一種測試纖維材料彈性模量與強度的方法和裝置的製作方法

2023-10-17 12:22:14 1

專利名稱：一種測試纖維材料彈性模量與強度的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於材料性能測試領域，具體涉及到一種測試纖維材料彈性模量和強度的方法及裝置。
背景技術：
纖維或者細絲的彈性模量和強度是其基本的力學性能，在航天航空、電子信息、生物醫用材料等領域實際應用中需要考慮其彈性模量和強度問題以達到結構設計的目的。彈性模量是反映材料抵抗外界作用力而引起變形的能力，是材料的基本力學性能之一。對於常規固體材料，目前常用的測量方法有應力應變法、彎曲法、聲共振法和超聲波法等。應力-應變法通常需要在纖維上安裝應變片，然後對纖維施加一定的載荷，通過獲得的應力-應變曲線計算出材料的彈性模量。彎曲法是通過測量試樣在一定載荷作用下的彎曲撓度和纖維尺寸計算材料的彈性模量。聲共振法都是利用聲波在材料中傳播的阻尼特性而計算得到彈性模量。超聲波法可由纖維密度，超聲波在纖維中的傳播速度及纖維泊松比計算出彈性模量。強度是材料在斷裂失效過程中的最大應力，在斷裂力學中具有舉足輕重的作用， 對於常規材料，測量其強度的方法有拉伸法、三點和四點彎曲法。拉伸法是以一定的載荷速率對纖維施加拉伸載荷之至纖維斷裂，根據斷裂時的臨界載荷和纖維截面積等計算出材料的拉伸強度。彎曲法利用特定的三點彎曲和四點彎曲夾具對纖維施加一個彎曲載荷直至纖維斷裂，根據斷裂時的臨界載荷和纖維及夾具的尺寸計算出材料的彎曲強度。雖然測試常規固體材料的彈性模量和強度有很多種方法，但是對於纖維或細絲的彈性模量和強度的測試幾乎是空白，至今也沒有任何國家標準或行業標準可依。由於金屬細絲或者纖維非常細小，且承受的載荷較小，且易變形，動態法測試所產生的激勵儀器沒有反應，造成測試困難，常規的萬能試驗機載荷解析度達不到，伸長量也難以測試。

發明內容
本發明的目的是提供一種測試幾個微米到幾十個微米的纖維或者細絲彈性模量和強度的方法及裝置。本發明提供的測試纖維材料彈性模量和強度的裝置，包括加載控制系統、支撐架、 夾具、電子天平、顯微鏡控制系統及纖維固定系統等部分，所述加載控制系統裝於支撐架上部且具有一可上下位移的壓頭，所述電子天平置於支撐架的下部，所述夾具置於電子天平上，所述纖維固定系統固定一伸直的待測纖維並安裝於夾具中，且加載控制系統的壓頭向下位移中正對滑塊上端弧形頂部，使得待測纖維伸長，所述顯微鏡控制系統中的顯微鏡鏡筒正對該待測纖維。其中所述夾具包括一底座和可在該底座中上下滑動的一滑塊，加載控制系統的壓頭正對該滑塊上端；所述底座上端固定安裝有兩個上直角梯形板，兩個上直角梯形板之間形成一上卡槽；所述滑塊下端固定安裝有兩個下直角梯形板，兩個下直角梯形板之間形成一下CN 102539233 A
卡槽；所述纖維固定系統設兩與卡槽形狀匹配的卡塊，待測纖維固定在兩卡塊中間，兩卡塊分別安裝在夾具的上卡槽和下卡槽中。所述底座內表面貼覆有參考坐標網格，滑塊上開設一個矩形觀測孔，待測纖維上下貼上纖維標記條且使其位於該觀測孔的矩形區域中，所述顯微鏡鏡筒正對該區域。所述底座上端和滑塊下端分別固定安裝兩個直角梯形板，使其中間形成三角形卡槽；對應的纖維固定系統的卡塊也為三角形。所述加載控制系統還包括電腦、導線、加載控制箱，其中電腦用於控制加載控制箱的加卸載及相應的載荷速率，電腦與加載控制箱之間用導線連接，導線用於將電腦的指令傳送給加載控制箱，以控制加載控制箱下面的平底壓頭上下位移而用於給位於該壓頭下方的夾具施加一定載荷。所述支撐架包括底託、固定在底託上的兩根支柱、和固定連接在支柱之間的懸梁； 所述電子天平水平放置在底託上，所述加載控制箱固定安裝在懸梁上。