微米級單絲纖維的力學(xué)性能測試裝置研究

孫秀麗， 鄭佳梅， 趙雪妮， 張偉剛， 張 黎， 劉慶瑤， 王 瑤，高飛虎， 馮凱麗， 蔡雙雙

(陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

纖維因具有良好的性能在航空航天材料、衣服的保暖材料、建筑工程、仿人體器官等方面，得到了廣泛的應(yīng)用.一般的，纖維用作復(fù)合材料增強體時，其增強、增韌效果主要與纖維的力學(xué)性能有關(guān)，而拉伸強度是纖維力學(xué)性能的重要指標(biāo)，用以衡量纖維所能承受的最大拉力[1-3].目前，國內(nèi)現(xiàn)有的強度儀可以滿足一般化工，紡織等工業(yè)方面的要求，進(jìn)行一些宏觀方面的拉伸強度伸長率等方面的測試，但是對于微觀方面的纖維力學(xué)性能測試國產(chǎn)強度儀器有很大的局限性，不能滿足微米級微觀測試要求[4-8].因此，設(shè)計研究能夠測試單絲微米級纖維拉伸強度的裝置具有重要的意義.

現(xiàn)有的單絲纖維拉伸力學(xué)性能的測試方法主要包括以下三種：

(1)采用紙片法制樣，非自動機械夾持.用強力膠將單絲纖維固定在紙片上，固化后，將帶有單絲纖維的紙片固定在機械夾頭上并在一定載荷下拉伸，同時記錄纖維斷裂載荷，計算單絲纖維的拉伸強度[9-11].但紙片法制樣周期長、制樣過程中纖維需手工定位，易損傷；夾持時需手工裝夾，效率低.

(2)采用紙片法制樣，氣動夾頭夾持.測試過程同(1).此夾頭具有夾持力可控制，纖維不易受損的優(yōu)點，但氣動夾持裝置需要氣源，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜[12,13].

(3)采用膠滴法制樣，非自動機械夾持.根據(jù)單絲纖維長度選擇合適的制樣板，利用膠黏劑(二組分環(huán)氧樹脂)將纖維粘附在制樣板上，制樣過程中保證纖維平直，避免其扭曲，且保證膠滴呈圓球狀，然后在60 ℃的溫度下固化24 h，將圓球狀的膠滴卡在“V”型卡頭中，通過計算機實時記錄拉力載荷，并能夠計算出纖維單絲拉伸強度.但手工制樣膠滴周期長，膠滴大小不易控制，拉伸過程中纖維易從膠滴中拉出[14].

結(jié)合目前已有的測試方法以及各種測試方法上的缺點，本文設(shè)計研究了一種結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、無需提前制樣、拉伸纖維長度可調(diào)、非手工定位和夾持，工作效率高的新型單絲纖維的力學(xué)性能測試裝置.

1 測試原理

進(jìn)行單絲纖維的力學(xué)性能測試時，將單絲纖維放置在底板3上，單絲纖維放置于滑塊2與擋塊4之間且垂直于凹槽延伸方向；然后推動推子1使T型滑塊滑至擋塊4處停止運動，此時單絲纖維緊貼于T型滑塊外側(cè)，呈一條直線，然后沿導(dǎo)軌推動底板3，此時，打開電磁鐵的電源，在磁力的作用下使構(gòu)件5前端的夾頭B、構(gòu)件10前端的夾頭A與T型滑塊緊密相吸(底板，推子為不可導(dǎo)磁材料，T型滑塊，構(gòu)件5，構(gòu)件10均為導(dǎo)磁材料)，將單絲纖維精確夾持在T型滑塊與夾頭A和夾頭B之間，夾頭A與夾頭B的距離能夠通過固定支架調(diào)節(jié)；然后將底板3沿導(dǎo)軌滑出，保證單絲纖維在拉伸過程中與底板3不發(fā)生干涉，啟動壓電陶瓷驅(qū)動器7，控制單絲纖維的拉伸速度為2μm/min(可調(diào)范圍為1μm/min至10μm/min)；壓電陶瓷驅(qū)動器通過控制構(gòu)件5的運動控制單絲纖維拉伸,通過應(yīng)變傳感器8與力學(xué)記錄儀9協(xié)同工作，實現(xiàn)力和位移的測試與記錄，獲得數(shù)據(jù)；測試完畢后將設(shè)備恢復(fù)初始狀態(tài)，進(jìn)行下一輪測試.裝置的整體結(jié)構(gòu)及剖視圖如圖1、2所示.

