CN104181191B - 膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工艺试验设备领域，尤其涉及膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置与方法。其装置包括金属腔体；压头，与金属腔体配合进行膨胀橡胶试样的制备；温度控制***，在膨胀橡胶试样的制备、体积膨胀系数测试和热胀压力测试中控制加热线圈加热金属腔体；金属垫片，在体积膨胀系数测试和热胀压力测试中设置于膨胀橡胶试样的上方；位移测量装置，用于在体积膨胀系数测试中测量金属垫片的位移变化；载荷采集***，用于在热胀压力测试中测量膨胀橡胶试样的膨胀压力变化。本发明集膨胀橡胶试样的制备及其体积弹性模量测试于一体，保证体积弹性模量快速、方便、准确地测试，为有效控制热膨胀工艺成型复合材料制件质量提供保障。

Description

膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置与方法

技术领域

本发明涉及工艺试验设备领域，尤其涉及膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置与膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备方法。

背景技术

为了满足复合材料盒型件、管型件以及多腔体结构等复杂封闭构件的成型需要，热膨胀成型工艺成为复合材料制造领域重要的研究内容之一。热膨胀成型工艺是指复合材料预浸料铺层在闭合的刚性阴模中通过芯模的受热膨胀来实现对复合材料加压固化的成型方法。该工艺通常以热膨胀系数较大的材料为芯模，刚性材料为阴模，将复合材料置于芯模与阴模之间，当模具受热后，芯模体积膨胀，由于芯模材料的热膨胀系数远远大于阴模材料的热膨胀系数，因此芯模的体积膨胀受到阴模的限制，则在模腔内产生压力，从而实现工艺过程中对复合材料加压。工艺过程中，合理控制芯模受热后产生的膨胀压力是控制复合材料制件质量的关键，而芯模材料体积弹性模量是一个重要参数。目前，工业上广泛使用的芯模材料为膨胀橡胶，因此，膨胀橡胶体积弹性模量的准确性成为控制复合材料成型压力的重要前提。

膨胀橡胶原料生产厂家会提供相应的参数指导芯模设计以有效控制热膨胀工艺成型压力，然而膨胀橡胶实际使用中会根据工艺需要添加填料，填料的种类及数量不定，厂家提供的参数便失去指导意义，工艺部门只能通过“试错法”进行多次试验后实现对热胀压力的控制，造成人力、物力、财力的大量浪费；另外，通常情况下，在体积弹性模量测试过程中，试样制备装置与测试装置相互独立，试样加工过程引起的尺寸误差将导致试样与测试设备不能匹配，影响测试结果的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集膨胀橡胶试样的制备及体积弹性模量测试为一体的膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置及膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置，包括金属腔体，其包括底座和金属筒壁，所述金属筒壁的***套设有加热线圈；

压头，其与所述金属腔体配合进行膨胀橡胶试样的制备；所述压头具有可伸入所述金属筒壁内的挤压部，所述压头上设有贯穿所述挤压部且通向所述压头外部的溢料口；

温度控制***，其在所述膨胀橡胶试样的制备、体积膨胀系数测试和热胀压力测试过程中控制所述加热线圈加热所述金属腔体；

金属垫片，其在所述膨胀橡胶试样的体积膨胀系数测试和热胀压力测试过程中设置于所述膨胀橡胶试样的上方，所述金属垫片形状和尺寸与所述金属筒壁的内壁相适配；

位移测量装置，其用于在所述膨胀橡胶试样的体积膨胀系数测试过程中测量所述金属垫片的位移变化；

载荷采集***，用于在所述膨胀橡胶试样的热胀压力测试过程中测量所述膨胀橡胶试样因受热膨胀而产生的膨胀压力变化，其包括载荷记录***和与所述载荷记录***均相连的两个力学试验机压头，所述载荷记录***用于记录不同温度下所述膨胀橡胶试样的膨胀压力，其中一个所述力学试验机压头设置于所述金属垫片的上方，另一个所述力学试验机压头设置于所述底座的下方。

作为本发明的优选方案，所述温度控制***包括用于检测所述金属腔体温度的第一热电偶，所述第一热电偶设置于所述金属筒壁上的第一放置孔中。

作为本发明的优选方案，所述压头上设置有安装第二热电偶的第二放置孔。

作为本发明的优选方案，所述底座通过紧固螺栓与所述金属筒壁相连。

作为本发明的优选方案，所述位移测量装置为百分表。

一种用于如上述任一优选方案所述的膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置的膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备方法，包括以下步骤：

