CN102519934A - 环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试装置及夹持方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试装置，包括支座，所述支座呈凹字型，并有两侧立板，其中一侧立板内侧有拉环，另一侧立板上有一螺栓过孔，在两个侧立板之间设有拉簧和固定被测试样的第一和第二固定夹具，所述第一和所述第二固定夹具均包括分别位于每个夹具一端的夹持部，所述第一固定夹具上另一端设有拉簧孔，所述第二固定夹具另一端为螺纹杆，所述螺纹杆上设有施力调整螺母。本发明装置体积小、结构简单，可直接用于材料的吸湿实验，不用拆装试样，直接用于试样的近红外光谱、拉曼光谱采集。加载应力方便，由高性能弹簧加载，应力由弹簧的允许应力范围确定。结构包括了复合材料所需一定的拉应力范围，具有实用性。

Description

环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试装置及夹持方法

技术领域

本发明涉及一种应力加载测试装置，尤其涉及一种用于环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试装置。

背景技术

复合材料的使用过程中始终会处在不同的应力环境下，因此研究在一定应力环境下复合材料的吸湿行为及其吸湿过程中的残余应力变化，将对该材料的设计和应用提供重要的理论参考依据。

由于纤维和环氧树脂的热膨胀系数不同，另外，在树脂固化过程中，树脂要发生收缩，但纤维限制树脂的收缩，这样在复合材料内存在界面残余应力或界面内应力。作用在基体上的内应力与作用在纤维上的内应力是一对作用力与反作用力。采用微拉曼光谱法表征碳纤维增强环氧树脂复合材料的湿热应力。Raman光谱法测量复合材料湿热残余应力不用破坏试样，实验本身不会遭到湿热的干扰，而且测量精度高。YoungLucas M，Young RJ等人通过碳的特征峰频移研究了单壁碳纳米管复合材料的热效应和变形行为，结果表明加热时碳特征峰左移，而试样变形时，受拉应力的峰值左移，受压应力的峰值右移。测定了同一位置点不同情况下的Raman光谱特征峰的偏移，由于碳纤维Raman光谱特征峰的偏移是和应力、应变变化呈线性关系的，进而得到纤维不同吸湿时间的湿热残余应力大小。利用碳纤维单丝应变与Raman频移的关系确定复合材料中吸湿导致的碳纤维频移量；然后利用微力学测试仪测得的碳纤维单丝应力、应变曲线与频移量的关系来确定不同的应力情况所导致的应力。

目前，在复合材料受力情况下的吸湿行为及其Raman应力测试，使用的是四点弯曲的装置，需要应变片及附属装备来测得材料的变形量，但是整个装置体积大不便于移动、携带，并且价格非常的昂贵。另外，用于测量复合材料吸湿动力学曲线用的应力加载装置，过于的笨重，且受到它的结构特点和大小的限制不能用于Raman光谱的测量。为了深入研究外应力对复合材料在不同应力环境下的吸湿规律及吸湿过程中残余应力的影响，需要测量连续吸湿情况下复合材料同一位置上的Raman光谱，和复合材料在不同应力环境下定点测量Raman光谱并计算其残余应力的变化值，因此，需要开发一种结构要简单、轻巧，且能适用于Raman光谱的载物台。

发明内容

针对现有情况下复合材料的服役情况，提供一种用于环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试装置，本发明依据胡克定律，适用弹簧加载体系，载荷通过弹簧对试样施加一定的应力，可以测定环氧基碳纤维复合材料在应力环境下的吸湿动力学曲线及其应用显微激光拉曼仪对其残余应力的测量。

为了解决上述技术问题，本发明用于环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试装置予以实现的技术方案是：该拉应力加载测试装置包括支座，所述支座呈凹字型，具有两个侧立板，其中一个侧立板的内侧设有拉环，另一个侧立板上设有一螺栓过孔，在两个侧立板之间设有拉簧和固定被测试样的第一固定夹具和第二固定夹具，所述第一固定夹具和所述第二固定夹具均包括分别位于每个夹具一端的夹持部，所述第一固定夹具上的另一端设有拉簧孔，所述第二固定夹具的另一端为螺纹杆，所述螺纹杆在该螺纹杆部位设有施力调整螺母。

进一步讲，本发明环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试装置，其中，所述拉环的中心与所述螺栓过孔的中心布置在同一轴线上。所述夹持部包括设有夹口的U型夹头，所述夹口内设有两个垫片，所述U型夹头和两个垫片上设有一组对正的通孔，所述两个垫上设有两组对正的通孔，每组对正的通孔中均分别设有一个螺栓。所述支座上，在位于与拉簧长度范围内设有与拉簧轴向方向一致的刻度。

本发明一种环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试的夹持方法，利用上述拉应力加载测试装置夹持试样的步骤是：先将拉簧的一端挂在支座侧立板上的拉环中，将拉簧的另一端挂在第一固定夹具的拉簧孔中；将第二固定夹具的螺纹段穿过在支座另一侧立板上的螺栓过孔；在试样的两端按照U型夹头及垫板上孔的位置加工出安装孔，将试样置于U型夹头内的两个垫板之间，然后用螺栓将U型夹头、垫板和试样夹住；通过第二固定夹具上的施力调节螺母，将试样置于整个装置的中轴线上，且使试样在中轴线方向上的拉力基本为零。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

由于本发明环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试装置是基于胡克定律，适用弹簧加载体系，载荷通过拉簧对试样施加一定的应力。根据弹簧刚度通过控制弹簧变形量和刚度来计算加载应力的大小。本发明结构简单，受力机理清晰，易于加工，价格便宜，夹持的试样不用装卸可直接用于吸湿实验和显微激光拉曼光谱实验，不但易于操作，而且大幅度降低了实验成本。