所述顯微鏡控制系統包括可調顯微鏡鏡筒、顯微鏡主機和信號線，可調顯微鏡鏡筒與顯微鏡主機之間由光學信號線連接，可調顯微鏡鏡筒用於觀測纖維施加一定載荷前後的位移變化，光學信號線將光學數據傳輸到顯微鏡主機上，顯微鏡主機實現圖像的顯示及測量。本發明提供的測試纖維材料彈性模量和強度的方法，利用之前所述裝置，用所述加載控制系統施加壓縮載荷，用所述夾具變壓縮載荷為纖維的拉伸載荷，用所述電子天平測量滑塊的質量及不同載荷下夾具的質量，用顯微鏡控制系統測量施加載荷前後纖維伸長量，並按下式計算纖維材料彈性模量和強度彈性模量E的計算
F/E = ^fi-⑴
GL/
/L其中，F為壓縮載荷即纖維的拉力增量，S為纖維的截面積，L為纖維標記的初始長度，dL為纖維的伸長量；拉伸強度ο的計算其中，F。為纖維斷裂時的臨界載荷。具體的，當滑塊未固定在壓頭上時，操作步驟包括(1)用高倍顯微鏡測量纖維的橫截面尺寸，計算纖維橫截面面積S ；(2)稱量夾具中固定安裝有下直角梯形板和開設有觀測孔的滑塊的質量Hitl ；(3)夾具的底座內壁面上粘上一網格作為參考坐標；(4)在纖維上粘上兩標記條，然後將纖維兩端用502膠粘在兩卡塊上；(5)將兩端粘結好的纖維放在夾具的豎直方向的上下兩個卡槽中，並將滑塊放在夾具的底座內，滑塊的自重使得纖維在豎直方向受到初始載荷而繃直；(6)將電子天平放在支撐架內底部，支撐架上端安裝上可調速率的加載控制箱；(7)將固定好纖維的夾具放在電子天平上，將電子天平的讀數歸零；
(8)在夾具觀測孔前端，將顯微鏡鏡筒安裝一個上下左右前後六個方向可調的支架上，利用顯微鏡主機測量纖維上兩標記條分別與最近網格坐標之間的距離Cl1和d2，根據每個網格之間的距離和Cl1和d2的距離計算出兩標記條之間的距離L ；(9)在纖維線彈性範圍內，利用加載控制箱以一定載荷速率加載到一定載荷F，待電子天平的讀數穩定了，再利用顯微鏡主機測量纖維上兩標記條分別與步驟(8)中網格坐標之間的距離(13和d4，計算出纖維在該載荷下的絕對伸長量dL;根據算式(1)計算纖維材料的彈性模量E ；(10)載荷卸載後，改變施加載荷F，再次測量絕對伸長量dL並根據算式⑴計算纖維材料的彈性模量E ；至少做5組數據取平均值作為彈性模量E的測試數據；(11)用加載控制箱向下進一步施加載荷直至纖維斷裂，記錄斷裂時的電子天平的讀數m，計算臨界載荷F。= (m+m0) g ；(12)根據算式(2)計算纖維的拉伸強度ο。當滑塊固定在壓頭上時，操作步驟包括(1)用高倍顯微鏡測量纖維的橫截面尺寸，計算纖維橫截面面積S ；(2)夾具的底座內壁面上粘上一網格作為參考坐標；(3)在纖維上粘上兩標記條，然後將纖維兩端用502膠粘在兩卡塊上；(4)將電子天平放在支撐架內底部，支撐架上端安裝上可調速率的加載控制箱；(5)將滑塊用一個螺栓將其固定在加載控制箱下的壓頭上；(6)將底座放在電子天平上，調整底座的位置使上下卡槽在豎直方向對齊，隨後將電子天平的讀數歸零；(7)控制加載控制箱以微小的加載速率使滑塊緩慢移動至兩卡塊豎直放置在上下兩個卡槽之間，然後再以微小的加載速率讓滑塊緩慢向下運動使得纖維繃直，記錄此時電子天平的讀數為Hl1,隨即再將電子天平的讀數歸零；(8)在夾具觀測孔前端，將顯微鏡鏡筒安裝一個上下左右前後六個方向可調的支架上，利用顯微鏡主機測量纖維上兩標記條分別與最近網格坐標之間的距離Cl1和d2，根據每個網格之間的距離和Cl1和d2的距離計算出兩標記條之間的距離L ；(9)在纖維線彈性範圍內，利用加載控制箱以一定載荷速率加載到一定載荷F，待電子天平的讀數穩定了，再利用顯微鏡主機測量纖維上兩標記條分別與步驟(8)中網格坐標之間的距離(13和d4，計算出纖維在該載荷下的絕對伸長量dL;根據算式(1)計算纖維材料的彈性模量E ；(10)載荷卸載後，改變施加載荷F，再次測量絕對伸長量dL並根據算式(1)計算纖維材料的彈性模量E ；至少做5組數據取平均值作為彈性模量E的測試數據；(11)用加載控制箱向下進一步施加載荷直至纖維斷裂，記錄斷裂時的電子天平的讀數m，計算臨界載荷Fc = (m+mi) g ；(12)根據算式(2)計算纖維的拉伸強度ο。