微球脫粘測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備研究

朱鳳朝，馬 志，戰(zhàn) 強(qiáng)

（北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

0 引言

航空航天等高科技的飛速發(fā)展對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的需求與日俱增，同時(shí)對(duì)其綜合性能的要求也越加苛刻。纖維與基體界面是纖維增強(qiáng)或增韌復(fù)合材料的關(guān)鍵組分之一，對(duì)復(fù)合材料的微觀力學(xué)性能起著重要的作用。界面剪切強(qiáng)度是界面粘接強(qiáng)度中最重要的力學(xué)參數(shù)，纖維與基體間的應(yīng)力傳遞是通過界面進(jìn)行的，界面粘接強(qiáng)度將直接影響應(yīng)力傳遞，進(jìn)而影響復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能。

如果能夠深入細(xì)致地了解界面層的工作原理及其破壞機(jī)理，那么對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能提高將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。微觀力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)就是一種研究微觀界面性能的有效方法，主要研究試樣的幾何尺寸、裂紋引發(fā)與擴(kuò)展、界面摩擦、殘余應(yīng)力等因素與復(fù)合材料力學(xué)性能間的本質(zhì)關(guān)系，其主要包括單絲拔出實(shí)驗(yàn)（Pull－out test）、單絲頂出實(shí)驗(yàn)（Push－out test）、微球脫粘實(shí)驗(yàn)（Micro－bond test）和纖維斷裂實(shí)驗(yàn)（Fiber fracture test）。由于制樣簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)過程方便有效，單絲拔出實(shí)驗(yàn)和微球脫粘實(shí)驗(yàn)得到了更加廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

本文旨在開發(fā)一臺(tái)性能穩(wěn)定的微球脫粘測(cè)試儀。

1 微球脫粘方法

該方法是將纖維垂直埋入一滴非常小且呈對(duì)稱狀的樹脂滴中進(jìn)行固化。如圖1所示，在保證復(fù)合材料試樣截面與纖維軸方向垂直的前提下，在纖維的末端用一個(gè)金剛石刀尖將纖維從樹脂中頂出即脫粘，測(cè)出拔出纖維時(shí)力的大小F，通過粘結(jié)長(zhǎng)度或粘結(jié)面積估算出纖維／樹脂界面的粘結(jié)強(qiáng)度τ。

2 測(cè)試儀的機(jī)械總體設(shè)計(jì)

2．1 測(cè)試儀的總體方案

對(duì)于實(shí)驗(yàn)方案的選擇，可以從兩方面考慮：①無(wú)論纖維試樣水平放置還是豎直放置，這兩種方式從原理上來說都是可以的，不過考慮到實(shí)驗(yàn)時(shí)掛在纖維上的微球液滴數(shù)量很多，水平放置時(shí)，微球液滴重力的影響不能忽略，很容易造成纖維彎曲，微球上半部分和下半部分的應(yīng)力也就不同，這樣，在刀具移動(dòng)或者實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，檢測(cè)到的力并不是嚴(yán)格水平方向的，因此檢測(cè)到的并不是準(zhǔn)確的力；②無(wú)論纖維移動(dòng)還是刀具移動(dòng)，從機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的難易程度上來說，將刀具調(diào)節(jié)到一定位置不動(dòng)，讓纖維沿著垂直于刀口的一個(gè)方向移動(dòng)相對(duì)來說是容易實(shí)現(xiàn)的。因此，本方案采取纖維試樣豎直放置，刀具不動(dòng)而纖維移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式。微球脫粘實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖如圖2所示。

圖1 微球脫粘實(shí)驗(yàn)原理圖

實(shí)驗(yàn)中所選用的纖維直徑為Φ7μm左右，微球液滴。本儀器主要由刀具定位部分、纖維移動(dòng)部分、觀測(cè)部分和檢測(cè)部分組成。刀具定位部分主要為精密滑臺(tái)，負(fù)責(zé)兩片刀具之間的開合以及整體的縱深調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)刀具開合的為Y滑臺(tái)，其調(diào)節(jié)范圍為±6．5mm，其上分別安裝有刀具，通過分別調(diào)節(jié)兩個(gè)Y滑臺(tái)就可以調(diào)整刀具之間的距離；縱深調(diào)節(jié)的為X滑臺(tái)，其調(diào)節(jié)范圍為±20mm，負(fù)責(zé)調(diào)整纖維，使纖維試樣放置在兩片刀具之間。纖維移動(dòng)部分是儀器的主要工作部分，負(fù)責(zé)纖維試樣的固定以及帶動(dòng)纖維＋微球試樣上下運(yùn)動(dòng)；觀測(cè)部分為顯微鏡，將顯微鏡安裝在三維平臺(tái)上，三維平臺(tái)由一個(gè)Z向的平臺(tái)和一個(gè)XY滑臺(tái)搭建而成，用來調(diào)節(jié)顯微鏡的位置，使得實(shí)驗(yàn)過程完整地呈現(xiàn)在顯微鏡的觀測(cè)范圍之內(nèi)；檢測(cè)部分為一個(gè)毫牛級(jí)微力傳感器，配以信號(hào)變送器和數(shù)據(jù)采集卡，將傳感器返回的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。微球脫粘實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖2 微球脫粘實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖