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)俯視圖

圖2 圖1的A-A向剖視圖

2 微米級單絲纖維的力學(xué)性能測試裝置

2.1 定位系統(tǒng)

本裝置的定位部分主要包括T型滑塊2，推子1(如圖3所示)，底板3，擋塊4.從前期的調(diào)研中可知，現(xiàn)有的單絲纖維拉伸裝置中，對單絲纖維的定位是單絲纖維拉伸裝置的難點，考慮到單絲纖維的直徑，比如纖維、植物纖維、動物纖維，直徑都是微米級的，目前市場上出售的單絲纖維拉伸裝置缺少直接對單絲纖維定位的部分，所以該裝置中的定位部分是創(chuàng)新點，它實現(xiàn)了單絲纖維無損傷地被定位在帶凹槽的底板上，單絲纖維的定位過程：把要測量的單絲纖維放置在帶凹槽底板3上，單絲纖維放置于滑塊2與擋板4之間且垂直于凹槽的方向，然后推動推子使T型滑塊2滑至擋塊4處停止運動，此時單絲纖維緊貼于T型滑塊2外側(cè)，呈一條直線，實現(xiàn)了單絲纖維的定位(參考圖1).

圖3 推子的B-B向剖視圖

底板設(shè)置在導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌的移動由壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動，導(dǎo)軌能夠在壓電陶瓷驅(qū)動器的驅(qū)動下帶動底板水平或垂直運動，以調(diào)節(jié)底板的位置或者在需要抽離底板的時候使將底板沿導(dǎo)軌滑出，保證單絲纖維在拉伸過程中與底板不發(fā)生干涉.

考慮到單絲纖維的韌性、剛度以及力學(xué)性能測試裝置零件加工的難易程度，凹槽的尺寸不宜過小.反之，凹槽的尺寸過大易使單絲纖維在推動過程中呈彎曲狀，測試過程中單絲纖維不能保持直線狀態(tài)，且纖維難以垂直于凹槽分布.因此，底板上凹槽寬度取2 mm為佳，相鄰兩凹槽之間的距離為1 mm.為防止測試裝置其它零件對磁鐵夾持效果的影響，底板和推子的材料均選用非導(dǎo)磁材料，T型滑塊選用導(dǎo)磁材料.

2.2 夾持系統(tǒng)

本裝置的夾持部分包括T型滑塊2，構(gòu)件5、固定支架6、構(gòu)件10.其中，構(gòu)件5、構(gòu)件10、T型滑塊2的材料為導(dǎo)磁材料，構(gòu)件10的前端(與底板凹槽相配合的部分)為夾頭A(如圖4所示)，構(gòu)件5的前端(與底板凹槽相配合的部分)為夾頭B，夾持方式采用電磁鐵夾持，電磁鐵安裝在構(gòu)件5和構(gòu)件10上，電磁鐵通電后使導(dǎo)磁物體構(gòu)件5、構(gòu)件10與T型滑塊之間產(chǎn)生吸力，使T型滑塊與夾頭A和夾頭B緊密相吸，纖維被先定位在了T型滑塊與夾頭A和夾頭B之間，電磁鐵夾頭與T型滑塊的吸力大小可以通過調(diào)節(jié)流過電磁鐵的電流大小來控制，電流越大，吸力越大.使單絲纖維在夾頭與T型滑塊之間保持被夾緊的狀態(tài)，直到完成單絲纖維的拉伸.單絲纖維拉伸過程中受力分析如圖5所示.