在本發明中，提出將壓縮載荷轉化為纖維拉伸載荷的方法來測試幾個微米到幾十個微米纖維的彈性模量及強度，利用應力增量應變增量關係來計算纖維的彈性模量，根據纖維斷裂時的臨界載荷來計算纖維的拉伸強度。本發明的夾具設計特殊，可實現將壓縮載荷轉化為纖維的拉伸載荷，配備數據採集及處理系統後，可實現自動計算纖維的彈性模量和強度，使得測試過程簡單化，智能化。本發明的優點有1.解決纖維彈性模量難測試問題。小尺寸的纖維或者細絲的彈性模量因為力和變形都較小，一般的設備沒法滿足實驗精度的要求。本發明設計一種特殊的夾具，通過應力增量-應變增量關係來求得纖維的彈性模量。2.設計了一種特殊的夾具。通過利用精密加載裝置施加壓縮載荷來轉化為纖維的拉伸載荷的一種夾具。3.伸長量的精密測量方法。利用精密顯微鏡，通過測量施加一定載荷前後纖維標記條與參考坐標之間的相對位移的變化來確定伸長量。4.載荷精密測量方法。利用精密電子天平測量重量的方法來轉化為纖維所承受的載荷。5.加入數據採集及處理系統，可實現智能化。如果將精密顯微鏡的測量數據和電子天平的載荷數據傳輸到的計算機系統，以及加入編好的軟體系統可以實現自動計算出纖維的彈性模量和強度。


圖1本發明纖維彈性模量及強度測量裝置示意圖。圖2本發明中利用夾具將壓縮載荷轉化為纖維的拉伸載荷的原理圖(側視圖)。圖3本發明中夾具斜視圖。圖4本發明中夾具的三視圖。圖5本發明中固定安裝有直角梯形板和貼有參考坐標的底座結構的三視圖。圖6本發明中固定安裝有直角梯形板和開設有觀測孔的滑塊結構的三視圖。圖7在本發明纖維彈性模量及強度測量中纖維固定示意圖。圖8本發明中纖維在施加一定載荷後纖維伸長量測量示意圖。圖9利用本發明對鉬銀絲測量的應力增量-應變增量數據擬合圖。
具體實施例方式本發明提供了一種將壓縮載荷轉化為纖維拉伸載荷來測試幾個微米到幾十個微米纖維的彈性模量及強度的方法及裝置。本發明中，由改造的精密電子天平測量載荷大小，設計一種將壓縮載荷轉化為纖維拉伸載荷的夾具，利用加載控制箱以一定載荷速率施加壓力使纖維在線彈性範圍內發生拉伸變形，利用精密顯微鏡觀測纖維的兩點之間的變形量，根據應力增量應變增量關係計算出纖維的彈性模量，當施加載荷進一步增加，直至纖維斷裂，根據斷裂時的臨界載荷和纖維尺寸可計算出纖維的拉伸強度。彈性模量由應力增量-應變增量關係測試，為了解決載荷精密測量的問題，設計一種變壓縮載荷為纖維受拉伸載荷的夾具，用精密電子天平測量載荷，同時纖維上面還承受單向拉伸應力，纖維取中間一段長度為L，在該段長度的兩端粘上一小截細絲作為標記， 用高精度三維顯微鏡測量施加一定載荷下L的伸長量(測量施加一定載荷前後纖維標記條與參考坐標之間的相對位移的變化)，然後按照彈性模量的定義來測試其彈性模量。當拉伸
8載荷進一步增加，直到纖維或細絲斷裂，根據斷裂的臨界載荷和截面積可以計算出其拉伸強度。彈性模量由其定義求得。即纖維在其線彈性範圍內，應力的增量除以相應應變的
增量，例如先給一個初始載荷使得纖維繃直，對這纖維施加一個拉力增量F，這個拉力增
量除以纖維的截面積S，為應力增量，纖維在力F下的長度由L增加到了 L+dL，dL除以L為
相應的應變增量。則彈性模量可表示為
權利要求
