一種纖維中溫縱向線膨脹係數測試裝置製造方法

2023-05-12 22:08:11

一種纖維中溫縱向線膨脹係數測試裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種纖維中溫縱向線膨脹係數測試裝置，溫度範圍為室溫～800℃。該測試裝置包括爐架、充氣管、電加熱爐、熱電偶、石英示差傳感器套件、石英示差傳感器套件支架、光柵數字位移傳感器探頭、光柵數字萬分表、控溫儀、惰性氣瓶，其技術核心為石英示差傳感器套件的設計及待測纖維樣品的連接方法。七可有效解決現有技術所存在的各主要技術問題和難點，並能顯著提高具有低膨脹係數特性的纖維類材料的縱向線膨脹係數測試精度。
【專利說明】一種纖維中溫縱向線膨脹係數測試裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於纖維中溫縱向線膨脹係數的測試裝置，該裝置同時適用於其它柔性類絲材，帶材等。本發明屬於纖維中高溫(室溫~800°C )熱物理性能檢測分析【技術領域】，目的是實現具有低線膨脹係數特性的纖維類材料中高溫縱向線膨脹係數的準確測試與評價。
【背景技術】
[0002]本發明首先基於碳纖維中高溫縱向線膨脹係數準確測試與評價的迫切需求，因為碳纖維兼有優良的高溫力學性能、熱物理性能和耐酸、鹼等特性，同時又具備紡織纖維柔軟可加工性，是一種十分重要的戰略基礎原材料。碳纖維的應用絕大部分是以樹脂、碳、陶瓷、金屬等複合形式存在，前者是對後者的某些性能進行改性，如提高復材的強度、韌性、高溫性能等。碳纖維與複合基材界面間的物理相容性對復材總體性能有至關重要的影響，而線膨脹係數是其中最重要的影響參量之一。此外，碳纖維的線膨脹係數大小一定程度上決定復材的線膨脹係數大小，如碳纖維增強樹脂基復材單向板，或以此為基礎並交替鋪以其它方向的多層板，一定溫度範圍內，復材沿纖維方向(縱向)其總體線膨脹係數的大小與碳纖維相當。因此，碳纖維的線膨脹係數及與溫度之間的關係的檢測分析不可缺少，需要建立相對應的檢測分析裝置。基於該測試需求，發明了一種用於纖維中溫縱向線膨脹係數的測試裝直。
[0003]碳纖維線膨脹係數檢測方法常見的有:直接法和間接法。直接法是藉助於一定的測量技術直接測量碳纖維受熱後的真實膨脹量；間接法就是由單向纖維增強複合材料的測量值通過物理計算模型推導出來。由於間接法不確定因素較多，儘量不採用。直接法中以下垂法應用較多，其最初由印度科學家首次提出，其測量原理如下圖2所示，即碳纖維兩端固定，中間固定一標示物W，室溫TO下記錄標示物的初始位置L0，當溫度改變(升溫或降溫)至Tl時，記錄標示物的位置LI，由此可計算得到纖維縱向線膨脹係數。該法看似簡單粗糙，但要實現準確測量尚有難度，主要表現在:首先碳纖維樣品因水平放置，Α、B兩端距離大，要實現Α、B兩端間溫度一致，難度大，並導致測試裝置更為複雜和成本大大提高；其次當溫度超過400°C，碳纖維易發生激烈氧化反應，600°C以上很快即被燒成灰，因此，在升溫過程中，需要在真空或惰性氣體保護下才能完成測試，由此將導致標示物W不穩，而且碳纖維受熱後先收縮，後膨脹，且無論是熱收縮，還是熱膨脹，標示物W的上下位移量均很微小(幾微米甚至更小)，雖可採用技術先進的測試儀器，但離不開目測對準，當標示物W不穩時，將導致較大的測試誤差，甚至測試結果嚴重偏離碳纖維本徵熱膨脹性能。此外，還存在標示物W本身的熱膨脹校準問題，標示物W的選材和其線膨脹係數標定值的準確性和代表性等對測試結果均可能產生嚴重影響。