S00：按照工艺需要，将膨胀橡胶原料按照一定比例混合均匀，置于真空环境进行除泡处理，然后注入所述金属腔体中，启动所述温度控制***控制所述加热线圈加热所述金属腔体至膨胀橡胶工艺温度，确定成型时间，直至所述膨胀橡胶试样成型，成型过程中，利用所述压头保证试样表面平整，多余的原料从所述溢料口流出，完成所述膨胀橡胶试样的制备；

S01：将所述金属垫片放置在所述膨胀橡胶试样的上方，启动所述温度控制***控制所述加热线圈，分别设定多个温度平台，观察且记录每个温度平台下所述位移测量装置测试所述金属垫片位移的读数变化，计算体积膨胀系数；

S02：将所述金属垫片放置到所述膨胀橡胶试样的上方，将两个所述力学试验机压头分别夹持所述底座和所述金属垫片，调整接触压力为预设值，并设定所述力学试验机压头为位移恒定模式，启动所述温度控制***控制所述加热线圈，分别设定多个温度平台，观察且记录每个温度平台下所述载荷记录***的读数变化，计算所述膨胀橡胶试样的膨胀压力变化；

S03：根据体积弹性模量计算公式得到体积弹性模量值。

作为本发明的优选方案，所述步骤S01按照以下步骤实施：

S011：启动所述温度控制***控制所述加热线圈加热，使所述金属腔体的温度升高（降低），达到温度T；

S012：记录所述位移测量装置达到稳定状态的读数；

S013：依次重复所述步骤S011和S012，直至多个温度平台均记录完成。

作为本发明的优选方案，所述步骤S02按照以下步骤实施：

S021：启动所述温度控制***控制所述加热线圈，使所述金属腔体的温度升高（降低），达到温度T′；

S022：记录所述载荷记录***达到稳定状态的读数；

S023：依次重复所述步骤S021和S022，直至多个温度平台均记录完成。

本发明的有益效果为：

本发明提供了膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置，是集膨胀橡胶试样的制备及其体积弹性模量测试于一体，有效避免了由于样品加工导致的尺寸误差对测试准确性的影响，最大程度地模拟了膨胀橡胶在热膨胀工艺真实条件下的工作状态，保证体积弹性模量快速、方便、准确地测试，为有效控制热膨胀工艺成型复合材料制件质量提供保障。

本发明还提供了膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备方法，该方法能够有效改变采用“试错法”确定热膨胀工艺热胀压力的现状，大量节约试验成本，保证通过本发明所测得的体积弹性模量对实际工艺中热胀压力的准确预测及有效控制，在复合材料热膨胀工艺领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置的金属腔体的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的膨胀橡胶体积膨胀系数测试的装置示意图；

图3是本发明实施例一提供的膨胀橡胶热胀压力测试的装置示意图；

图4是本发明实施例二提供的膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备方法的流程图；

图5是本发明实施例二提供的膨胀橡胶体积膨胀系数测试的流程图；

图6是本发明实施例二提供的膨胀橡胶热胀压力测试的流程图。

其中：

1、金属腔体；2、温度控制***；3、加热线圈；4、百分表；5、金属垫片；6、第一热电偶；7、载荷记录***；8、力学试验机压头；10、膨胀橡胶；

11、底座；12、金属筒壁；13、紧固螺栓；14、压头；

121、第一放置孔；141、溢料口；142、第二放置孔。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

如图1至图3所示，本实施例提供了一种膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置，其包括用于放置膨胀橡胶试样件的金属腔体1、温度控制***2、金属垫片5、压头14、位移测量装置和载荷采集***。

其中，金属腔体1包括底座11和金属筒壁12，金属筒壁12的***套设有加热线圈3，底座11通过紧固螺栓13与金属筒壁12相连。

压头14与金属腔体1配合进行膨胀橡胶试样10的制备，压头14具有可伸入金属筒壁12内的挤压部，压头14上设有贯穿挤压部且通向压头14外部的溢料口141，压头14上设置有安装第二热电偶的第二放置孔142。

温度控制***2在膨胀橡胶试样10的制备、体积膨胀系数测试和热胀压力测试过程中控制加热线圈3加热金属腔体1，其包括用于检测金属腔体1温度的第一热电偶6，第一热电偶6设置于金属筒壁12上的第一放置孔121中。

当温度控制***2控制加热线圈3加热金属腔体1时，第一热电偶6为控温热电偶，能够控制调整加热温度至体积膨胀系数测试和热胀压力测试温度，实现膨胀橡胶的体积弹性模量的测试。当温度控制***2控制加热线圈3加热金属腔体1，第二热电偶为测温热电偶，能够感应检测到膨胀橡胶试样成型温度，便于控制试样件成型。金属腔体1的使用保证试样件尺寸的准确性，从而保证测试结果的可靠性。