圖4 A夾頭的C-C向剖視圖

圖5 單絲纖維拉伸受力示意圖

在圖5中，F(xiàn)為壓電陶瓷驅(qū)動器提供的牽引力；FN1為T型滑塊給單絲纖維向上的壓力；FN2為夾頭A給單絲纖維向下的壓力，F(xiàn)N1與FN2大小相等，方向相反；f為夾頭A和T型滑塊對單絲纖維的摩擦力.

夾持力的大小對于單絲纖維的拉伸是很重要的參數(shù)，如果夾持力過大，會使單絲纖維從夾頭處斷裂，如果夾持力過小，則會使單絲纖維從夾頭處拉出，這兩種情況均不滿足要求，所以測出單絲纖維的拉伸力不能作為拉伸力的參考值.單絲纖維從夾頭處拉出的臨界條件為：

μ·FN=Ft

其中，F(xiàn)N為作用在單絲纖維上的夾頭A、B與T型滑塊之間的夾持力，單位為N，μ為單絲纖維與夾頭A、B和T型滑塊之間的摩察系數(shù)，由于T型滑塊和夾頭A、B的接觸面很平滑，故估取μ的值為0.2，F(xiàn)為單絲纖維的最大拉伸力.

夾持部分的電磁鐵為圓環(huán)形的電磁鐵，其鐵心主要由內(nèi)圓環(huán)、外圓環(huán)和端蓋三部分組成，這三者間的圓環(huán)形槽中放置銅導(dǎo)線，內(nèi)圓環(huán)套在機構(gòu)的軸上，以固定電磁鐵、銜鐵為一個圓環(huán)形鐵塊[15].電磁鐵與零件10相配合的三維圖，如圖6所示.圖7為電磁鐵與零件10的俯視圖和剖視圖.

圖6 電磁鐵與零件10相配合的三維圖

圖7 電磁鐵與零件10相配合的俯視圖與剖視圖

2.2.1 電磁鐵結(jié)構(gòu)的選用

距離夾頭A、B前端面10 mm處安裝一個圓環(huán)形電磁鐵，提供夾頭與滑塊間的吸力，實現(xiàn)單絲纖維的夾持.電磁鐵的模型求解參數(shù)材料及參數(shù)設(shè)計，鐵芯材質(zhì)為冷軋鋼35W300，銜鐵采用冷軋鋼35W270，線圈由銅導(dǎo)線繞制，線圈匝數(shù)為330匝，R1=25 mm，R2=22.5 mm，R3=16.2 mm，R4=12 mm，銜鐵厚度為4 mm，鐵心長度為20 mm，放置線圈環(huán)形槽長度為16.4 mm[15].

2.2.2 電磁鐵吸力計算

電磁吸力大小與磁力線穿過磁極的總面積及氣隙中的磁感應(yīng)強度的平方成正比.如果磁感應(yīng)強度B沿磁極表面上是均勻分布的，則電磁吸力的基本公式為[15]：

(1)

式(1)中：F為電磁力(J/cm)；B為磁感應(yīng)強度(Wb/cm2)；S為磁極表面總面積(cm2)；μ0為空氣磁導(dǎo)系數(shù)，為1.25×10-9H/cm.

(2)

依據(jù)磁路等效模型得:

(3)

依據(jù)電磁鐵結(jié)構(gòu)計算氣隙磁導(dǎo):

(4)

式(4)中：S1=π(R12-R22)為鐵心外圓面積；S2=π(R32-R42)為鐵心內(nèi)圓環(huán)面積；δ為氣隙長度[16].

