一種精確測量高模量單絲纖維模量的方法
2023-09-10 02:52:40
一種精確測量高模量單絲纖維模量的方法
【專利摘要】本發明提供了一種精確測量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，利用雷射光源強度高、雜波極少的高度穩定性，以光束直線傳播原理，獲得纖維拉伸過程中遮擋標記產生的光束缺口的位移變化量，進行模量的計算，本發明原理簡單易操作，操作時佐以CMOS攝像機輔助定位，測量位移數據精度高，數據後處理方便快捷，能實現高模量小應變的單絲纖維的楊氏模量簡單快速高精度的測量。
【專利說明】一種精確測量高模量單絲纖維模量的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於測量【技術領域】，尤其涉及一種精確測量高模量單絲纖維楊氏模量的方 法。
【背景技術】
[0002] 目前針對高模量單絲纖維楊氏模量的國內外標準測量方法有ASTMC1557-03， GJB1871-1994等，這些測試方法比較相似，均是將單根纖維粘結在試樣卡上，以設定的夾持 長度及拉伸速度在等速伸長型試驗機上拉至斷裂，然後根據儀器記錄的負荷伸長曲線及測 得的平均截面積計算拉伸強度及拉伸彈性模量。然而由於儀器記錄的伸長包含了測試系統 的變形量以及受到粘結膠位置及其效果等其他因素的影響，其值需要進行校正，校正過程 比較繁瑣，精確性受到很大的影響。尤其是對伸長較小的脆性高模量纖維而言，精確測量纖 維拉伸過程中的實際伸長量成為準確表徵纖維模量的最關鍵也是非常困難的一環。採用光 電引伸計對拉伸過程進行連續追蹤是用的較多的一類方法，例如馮祖德（CN101251455B)發 明的一種試驗機單纖維夾具與拉伸強度測量方法中，應用光電引伸計追蹤脆性陶瓷單纖維 的應變，然而由於追蹤的是夾持紙框邊距，易將紙框與纖維之間粘膠的影響引入誤差。雷振 坤等在纖維上塗上對比強烈的標記而進行標記點變形測量，利用單鏡頭(XD記錄拉伸變形 前後的數字圖像，對其進行相關運算，得到位移以用於模量的計算。但其產生的圖像或者光 信號需要藉助很苛刻的光照環境和複雜的算法來完成轉換計算，而且對於跨距長而應變小 的細絲纖維，精確性明顯下降，受環境因素和人為操作影響大。也有利用雷射幹涉技術，或 雷射三角反射法測量樣品變形，然而由於需要夾持雷射發射器及反光器件，樣品負擔較重， 未見應用於脆性單絲纖維的模量測量。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在於提供一種精確測量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，旨在解決 現在對於低應變率高模量纖維材料在模量測量中的出現的種種弊端。
[0004] 本發明是這樣實現的，一種精確測量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，包括以下 步驟：
[0005] ( 1)將單根纖維置於試樣卡上，用粘結劑將纖維兩端固定，待粘結劑固化後，將試 樣卡裝入單絲拉伸實驗機；
[0006] (2)在纖維上粘結兩個垂直於所述纖維長度方向的標記，兩個標記位於兩端粘結 劑之間；
[0007] (3)在單絲拉伸實驗機的拉伸儀夾持器一側放置LED發射器，另一側放置HL-CXD 接收器以及與所述HL-CXD接收器整合的CMOS監控攝像機，雷射光幕平行穿過試樣卡，標記 遮擋的光束缺口通過HL-C⑶接收器和CMOS攝像機的光信號轉換成數位訊號，數位訊號與 電腦相連接，實時讀取並保存位移變化數據；
[0008] (4)沿試樣卡標記位置剪斷試樣卡，開動拉伸儀夾持器，上夾具靜止，下夾具按指 定拉伸速度向下移動拉伸試樣卡；
[0009] (5)記錄拉伸力值及兩個標記之間距離變化量，除以標記間原長，得到對應的應 變，由拉伸力值與纖維的截面積計算得到纖維受到的應力，拉伸斷裂後，根據獲得的應力應 變曲線擬合求出纖維的模量E值。
[0010] 優選地，所述纖維直徑為5?30 μ m。
[0011] 優選地，所述纖維為脆性單絲。
[0012] 優選地，在步驟（1)中，所述單根纖維為按照標準制樣方法從束絲隨機抽取得到。
[0013] 優選地，在步驟（1)中，所述試樣卡為方形紙卡，且所述試樣卡兩相對端設為供單 絲拉伸實驗機夾持的夾持區，所述單根纖維置於兩夾持區之間。
[0014] 優選地，在步驟（1)中，所述單根纖維經粘結劑固定後，兩端粘結劑之間的纖維長 度為不小於l〇mm ;
[0015] 優選地，在步驟（2)中，所述兩個標記在位於同一平面，且所述兩個標記均與步驟 (3)中的雷射光幕垂直。