金属垫片5在膨胀橡胶试样10的体积膨胀系数测试和热胀压力测试过程中设置于膨胀橡胶试样10的上方，金属垫片5形状和尺寸与金属筒壁12的内壁相适配，金属垫片5的设置可以有效控制试样的上表面平整度，以保证试样尺寸测试的准确性。

位移测量装置，其用于在膨胀橡胶试样10的体积膨胀系数测试过程中测量金属垫片5的位移变化。本实施例优选为，位移测量装置为百分表4，百分表4是利用齿条齿轮或杠杆齿轮传动,将测杆的直线位移变为指针的角位移的计量器具，其通常由测头、量杆、防震弹簧、齿条、齿轮、游丝、圆表盘及指针等组成，具有灵敏度高和测量精确的优势，有效提高了检测膨胀橡胶试样的膨胀位移变化的精确性。

载荷采集***，用于在膨胀橡胶试样10的热胀压力测试过程中测量膨胀橡胶试样10因受热膨胀而产生的膨胀压力变化，其包括载荷记录***7和与载荷记录***7均相连的两个力学试验机压头8，载荷记录***7用于记录不同温度下膨胀橡胶试样10的膨胀压力，其中一个力学试验机压头8设置于金属垫片5的上方，另一个力学试验机压头8设置于底座11的下方，两个力学试验机压头8分别夹持底座11和金属垫片5，进而夹持置于金属腔体1内的膨胀橡胶试样10，方便且准确地测试膨胀橡胶的膨胀压力。

本实施例的膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置，是集膨胀橡胶试样的制备及其体积弹性模量测试于一体，实现了重要参数的实时控制及准确测试，有效避免了由于样品加工导致的尺寸误差对测试准确性的影响，最大程度地模拟了膨胀橡胶在热膨胀工艺真实条件下的工作状态，保证体积弹性模量的快速、方便、准确地测试，为有效控制热膨胀工艺成型复合材料制件质量提供保障。

实施例二

如图4-图6所示，本实施例提供了一种用于如实施例一所述的膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置的膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备方法，该方法包括以下步骤：

S00：按照工艺需要，将膨胀橡胶原料按照一定比例混合均匀，置于真空环境进行除泡处理，然后注入金属腔体1中，启动温度控制***2控制加热线圈3加热金属腔体1至膨胀橡胶工艺温度，确定成型时间，直至膨胀橡胶试样10成型，成型过程中，利用压头14保证试样表面平整，多余的原料从溢料口141流出，完成膨胀橡胶试样10的制备。

优选的，例如制备双组分硅橡胶试样Aircast3600。将A组分和B组分按一定比例（如：10:1）混合均匀之后，在真空环境中放置10分钟进行去泡处理。去泡结束后，将原料混合液缓慢注入金属腔体1，启动温度控制***2控制加热线圈3加热金属腔体1至膨胀橡胶工艺温度60℃，利用第二热电偶达到膨胀橡胶工艺温度后，并在60℃条件静置2小时成型。

S01：将金属垫片5放置到膨胀橡胶试样10的上方，启动温度控制***2控制加热线圈3，分别设定多个温度平台，观察且记录每个温度平台下位移测量装置测试金属垫片5位移的读数变化，得到体积膨胀系数α_V，其中，本实施例的位移测量装置优选为百分表4。

优选的，步骤S01按照以下步骤实施：

S011：启动温度控制***2控制加热线圈3加热，使金属腔体1的温度升高（降低），达到温度T；

此实施例中，对于双组分硅橡胶试样Aircast3600来说，将高度为30mm，直径为25mm的硅橡胶圆柱体放置于金属腔体1中，加热的温度T可以为60℃、90℃、120℃、150℃、180℃。

S012：记录位移测量装置达到稳定状态的读数；

在加热过程中，由于膨胀橡胶热传导系数较低，膨胀橡胶温度缓慢上升，百分表4的读数不断变化，当读数达到稳定状态，记录百分表4的读数。

S013：依次重复步骤S011和S012，直至多个温度平台均记录完成。

利用公式（1）计算其热膨胀系数α。

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}\·\frac{1}{\mathrm{\ΔT}}---\left(1\right)$