由基爾霍夫第二定律粗略估算一下磁通，由于空氣磁導(dǎo)率相對鐵心和銜鐵要小上千倍，此時粗略估計即認(rèn)為所有的磁動勢都消耗在氣隙中，故:

(5)

由于實際磁路中鐵心和銜鐵也有磁勢降，故磁路中實際磁通比上述估算值要小，由于圓環(huán)形磁電磁鐵氣隙相對較大，這里取實際值降5%，即:

(6)

將仿真模型中的參數(shù)代入式(2)，外加直流電源控制通入線圈的電動勢IW=99.4時，便得到環(huán)形電磁鐵吸力與氣隙的關(guān)系式[16]：

(7)

將式(6)中δ的單位轉(zhuǎn)換成mm，F(xiàn)的單位換成N，得到:

(8)

根據(jù)此模型可知，δ為氣隙長度，由此模型的電磁鐵可知，若要計算夾頭的夾持力F，在此設(shè)備中δ相當(dāng)于電磁鐵距離T型滑塊的距離,已知δ=10 mm，根據(jù)公式，F(xiàn)的大小可以通過電流的大小調(diào)節(jié)，根據(jù)測試不同的單絲纖維種類，多次測試，選出最合適的電流范圍，使環(huán)形電磁鐵提供的吸力可以滿足單絲纖維拉斷所需的夾持力，保證纖維在拉伸過程中不出現(xiàn)從夾頭處拉出及夾斷的現(xiàn)象.

2.3 驅(qū)動和測量系統(tǒng)

本裝置的驅(qū)動部分包括壓電陶瓷驅(qū)動器，設(shè)置壓電陶瓷驅(qū)動器運動速度為2μm/min，精度為1μm，固定支架6上設(shè)置有直線形的導(dǎo)軌，構(gòu)件5能夠沿著導(dǎo)軌在固定支架6上移動，移動軌跡與構(gòu)件5的延伸方向垂直，夾頭A和夾頭B之間的距離范圍為1～29 mm，滿足不同纖維的性能測試[17].

本裝置的測量部分包括應(yīng)變傳感器8，力學(xué)記錄儀9.構(gòu)件10表面貼有應(yīng)變傳感器8，應(yīng)變感應(yīng)器與力學(xué)記錄儀9連接，應(yīng)變傳感器8用于將構(gòu)件10的位移及形狀變化傳送給力學(xué)記錄儀9，實現(xiàn)了單絲纖維拉伸過程中力和位移的測試與記錄.微米級單絲纖維的力學(xué)性能測試部分的原理圖如圖8所示，測試系統(tǒng)主要由應(yīng)變傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集儀和分析軟件組成.在測試中各實驗儀器的型號如表1所示.

應(yīng)變傳感器安裝在夾頭A靠近壓電陶瓷驅(qū)動器的一端，在進(jìn)行拉伸實驗時，力學(xué)信號通過應(yīng)變傳感器轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)過電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀傳送至分析軟件[18]，從而完成單絲纖維的力學(xué)性能測試.

圖8 測試原理圖

實驗儀器型號應(yīng)變傳感器TSK?1A?120?3A?11L30W電荷放大器Kistler9257B數(shù)據(jù)采集儀SIRIUSi8xCHG分析軟件DewesoftX2

3 主要零件的校核

構(gòu)件10的受力分析圖如圖9所示，構(gòu)件圖的受力簡化圖如圖10所示.F1為壓電陶瓷驅(qū)動器提供的拉伸單絲纖維牽引力，F(xiàn)2為在構(gòu)件10電磁鐵對構(gòu)件5和構(gòu)件6的吸力，但電磁鐵的外面包裹著一層絕緣層且兩構(gòu)件上的電磁鐵之間有一端距離的空隙，所以F2的值并不大，在拉伸單絲纖維之前，設(shè)備預(yù)拉伸一次，這樣就能完全消除F2對測量單絲纖維的拉伸力結(jié)果的影響.

根據(jù)構(gòu)件10的受力分析圖，結(jié)合所學(xué)的力學(xué)知識，C處為危險截面，C處只受彎矩力并不受扭矩力，所以只需校核C處的彎矩.C點所受彎矩為M=F1×L1+F2×L2.