圖3 微球脫粘實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)框圖

2．2 移動(dòng)機(jī)構(gòu)

作為微球脫粘測(cè)試儀的關(guān)鍵部分，其移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能直接影響著儀器的最終性能。按照裝置的設(shè)計(jì)要求，必須能夠滿足加載速度為0．1mm／min，加載量程為10N，測(cè)力范圍為40mN～160mN。

高度方向的上下運(yùn)動(dòng)由單軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)完成。該單軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)絲杠滑塊機(jī)構(gòu)組成，通過滑塊的上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)纖維試樣的上下移動(dòng)。電機(jī)選用5相步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的規(guī)格參數(shù)分別見表1和表2。滾珠絲杠的公稱直徑為Φ6mm，導(dǎo)程為1mm，螺母副有效行程為86．5mm。

將傳感器安裝在單軸驅(qū)動(dòng)器的滑塊上，傳感器伸出端與連接件緊固，纖維－微球試樣兩端通過環(huán)氧樹脂粘在C型片上、下兩端，并保持其緊繃狀態(tài)，防止測(cè)試過程中脫離；然后將C型片懸掛在連接件上，用磁性壓蓋壓緊。通過驅(qū)動(dòng)單軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)滑塊帶動(dòng)纖維－微球試樣的上下運(yùn)動(dòng)。

表1 電機(jī)規(guī)格參數(shù)

表2 驅(qū)動(dòng)器步距角可調(diào)參數(shù)

2．3 觀測(cè)機(jī)構(gòu)

將顯微鏡安裝在三維移動(dòng)平臺(tái)上，鏡筒中心和兩刀具刀刃對(duì)中位置在同一水平線上，使得顯微鏡可以觀察到微球脫粘時(shí)的狀態(tài)，并且使觀察到的區(qū)域達(dá)到最理想化。通過合理選擇顯微鏡的放大倍數(shù)，且合理布置顯微鏡鏡頭和觀測(cè)試樣之間的距離，可取得最為理想的觀測(cè)效果。顯微系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 微球脫粘實(shí)驗(yàn)設(shè)備顯微系統(tǒng)示意圖

顯微鏡和上位機(jī)通訊，顯微鏡顯示的觀測(cè)效果應(yīng)實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)界面上，高放大倍數(shù)顯微系統(tǒng)采用OPTPro2008數(shù)碼顯微圖像分析軟件。

2．4 測(cè)控部分

微力傳感器采用日本進(jìn)口載荷傳感器，其額定容量為5N，將其安裝在加載裝置中滾珠絲杠副的滑塊上，傳感器的伸出端通過連接件懸掛纖維試樣。纖維試樣放置在刀片之間，并相對(duì)刀片作上下移動(dòng)，滑塊帶動(dòng)纖維上的微球液滴，并通過傳感器可檢測(cè)出其從纖維上脫落的力。檢測(cè)到的脫粘力曲線如圖5所示。

3 控制部分設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要的被控對(duì)象為步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作電壓為110V，控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)發(fā)送指令脈沖，以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)控制部分組成如圖6所示。使用VC2008編寫軟件操作界面，如圖7所示。

通過向上移動(dòng)和向下移動(dòng)按鈕控制滑塊的上下移動(dòng)，滑塊的運(yùn)動(dòng)有一個(gè)預(yù)定的行程，在行程的上限和下限分別有一個(gè)上限位傳感器和下限位傳感器，以防止滑塊的運(yùn)動(dòng)超過這個(gè)行程對(duì)系統(tǒng)造成損壞，并可以通過軟件界面對(duì)滑塊上下移動(dòng)的速度和位置進(jìn)行控制。

圖5 脫粘力曲線圖

圖6 系統(tǒng)控制部分

圖7 軟件界面

4 結(jié)論

本文提出了一種微球脫粘實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)施方案，為提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，采用纖維試樣豎直放置，其測(cè)試系統(tǒng)由移動(dòng)部分、觀測(cè)部分、測(cè)控部分和電控部分組成，編寫了實(shí)驗(yàn)操作界面，并對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明該儀器可以用來進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠，滿足了設(shè)計(jì)要求。

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