[0004]成熟商用測試儀器中，有些TMA(Thermomechanic analysis熱機械分析)儀器，配有絲材、帶材和膜材類線膨脹係數下垂法測試套件。該類分析儀器用於低膨脹纖維類材料縱向線膨脹係數測試時，同樣存在如下技術問題:首先因採用差動變壓器原理測試樣品位移量，而差動變壓器易受實驗室現場環境電磁場影響，基準穩定性差，4h分析時間內零飄可達幾微米甚至更大。其次，樣品短(IOmm左右)，樣品夾具多採用線膨脹係數與碳纖維有數量級差異的金屬製作而成，致使碳纖維縱向線膨脹係數測試結果一般在1X10_6/°C?5X10_6/°C浮動，解析度大於1X10_6，超出碳纖維真實縱向線膨脹係數一個數量級(10_7量級)，甚至更多，重複性和準確性都不能保證。所以，該測試套件較適用於線膨脹係數較大的絲材、帶材和膜材，如有機膜、有機帶、銅鋁絲、銅鋁膜等。但對低膨脹纖維類材料縱向線膨脹係數測試不適用。

【發明內容】

[0005]本發明解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提供一種纖維中溫縱向線膨脹係數測試裝置，顯著提高低膨脹係數特性的纖維類材料的縱向線膨脹係數測試精度。
[0006]本發明的技術方案是:一種纖維中溫縱向線膨脹係數測試裝置，包括爐架、充氣管、電加熱爐、熱電偶、石英示差傳感器套件、石英示差傳感器套件支架、光柵數字位移傳感器探頭、光柵數字萬分表、控溫儀、惰性氣瓶；電加熱爐固定安裝在爐架上；充氣管的一端連接至充滿惰性氣體的惰性氣瓶，另一端穿過電加熱爐並放置於電加熱爐的爐管內；石英示差傳感器套件支架固定安裝在電加熱爐頂端，石英示差傳感器套件的一端固定安裝在石英示差傳感器套件支架上，另一端插入電加熱爐的爐管內；
[0007]所述石英示差傳感器套件包括石英外管、石英外管託套、石英外管壓套、光柵數字位移傳感器探頭固定支架、光柵數字位移傳感器探頭固定螺釘、光柵數字位移傳感器探頭套筒、光柵數字位移傳感器探頭套筒固定螺母、壓緊彈簧、壓緊螺釘、石英頂杆、壓緊銅管；石英外管一端截面處焊接有石英法蘭，另一端截面上挖有通孔；石英外管託套託住石英外管的石英法蘭，石英外管壓套與石英外管託套通過內外螺紋連接，並壓緊石英外管的石英法蘭；壓緊螺釘將光柵數字位移傳感器探頭固定支架固定於石英外管託套上；光柵數字位移傳感器探頭套筒固定於光柵數字位移傳感器探頭固定支架上，並與光柵數字位移傳感器探頭固定螺母通過內外螺紋連接；石英頂杆由粗、細兩節石英管焊接而成，粗端截面處焊有石英墊片，細端截面處挖有通孔，並將細端插入石英外管內；所述石英頂杆的長度大於石英外管的長度；壓緊彈簧一端抵在石英頂杆粗端的石英墊片上，另一端抵在光柵數字位移傳感器探頭套筒固定螺母上；待測纖維樣品兩端分別穿過石英頂杆細端截面處通孔和石英外管的截面處通孔，兩端打結後套入壓緊銅管內，並壓扁壓緊銅管；
