-温度控制器；2-应变片；3-高压气室；4-套筒式子弹；5-法兰；6-吸收器；7-压电传感器；8-半槽形加热探头；9-组合夹头；10-试样卡；11-入射杆；12-热电阻；13-温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图1-2及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。

实施例1

图1为本发明的高温(常温～400℃)下纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置结构图。如图1所示，本发明提出的高温下纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置，包括温度控制器1、电阻式应变片2、高压气室3、套筒式子弹4、法兰5、吸收器6、压电传感器7、半槽形加热探头8、组合夹头9、试样卡10和入射杆11。

所述高温下纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置包括动态拉伸装置与温度控制装置。

所述动态拉伸装置包括电阻式应变片2、高压气室3、套筒式子弹4、法兰5、吸收器6、压电传感器7、组合夹头9、试样卡10和入射杆11。所述动态拉伸装置沿X主轴方向为拉杆，主要包括压电传感器7、入射杆11、高压气室3、套筒式子弹4、法兰5和吸收器6。入射杆11采用直径为6mm、长度1000mm的钢杆，压电传感器7(Kistler 9712B5，分辨率为0.1mN，量程为22N)。组合夹头9包括两部分，分别左夹头和右夹头，左夹头和右夹头可以分开，左夹头和右夹头上各有一个螺钉，拧紧螺钉可以夹紧试样卡。所述左夹头和所述右夹头中间夹持试样卡10；待测试的纤维置于铝箔制作的试样卡10中央，纤维样品的标距ls通过试样卡10的卡槽尺寸控制，试样两端使用耐高温环氧树脂进行粘接。实验开始前，我们将样品夹持到杆件的组合夹头9上，剪断试样卡10，保证在动态拉伸的过程中，样品纤维是唯一的受力物体。压电传感器7一端使用支座安装在平台上，另外一端连接组合夹头9的左夹头。入射杆11为贯穿高压气室3的贯穿杆，入射杆11的一端与组合夹头9的右夹头连接，另外一端与法兰5螺纹连接。在高压气室3与组合夹头9的右夹头之间的入射杆11上安装有电阻式应变片2。法兰5为圆盘形，外径为10mm,材质与入射杆相同，均为钢材。压电传感器7与法兰5、吸收器6以及入射杆11定位在同轴心高度。入射杆11贯穿高压气室3，在高压气室3和法兰5之间的入射杆11上并且紧挨着高压气室设置有套筒式子弹4，套筒式子弹(内径6mm、外径10mm、长度200mm材质与入射杆相同，均为钢材)圆管，套于入射杆11上。法兰5安装在吸收器6上。吸收器6(与入射杆11同心同轴，内含弹性元件)固定安装在平台上。

温度控制装置包括温度控制器1和半槽形加热探头8，加热探头8与温度控制器1用导线相连。实验温度通过温度控制器1设定，加热探头8内含温度传感器与加热电阻丝。加热探头8为半槽形加热探头，可以使用固定工具夹持在动态拉伸装置的组合夹头9外围。

本发明的所述动态拉伸力学性能测试装置为直径为6mm(是指入射杆的直径)的杆件系统，温度控制装置则由温度控制器1与半槽型加热探头8组成。

套筒式子弹4由高压气室3充气并发射，以一定的速度释放撞击法兰5，法兰5与入射杆11相连将拉伸波反射，吸收器6在入射杆11末端用于吸收撞击产生的压缩波，避免了从法兰5右端反射的拉伸波对入射杆11的多次加载。

组合夹头9为样品夹，组合夹头9中间夹持试样卡10，压电传感器7直接采集纤维单丝上的受力信号。半槽型加热探头8与温度控制器1相连，夹持在动态拉伸装置的组合夹头9外围，用于加热待测纤维样品。

图2为半槽型加热探头的细节图与内部结构图，加热探头内含热电阻12与温度传感器13，负责加热与实验温度的测量。

本发明的高温下纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置的使用过程如下：

在进行高温下纤维单丝动态拉伸力学性能测试时，在实验开始前首先完成样品的制备：将待测试的纤维置于铝箔制作的试样卡10中央，纤维样品的标距l

同时将半槽形加热探头8装载到杆件系统上，在温度控制器1上设定好实验温度。设定实验温度后，杆件系统(杆件系统指的是动态拉伸装置)与样品共同加热至实验温度稳定后进行测试。待温度稳定后释放高压气室3中的气体让套筒式子弹4高速撞击法兰5。子弹以速度v撞击法兰5后，拉伸波经法兰5反射后沿着入射杆11向左传播至试样右端并对纤维样品进行拉伸加载，入射杆11上的电阻式应变片2测得的电压信号为U

其中，纤维样品的实验温度由本发明设计的温度控制器1设定，半槽型加热探头8内含热电阻12与温度传感器13，在温度设定完成后，热电阻12通电开始加热，温度传感器13测得环境温度达到设定温度后温度控制箱1停止加热，当温度低于设定温度10摄氏度时，温度控制箱1重新开始加热。半槽型加热探头8可固定在动态拉伸力学性能测试装置的样品夹外围。

需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明独立权利要求及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的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。