1.一種測試纖維材料彈性模量和強度的裝置，其特徵在於包括加載控制系統、支撐架、夾具、電子天平、顯微鏡控制系統及纖維固定系統等部分，所述加載控制系統裝於支撐架上部且具有一可上下位移的壓頭，所述電子天平置於支撐架的下部，所述夾具置於電子天平上，所述纖維固定系統固定一伸直的待測纖維並安裝於夾具中，且加載控制系統的壓頭向下位移中正對滑塊上端弧形頂部，使得待測纖維伸長，所述顯微鏡控制系統中的顯微鏡鏡筒正對該待測纖維。
2.根據權利要求1所述測試纖維材料彈性模量和強度的裝置，其特徵在於所述夾具包括一底座和可在該底座中上下滑動的一滑塊，加載控制系統的壓頭正對該滑塊上端；所述底座上端固定安裝有兩個上直角梯形板，兩個上直角梯形板之間形成一上卡槽；所述滑塊下端固定安裝有兩個下直角梯形板，兩個下直角梯形板之間形成一下卡槽；所述纖維固定系統設兩與卡槽形狀匹配的卡塊，待測纖維固定在兩卡塊中間，兩卡塊分別安裝在夾具的上卡槽和下卡槽中。
3.根據權利要求2所述測試纖維材料彈性模量和強度的裝置，其特徵在於所述底座內表面貼覆有參考坐標網格，滑塊上開設一個矩形觀測孔，待測纖維上下貼上纖維標記條且使其位於該觀測孔的矩形區域中，所述顯微鏡鏡筒正對該區域。
4.根據權利要求2所述測試纖維材料彈性模量和強度的裝置，其特徵在於所述底座上端和滑塊下端分別固定安裝兩個直角梯形板，使其中間形成三角形卡槽；對應的纖維固定系統的卡塊也為三角形。
5.根據權利要求1至4任一所述測試纖維材料彈性模量和強度的裝置，其特徵在於 所述加載控制系統還包括電腦、導線、加載控制箱，其中電腦用於控制加載控制箱的加卸載及相應的載荷速率，電腦與加載控制箱之間用導線連接，導線用於將電腦的指令傳送給加載控制箱，以控制加載控制箱下面的平底壓頭上下位移而用於給位於該壓頭下方的夾具施加一定載荷。
6.根據權利要求5所述測試纖維材料彈性模量和強度的裝置，其特徵在於所述支撐架包括底託、固定在底託上的兩根支柱、和固定連接在支柱之間的懸梁；所述電子天平水平放置在底託上，所述加載控制箱固定安裝在懸梁上。
7.根據權利要求1至4任一所述測試纖維材料彈性模量和強度的裝置，其特徵在於 所述顯微鏡控制系統包括可調顯微鏡鏡筒、顯微鏡主機和信號線，可調顯微鏡鏡筒與顯微鏡主機之間由光學信號線連接，可調顯微鏡鏡筒用於觀測纖維施加一定載荷前後的位移變化，光學信號線將光學數據傳輸到顯微鏡主機上，顯微鏡主機實現圖像的顯示及測量。
8.—種測試纖維材料彈性模量和強度的方法，其特徵在於利用權利要求1至7任一所述裝置，用所述加載控制系統施加壓縮載荷，用所述夾具變壓縮載荷為纖維的拉伸載荷， 用所述電子天平測量滑塊的質量及不同載荷下夾具的質量，用顯微鏡控制系統測量施加載荷前後纖維伸長量，並按下式計算纖維材料彈性模量和強度彈性模量E的計算其中，F為壓縮載荷即纖維的拉力增量，S為纖維的截面積，L為纖維標記的初始長度，CN 102539233 AdL為纖維的伸長量； 拉伸強度ο的計算其中，F。為纖維斷裂時的臨界載荷。
9.根據權利要求8所述測試纖維材料彈性模量和強度的方法，其特徵在於當滑塊未固定在壓頭上時，具體步驟包括(1)用高倍顯微鏡測量纖維的橫截面尺寸，計算纖維橫截面面積S；(2)稱量夾具中固定安裝有下直角梯形板和開設有觀測孔的滑塊的質量Hltl；(3)夾具的底座內壁面上粘上一網格作為參考坐標；(4)在纖維上粘上兩標記條，然後將纖維兩端用502膠粘在兩卡塊上；(5)將兩端粘結好的纖維放在夾具的豎直方向的上下兩個卡槽中，並將滑塊放在夾具的底座內，滑塊的自重使得纖維在豎直方向受到初始載荷而繃直；(6)將電子天平放在支撐架內底部，支撐架上端安裝上可調速率的加載控制箱；(7)將固定好纖維的夾具放在電子天平上，將電子天平的讀數歸零；(8)在夾具觀測孔前端，將顯微鏡鏡筒安裝一個上下左右前後六個方向可調的支架上， 