[0008]熱電偶的一端插入電加熱爐爐管內並放置於待測纖維樣品旁用於測量纖維樣品的溫度，另一端連接至控溫儀，控溫儀顯示熱電偶測量得到的溫度並根據該溫度對電加熱爐進行溫度控制；光柵數字位移傳感器探頭插入光柵數字位移傳感器探頭套筒內，並與石英頂杆粗端截面處的石英墊片相連，另一端連接至光柵數字萬分表，根據光柵數字萬分表顯示的測量結果以及控溫儀顯示的溫度結果獲得縱向線膨脹係數。
[0009]所述的電加熱爐均溫區長度不小於100mm，均溫區內溫度浮動範圍小於2°C，溫度測控範圍室溫?800°C，控溫精度優於±1°C。
[0010]所述的石英示差傳感器套件中的石英外管與石英頂杆同軸，兩者配合間隙2?3mm ο
[0011]所述的石英外管託套、石英外管壓套、光柵數字位移傳感器探頭固定支架均採用低膨脹材料製成，包括低膨脹石墨、碳碳複合材料、因瓦合金。畫黃的內容放在【具體實施方式】中，作為使用這種材料的效果出現
[0012]所述石英外管另一端截面上挖有的通孔直徑為2?4mm ;石英頂杆細端截面上挖有的通孔直徑為2?4mm。
[0013]所述石英頂杆比石英外管的總長度長110?140mm。
[0014]本發明與現有技術相比的優點在於:
[0015](I)本發明採用石英示差傳感器套件，該套件為垂直結構，水平方向距離短，溫度均勻性容易實現，可簡化測試裝置的結構和降低成本；其次，該石英示差傳感器套件結構穩固，樣品膨脹位移量通過機械配合準確傳遞給光柵數字位移傳感器探頭，無圖2所示的標示物W，不需要目測對準，不存在標示物W不穩的問題；再次，纖維樣品只和石英外管和石英頂杆直接配合，而石英玻璃的線膨脹係數小，數值穩定，不同分析方法所獲得的標定值差異小，且該套件中石英外管託套、石英外管壓套、光柵數字位移傳感器探頭固定支架均採用低膨脹係數材料製成，纖維樣品長(80?100mm)等，均可有效解決圖2所示的標示物W的選材和其線膨脹係數標定值問題，及圖3樣品短的問題(8?10倍)，對低低膨脹係數的纖維材料樣品的準確測試非常重要。
[0016](2)採用光柵數字位移傳感器探頭及與之配套的光柵數字萬分表，其位移解析度高，達到0.05 μ m,尤為重要的是，它採用光柵差分原理，基本不受實驗室現場環境電磁場影響，抗電磁幹擾能力強，基準穩定性好，4h分析時間內零飄不大於0.5 μ m。顯著改善了 TMA分析儀器因採用差動變壓器原理所出現的各問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發明裝置組成示意圖；
[0018]其中1:爐架；2:充氣管；3:電加熱爐；4:測控溫熱電偶；5:石英示差傳感器套件；6:石英示差傳感器套件支架；7:光柵數字位移傳感器探頭；8:光柵數字萬分表；9:控溫儀；10:惰性氣瓶。
[0019]圖2為下垂法的測量原理圖。
[0020]圖3為石英示差傳感器套件結構示意圖。
[0021]其中11:石英外管；12:石英外管託套；13:石英外管壓套；14:光柵數字位移傳感器探頭固定支架；15:光柵數字位移傳感器探頭固定螺釘；16:光柵數字位移傳感器探頭套筒；17:光柵數字位移傳感器探頭固定螺母；18:壓緊彈簧；19:壓緊螺釘；20:石英頂杆；21:待測纖維樣品；22:壓緊銅管。
[0022]圖4為纖維兩端連接方法。
【具體實施方式】
[0023]圖1為本發明裝置組成示意圖。其中爐架1、充氣管2、電加熱爐3、熱電偶4及控溫儀9均為現有裝置，滿足可充惰性保護氣、電加熱爐3均溫區長度不小於100mm、均溫區內溫度浮動範圍小於2°C、溫度測控範圍為室溫?800°C、且控溫精度優於±1°C要求即可。