附图说明

图1是本发明用于环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试装置夹持试样的示意图；

图2是图1中所示垫板的端向示意图；

图3是图1中所示A-A剖切位置的剖面图。

图中：

1-支座        2-拉簧         3-第一固定夹具

4-螺栓        5-垫板         6-试样

7-紧固螺栓    8-第二固定夹具

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

本发明环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试装置，主要由一端带有一个拉环，另一端带有一个孔的支座1、拉簧2，两个夹具(是两个特制的螺栓)、四个垫板5组成。具体讲，如图1所示，包括支座1，所述支座1呈凹字型，具有两个侧立板，其中一个侧立板的内侧设有拉环，另一个侧立板上设有一螺栓过孔，在两个侧立板之间设有拉簧2和固定被测试样6的第一固定夹具3和第二固定夹具8，所述第一固定夹具3和所述第二固定夹具8均包括分别位于每个夹具一端的夹持部，所述夹持部包括设有夹口的U型夹头，所述夹口内设有两个垫片5，所述U型夹头和两个垫片5上(在垂直于U型夹口面方向上)设有一组对正的通孔，所述两个垫片5上设有两组对正的通孔，即，所述垫片上共设有三个孔，如图2所示，其中一个孔同时与对面设置的垫板和所述U型夹头上的孔对正，另外两个孔与对面设置的垫板上的两个孔分别对正，每组对正的通孔中均分别设有一个螺栓，所述第一固定夹具3上的另一端设有拉簧孔，所述拉环的中心与所述螺栓过孔的中心布置在同一轴线上；所述第二固定夹具8的另一端为螺纹杆，所述螺纹杆在该螺纹杆部位设有施力调整螺母。所述支座1上，在位于与拉簧长度范围内设有与拉簧轴向方向一致的刻度。

本发明中的第一固定夹具3和第二固定夹具8可以用六角螺栓改制，如图3所示，一方面可以方便取材，另一方面，方便其上通孔的加工。

利用上述环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试装置夹持试样的过程是：

先将拉簧2的一端挂在支座侧立板上的拉环中，将拉簧2的另一端挂在第一固定夹具3的拉簧孔中；将第二固定夹具8的螺纹段穿过在支座另一侧立板上的螺栓过孔；在试样的两端按照U型夹头及垫板5上孔的位置加工出安装孔，将试样置于U型夹头内的两个垫板之间，然后用螺栓将U型夹头、垫板和试样夹住，即试样6的两端是由上、下两块垫板5通过两个紧固螺栓7夹紧，由于采用垫板5，从而加大了夹具与试样的接触面，使试样受力较为均匀；通过第二固定夹具8上的施力调节螺母，将试样置于整个装置的中轴线上，且使试样在中轴线方向上的拉力基本为零。整个装置通过拧动该螺母实现加载，

测试之前，定下一个基准用来记录之后拉簧处于拉伸状态时的变形量，可以将第一固定夹具3与拉簧2的连接点位置作为基准，并记下该点对应与支座上的刻度，根据拉簧的刚度和需要加载的应力计算出拉簧所需要的变形量，或者记下受力时基准位置所对应的刻度和拉簧刚度计算试样的受力。调节第二固定夹具8上的施力调节螺母使基准位置达到所需要的刻度。这就可以对试样施加了所需要的拉应力。在拉应力状态下，做一些针对试样的测试试样，例如Raman测试，红外光谱的测试等本装置可以达到的实验要求的测试。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试装置，包括支座(1)，其特征在于，所述支座(1)呈凹字型，具有两个侧立板，其中一个侧立板的内侧设有拉环，另一个侧立板上设有一螺栓过孔，在两个侧立板之间设有拉簧(2)和固定被测试样(6)的第一固定夹具(3)和第二固定夹具(8)，所述第一固定夹具(3)和所述第二固定夹具(8)均包括分别位于每个夹具一端的夹持部，所述第一固定夹具(3)上的另一端设有拉簧孔，所述第二固定夹具(8)的另一端为螺纹杆，所述螺纹杆在该螺纹杆部位设有施力调整螺母。

2.根据权利要求1所述的环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试装置，其特征在于，所述拉环的中心与所述螺栓过孔的中心布置在同一轴线上。

3.根据权利要求1所述的环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试装置，其特征在于，所述夹持部包括设有夹口的U型夹头，所述夹口内设有两个垫片(5)，所述U型夹头和两个垫片(5)上设有一组对正的通孔，所述两个垫片(5)上设有两组对正的通孔，每组对正的通孔中均分别设有一个螺栓。

4.根据权利要求1所述的环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试装置，其特征在于，所述支座上，在位于与拉簧长度范围内设有与拉簧轴向方向一致的刻度。

5.一种环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试的夹持方法，其特征在于，利用如权利要求1所述环氧基碳纤维复合材料拉应力加载测试装置夹持试样的步骤如下：

先将拉簧(2)的一端挂在支座侧立板上的拉环中，将拉簧(2)的另一端挂在第一固定夹具(3)的拉簧孔中；将第二固定夹具(8)的螺纹段穿过在支座另一侧立板上的螺栓过孔；在试样的两端按照U型夹头及垫板(5)上孔的位置加工出安装孔，将试样置于U型夹头内的两个垫板之间，然后用螺栓将U型夹头、垫板和试样夹住；通过第二固定夹具(8)上的施力调节螺母，将试样置于整个装置的中轴线上，且使试样在中轴线方向上的拉力基本为零。

Images