利用顯微鏡主機測量纖維上兩標記條分別與最近網格坐標之間的距離Cl1和d2，根據每個網格之間的距離和Cl1和d2的距離計算出兩標記條之間的距離L ；(9)在纖維線彈性範圍內，利用加載控制箱以一定載荷速率加載到一定載荷F，待電子天平的讀數穩定了，再利用顯微鏡主機測量纖維上兩標記條分別與步驟(8)中網格坐標之間的距離d3和d4，計算出纖維在該載荷下的絕對伸長量dL ；根據算式(1)計算纖維材料的彈性模量E ；(10)載荷卸載後，改變施加載荷F，再次測量絕對伸長量dL並根據算式(1)計算纖維材料的彈性模量E ；至少做5組數據取平均值作為彈性模量E的測試數據；(11)用加載控制箱向下進一步施加載荷直至纖維斷裂，記錄斷裂時的電子天平的讀數 m，計算臨界載荷F。= (m+m0)g；(12)根據算式( 計算纖維的拉伸強度σ。
10.根據權利要求8所述測試纖維材料彈性模量和強度的方法，其特徵在於當滑塊固定在壓頭上時，具體步驟包括(1)用高倍顯微鏡測量纖維的橫截面尺寸，計算纖維橫截面面積S；(2)夾具的底座內壁面上粘上一網格作為參考坐標；(3)在纖維上粘上兩標記條，然後將纖維兩端用502膠粘在兩卡塊上；(4)將電子天平放在支撐架內底部，支撐架上端安裝上可調速率的加載控制箱；(5)將滑塊用一個螺栓將其固定在加載控制箱下的壓頭上；(6)將底座放在電子天平上，調整底座的位置使上下卡槽在豎直方向對齊，隨後將電子天平的讀數歸零；(7)控制加載控制箱以微小的加載速率使滑塊緩慢移動至兩卡塊豎直放置在上下兩個卡槽之間，然後再以微小的加載速率讓滑塊緩慢向下運動使得纖維繃直，記錄此時電子天平的讀數為Hl1，隨即再將電子天平的讀數歸零；(8)在夾具觀測孔前端，將顯微鏡鏡筒安裝一個上下左右前後六個方向可調的支架上， 利用顯微鏡主機測量纖維上兩標記條分別與最近網格坐標之間的距離Cl1和d2，根據每個網格之間的距離和Cl1和d2的距離計算出兩標記條之間的距離L ；(9)在纖維線彈性範圍內，利用加載控制箱以一定載荷速率加載到一定載荷F，待電子天平的讀數穩定了，再利用顯微鏡主機測量纖維上兩標記條分別與步驟(8)中網格坐標之間的距離d3和d4，計算出纖維在該載荷下的絕對伸長量dL ；根據算式(1)計算纖維材料的彈性模量E ；(10)載荷卸載後，改變施加載荷F，再次測量絕對伸長量dL並根據算式(1)計算纖維材料的彈性模量E ；至少做5組數據取平均值作為彈性模量E的測試數據；(11)用加載控制箱向下進一步施加載荷直至纖維斷裂，記錄斷裂時的電子天平的讀數 m，計算臨界載荷F。= (m+m^g；(12)根據算式( 計算纖維的拉伸強度σ。
全文摘要
本發明提供了一種測試纖維材料彈性模量和強度的方法及裝置。該裝置包括加載控制系統、支撐架、夾具、電子天平及顯微鏡控制系統。由精密電子天平測量載荷大小，由夾具將壓縮載荷轉化為纖維拉伸載荷，給予纖維初始載荷後，用加載控制箱施加載荷，用顯微鏡測量施力前後纖維的相對位移的變化，根據應力增量-應變增量關係計算出纖維的彈性模量；繼續施力至纖維斷裂，根據該臨界載荷和纖維橫截面積計算纖維的拉伸強度。本發明可用於測量幾個微米到幾十個微米大小的纖維或者細絲的彈性模量和強度，解決了該領域測試難題，對小尺寸纖維力學性能評價及實驗設備研製具有重要意義。
文檔編號G01N3/04GK102539233SQ20101060450
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月24日 優先權日2010年12月24日
發明者萬德田, 包亦望, 李坤明, 田莉, 邱巖 申請人:中國建築材料檢驗認證中心有限公司