[0024]圖3為本發明石英示差傳感器套件5結構示意圖。其中石英外管11和石英頂杆20均採用同材質的高純石英玻璃,微成份含量不大於50ppm。石英外管託套12和石英外管壓套13採用粗顆粒的模壓石墨，其室溫~100°C的線膨脹係數小於1.0X10_6/°C，光柵數字位移傳感器探頭固定支架14採用4J32因瓦鋼，其室溫~100°C的線膨脹係數小於
0.8Χ10-6/。。。
[0025]圖4為待測纖維樣品21的連接方法。將長度600mm左右的一束(I~12K)待測纖維樣品21的一端從石英頂杆20截面通孔處由右至左穿過，再穿過石英外管11左側截面通孔，返回後從左至右再次穿過石英頂杆20截面通孔，待測纖維樣品21的另一端穿過石英外管11右側截面通孔，穿完後的兩端組成待測纖維樣品21的待連接兩端。在此基礎上，於石英頂杆20粗端石英墊片和光柵數字位移傳感器探頭套筒16之間放置好壓緊彈簧18，同時拉直待測纖維樣品21的待連接兩端，並使壓緊彈簧18為受力狀態，將此兩端打死結扣，
並在緊挨死結扣外側套上內徑為φ2 ~ 3mm,壁厚為0.5~Imm,高度為3~5mm的壓緊
銅管22，用電工接線端子壓接鉗壓扁壓緊銅管22，防止待測纖維樣品21的死結扣鬆動，並在死結扣處浸入銀糊，以防止死結扣在測試過程中微滑移。
[0026]所述的光柵數字位移傳感器探頭7與光柵數字萬分表8組成的位移測量儀器，解析度為0.05 μ m，抗電磁幹擾能力強，4h內零飄不大於0.5 μ m。
[0027]當待測纖維樣品21依據圖4所示安裝固定完後，將圖4所示的石英示差傳感器套件5插入圖1所示的電加熱爐3的爐管內，往電加熱爐3的爐管內充入惰性保護氣，將光柵數字位移傳感器探頭7垂直插入光柵數字位移傳感器探頭套筒16內，並與石英頂杆20頂部石英墊片接觸，擰緊光柵數字位移傳感器探頭固定螺釘17。開啟電加熱爐3、控溫儀9和光柵數字萬分表8電源 ，預熱15min，讀取控溫儀9顯示溫度TC、光柵數字萬分表8顯示位移值L0，啟動測控溫程序，在升溫過程中隨時可讀取控溫儀9顯示溫度Tl、光柵數字萬分表8顯示位移值LI，直至試驗結束。緊臨壓緊銅管22內側，剪開待測纖維樣品21，測量其總長度Ls，則纖維TO~Tl間的縱向線膨脹係數可採用下述公式計算:
【權利要求】
1.一種纖維中溫縱向線膨脹係數測試裝置，其特徵在於:包括爐架(1)、充氣管(2)、電加熱爐(3)、熱電偶(4)、石英示差傳感器套件(5)、石英示差傳感器套件支架(6)、光柵數字位移傳感器探頭(7)、光柵數字萬分表(8)、控溫儀(9)、惰性氣瓶(10);電加熱爐(3)固定安裝在爐架(1)上；充氣管(2)的一端連接至充滿惰性氣體的惰性氣瓶(10)，另一端穿過電加熱爐(3)並放置於電加熱爐(3)的爐管內；石英示差傳感器套件支架(6)固定安裝在電加熱爐(3)頂端，石英示差傳感器套件(5)的一端固定安裝在石英示差傳感器套件支架(6)上，另一端插入電加熱爐(3)的爐管內； 所述石英示差傳感器套件(5)包括石英外管(11)、石英外管託套(12)、石英外管壓套(13)、光柵數字位移傳感器探頭固定支架(14)、光柵數字位移傳感器探頭固定螺釘(15)、光柵數字位移傳感器探頭套筒(16)、光柵數字位移傳感器探頭套筒固定螺母(17)、壓緊彈簧(18)、壓緊螺釘(19)、石英頂杆(20)、壓緊銅管(22);石英外管(11) 