[0016] 優選地，在步驟（3)中，所述LED發射器為高強度GaN綠色LED發射器。
[0017] 本發明克服現有技術的缺點與不足，提供了一種精確測量高模量單絲纖維楊氏 模量的方法，通過將單根纖維置於試樣卡上，用粘結劑將纖維兩端固定，待粘結劑固化後， 將試樣卡裝入單絲拉伸實驗機；在纖維上粘結兩個垂直於所述纖維長度方向且長度超過 0. 3_的標記，兩個標記位於兩端粘結劑之間；在試樣卡的一側放置LED發射器，另一側放 置HL-C⑶接收器以及與所述HL-CXD接收器整合的CMOS監控攝像機，雷射光幕平行穿過試 樣卡，標記遮束擋的光缺口通過HL-C⑶接收器和CMOS攝像機的光信號轉換成數位訊號，數 字信號與電腦相連接，實時讀取並保存位移變化數據；沿試樣卡上標記位置剪斷試樣卡，開 動拉伸儀，上夾具靜止，下夾具按指定拉伸速度向下移動拉伸試樣，纖維上所粘標記隨纖維 的伸長而下降；記錄拉伸力值及兩個標記之間距離變化量AL，除以標記間原長L，可以得 到對應的應變ε。由拉伸力值ΛΡ與纖維的截面積A計算得到纖維受到的應力 〇。拉伸 斷裂後，可以根據獲得的應力應變曲線擬合求出纖維的模量Ε值。
[0018] 其中，模量Ε值的計算公式為：
[0019]
【權利要求】
1. 一種精確測量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，其特徵在於包括以下步驟： (1) 將單根纖維置於試樣卡上，用粘結劑將纖維兩端固定，待粘結劑固化後，將試樣卡 裝入單絲拉伸實驗機； (2) 在纖維上粘結兩個垂直於所述纖維長度方向的標記，兩個標記位於兩端粘結劑之 間； (3) 在單絲拉伸實驗機的拉伸儀夾持器一側放置LED發射器，另一側放置HL-C⑶接收 器以及與所述HL-CCD接收器整合的CMOS監控攝像機，雷射光幕平行穿過試樣卡，標記遮擋 的光束缺口通過HL-CCD接收器和CMOS攝像機的光信號轉換成數位訊號，數位訊號與電腦 相連接，實時讀取並保存位移變化數據； (4) 沿試樣卡標記位置剪斷試樣卡，開動拉伸儀夾持器，上夾具靜止，下夾具按指定拉 伸速度向下移動拉伸試樣卡； (5) 記錄拉伸力值及兩個標記之間距離變化量，除以標記間原長，得到對應的應變，由 拉伸力值與纖維的截面積計算得到纖維受到的應力，拉伸斷裂後，根據獲得的應力應變曲 線擬合求出纖維的模量E值。
2. 如權利要求1所述的精確測量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，其特徵在於，所述 纖維直徑為5?30 μ m。
3. 如權利要求1所述的精確測量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，其特徵在於，所述 纖維為脆性單絲。
4. 如權利要求1所述的精確測量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，其特徵在於，在步 驟（1)中，所述單根纖維為按照標準制樣方法從束絲隨機抽取得到。
5. 如權利要求2所述的精確測量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，其特徵在於，在步 驟（1)中，所述試樣卡為方形紙卡，且所述試樣卡兩相對端設為供單絲拉伸實驗機夾持的夾 持區，所述單根纖維置於兩夾持區之間。
6. 如權利要求3所述的精確測量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，其特徵在於，在步 驟（1)中，所述單根纖維經粘結劑固定後，兩端粘結劑之間的纖維長度為不小於l〇mm。
7. 如權利要求1所述的精確測量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，其特徵在於，在步 驟（2)中，所述兩個標記在位於同一平面，且所述兩個標記均與步驟（3)中的雷射光幕垂 直。
8. 如權利要求1所述的精確測量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，其特徵在於，在步 驟（3 )中，所述LED發射器為高強度GaN綠色LED發射器。
【文檔編號】G01N3/08GK104062178SQ201410130848
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年4月2日 優先權日:2014年4月2日
【發明者】歐陽婷, 費又慶, 寧曉魏, 楊希迎 申請人:湖南大學