F1為所測試的單絲纖維的拉伸力，F(xiàn)2為電磁鐵之間的吸引力，其大小與構(gòu)件5和構(gòu)件10之間的距離的平方成反比，因此F2的力很小，而C處的橫截面為矩形，長10 mm,寬2 mm.材質(zhì)由為導(dǎo)磁材料(鑄鐵)，以纖維為例，F(xiàn)1≤0.3 N，經(jīng)校核合格.

圖9 構(gòu)件10的受力分析圖

圖10 構(gòu)件10的受力簡化圖

同上，對構(gòu)件5和構(gòu)件6校核，其受力分析圖如圖11所示.

圖11 構(gòu)件5和構(gòu)件6的受力分析圖

對于構(gòu)件6，D點處為危險截面，對于構(gòu)件5，E點處為危險截面,F1與F2大小相同，方向相反，F(xiàn)2與F4大小相同方向相反.D到構(gòu)件5前端夾頭B的距離等于構(gòu)件10的長度L1，D到E的垂直長度為L,D、E處的截面形狀都與C處一樣，根據(jù)力學(xué)知識可知，只需校核D處，校核結(jié)果與構(gòu)件10的C處相同，合格.

4 預(yù)實驗結(jié)果分析

在上述設(shè)計基礎(chǔ)上，本文采用預(yù)實驗裝置進(jìn)行了單絲纖維拉伸測試.單絲碳纖維直徑大約7～10μm，其他一些動物纖維直徑大約20μm.實驗發(fā)現(xiàn)單絲碳纖維既沒有從夾持處斷裂，也沒有從夾持處拔出，該預(yù)實驗裝置能夠滿足模擬實驗.

單絲纖維的力學(xué)性能測試過程如下：

(1)制樣.制樣時隨機地從束絲中選取一根碳纖維，由于碳纖維是脆性纖維因此在選取纖維時應(yīng)特別注意操作，避免對纖維造成損傷.

(2)夾持.實驗過程中使用滑塊推動單絲纖維勻速運動，單絲纖維運動至擋塊處時停止運動，此時單絲纖維緊貼于滑塊外側(cè)，呈一條直線狀態(tài).在磁力的作用下夾頭A、B分別能與滑塊相吸且緊密貼合(滑塊，夾頭A、B均為導(dǎo)磁材料)，實現(xiàn)單絲纖維精確夾持在滑塊與夾頭A、B之間，夾頭A與夾頭B的距離通過固定支架調(diào)節(jié).

(3)拉伸測試.啟動驅(qū)動器，控制單絲纖維的拉伸速度，通過應(yīng)變傳感器與力學(xué)記錄儀實現(xiàn)力和位移的測試記錄，獲得數(shù)據(jù).實驗共測試30個試樣，最后對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到單絲纖維的拉伸強度.

碳纖維的應(yīng)力可以通過拉伸的斷裂力值F與纖維的橫截面積A計算得到：

(9)

式(9)中：σ為纖維斷裂應(yīng)力值，單位Pa；F為纖維斷裂的強力值，單位N；A為纖維的橫截面積，單位m2.

單絲纖維拉伸強度結(jié)果(如圖12所示)顯示，碳纖維的拉伸強度值分布范圍為2.5～5.0 GPa，其值主要集中在3.0～3.5 GPa.

圖12 單絲碳纖維拉伸強度分布

5 結(jié)論

本文研究設(shè)計出一種測試單絲纖維的拉伸裝置，裝置采用導(dǎo)軌和推子組合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)單絲纖維在拉伸之前的定位，通過圓環(huán)形電磁鐵提供夾頭與T形滑塊間的吸力，通過控制流過圓環(huán)形電磁鐵線圈的電流大小，可以調(diào)節(jié)T形滑塊與夾頭之間的夾持力，得到所需單絲纖維的夾持力的有效范圍.經(jīng)校核主要受力的零件，全部合格.此裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、無需提前制樣、大大提高了單絲纖維拉伸力學(xué)性能測試的工作效率，還有拉伸纖維長度可調(diào)、非手工定位和夾持等優(yōu)點，為以后更進(jìn)一步改進(jìn)單絲纖維的拉伸裝置提供了一種方法和理論依據(jù).

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