一端截面處焊接有石英法蘭，另一端截面上挖有通孔；石英外管託套(12)託住石英外管(11)的石英法蘭，石英外管壓套(13)與石英外管託套(12)通過內外螺紋連接，並壓緊石英外管(11)的石英法蘭；壓緊螺釘(19)將光柵數字位移傳感器探頭固定支架(14)固定於石英外管託套(12)上；光柵數字位移傳感器探頭套筒(16)固定於光柵數字位移傳感器探頭固定支架(14)上，並與光柵數字位移傳感器探頭固定螺母(17)通過內外螺紋連接；石英頂杆(20)由粗、細兩節石英管焊接而成，粗端截面處焊有石英墊片，細端截面處挖有通孔，並將細端插入石英外管(11)內；所述石英頂杆(20)的長度大於石英外管(11)的長度；壓緊彈簧(18) —端抵在石英頂杆(20)粗端的石英墊片上，另一端抵在光柵數字位移傳感器探頭套筒固定螺母(17)上；待測纖維樣品(21)兩端分別穿過石英頂杆(20)細端截面處通孔和石英外管(11)的截面處通孔，兩端打結後套入壓緊銅管(22)內，並壓扁壓緊銅管(22)； 熱電偶(4)的一端插入電加熱爐(3)爐管內並放置於待測纖維樣品(21)旁用於測量纖維樣品的溫度，另一端連接至控溫儀(9)，控溫儀(9)顯示熱電偶(4)測量得到的溫度並根據該溫度對電加熱爐(3)進行溫度控制；光柵數字位移傳感器探頭(7)插入光柵數字位移傳感器探頭套筒(16)內，並與石英頂杆(20)粗端截面處的石英墊片相連，另一端連接至光柵數字萬分表(8)，根據光柵數字萬分表(8)顯示的測量結果以及控溫儀(9)顯示的溫度結果獲得縱向線膨脹係數。
2.根據權利要求1所述的一種纖維中溫縱向線膨脹係數測試裝置，其特徵在於:所述的電加熱爐(3)均溫區長度不小於100mm，均溫區內溫度浮動範圍小於2°C，溫度測控範圍室溫~800°C，控溫精度優於± 1°C。
3.根據權利要求1所述的一種纖維中溫縱向線膨脹係數測試裝置，其特徵在於:所述的石英示差傳感器套件(5)中的石英外管(11)與石英頂杆(20)同軸，兩者配合間隙2~3mm ο
4.根據權利要求1所述的一種纖維中溫縱向線膨脹係數測試裝置，其特徵在於:所述的石英外管託套(12)、石英外管壓套(13)、光柵數字位移傳感器探頭固定支架(14)均採用低膨脹材料製成，包括低膨脹石墨、碳碳複合材料、因瓦合金。畫黃的內容放在【具體實施方式】中，作為使用這種材料的效果出現。
5.根據權利要求1所述的一種纖維中溫縱向線膨脹係數測試裝置，其特徵在於:所述石英外管(11)另一端截面上挖有的通孔直徑為2~4mm ;石英頂杆(20)細端截面上挖有的通孔直徑為2~4mm。
6.根據權利要求1 所述的一種纖維中溫縱向線膨脹係數測試裝置，其特徵在於:所述石英頂杆(20)比石英外管(11)的總長度長110~140mm。
【文檔編號】G01N25/16GK103983658SQ201410217002
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月21日 優先權日:2014年5月21日
【發明者】何鳳梅, 陳聰慧, 楊景興, 李琦, 楊雲華 申請人:航天材料及工藝研究所, 中國運載火箭技術研究院