其中，L—硅橡胶试样的初始高度；

ΔL—加热后硅橡胶试样膨胀的高度；

ΔT—与室温的温差。

通过试验，可以得出Aircast3600硅橡胶的膨胀量在测试温度范围内随着温度的升高而线性增加。

由于Aircast3600硅橡胶试样横截面积固定，因此，体积膨胀系数α_V的计算公式为：

${\mathrm{\α}}_V=\frac{\mathrm{\ΔV}}{V}\·\frac{1}{\mathrm{\ΔT}}---\left(2\right)$

其中，V—硅橡胶试样的初始体积；

ΔV—加热后硅橡胶试样膨胀的体积；

ΔT—与室温的温差。

根据公式（1）和公式（2）可知，测得的热膨胀系数α即为体积膨胀系数α_V。

S02：将金属垫片5放置到膨胀橡胶试样10的上方，将两个力学试验机压头8分别夹持底座11和金属垫片5，调整接触压力为预设值，如10牛顿，并设定力学试验机压头8为位移恒定模式，启动温度控制***2控制加热线圈3，分别设定多个温度平台，观察且记录每个温度平台下载荷记录***7的读数变化，得到膨胀橡胶试样10的膨胀压力变化值其中，步骤S01中的多个温度平台与步骤S02中的多个温度平台可以相互对应，也可以不对应。

优选的，步骤S02按照以下步骤实施：

S021：启动温度控制***2控制加热线圈3，使金属腔体1的温度升高（降低），达到温度T′；

本实施例中的温度T′可以设定在室温至180℃范围内。

S022：记录载荷记录***7达到稳定状态的读数；

在加热过程中，由于膨胀橡胶热传导系数较低，膨胀橡胶温度缓慢上升，载荷记录***7的读数不断变化，当读数达到稳定状态，记录载荷记录***7的读数。

S023：依次重复步骤S021和S022，直至多个温度平台均记录完成，通过记录的膨胀压力变化和温度变化，得到膨胀压力变化值

S03：根据体积弹性模量计算公式得到体积弹性模量值K_VT。

体积弹性模量值K_VT的计算公式为：

$K_{\mathrm{VT}}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ΔV}/V}---\left(3\right)$

其中，ΔV—硅橡胶试样的初始体积；

ΔP—硅橡胶试样的压强变化量；

ΔV—硅橡胶试样的体积变化量。

将公式（2）代入公式（3）中，可得体积弹性模量值K_VT的计算公式如下：

$K_{\mathrm{VT}}=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_V}\·\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ΔT}}---\left(4\right)$

其中，α_V—硅橡胶试样的体积膨胀系数；

ΔP—硅橡胶试样的压强变化量；

ΔT—与ΔP对应的硅橡胶试样的温度变化量。

在室温至180℃范围内，Aircast3600硅橡胶试样的热胀压力随着温度升高而线性增加，根据热膨胀系数测试方法得到的位移变化和热胀压力测试方法得到的膨胀压力变化，最终获得体积弹性模量值K_VT。

通过实施上述方法，能够有效改变采用的“试错法”确定热膨胀工艺热胀压力的现状，大量节约了试验成本，保证通过本发明所测得的体积弹性模量对实际工艺中热胀压力的准确预测及有效控制，在复合材料热膨胀工艺领域具有广泛的应用前景。

以上结合具体实施方式描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置，包括温度控制***(2)和位移测量装置，其特征在于，

包括金属腔体(1)，其包括底座(11)和金属筒壁(12)，所述金属筒壁(12)的***套设有加热线圈(3)；

压头(14)，其与所述金属腔体(1)配合进行膨胀橡胶试样(10)的制备；所述压头(14)具有可伸入所述金属筒壁(12)内的挤压部，所述压头(14)上设有贯穿所述挤压部且通向所述压头(14)外部的溢料口(141)；

所述温度控制***(2)在所述膨胀橡胶试样(10)的制备、体积膨胀系数测试和热胀压力测试过程中控制所述加热线圈(3)加热所述金属腔体(1)；

金属垫片(5)，其在所述膨胀橡胶试样(10)的体积膨胀系数测试和热胀压力测试过程中设置于所述膨胀橡胶试样(10)的上方，所述金属垫片(5)形状和尺寸与所述金属筒壁(12)的内壁相适配；

所述位移测量装置用于在所述膨胀橡胶试样(10)的体积膨胀系数测试过程中测量所述金属垫片(5)的位移变化；

载荷采集***，用于在所述膨胀橡胶试样(10)的热胀压力测试过程中测量所述膨胀橡胶试样(10)因受热膨胀而产生的膨胀压力变化，其包括载荷记录***(7)和与所述载荷记录***(7)均相连的两个力学试验机压头(8)，所述载荷记录***(7)用于记录不同温度下所述膨胀橡胶试样(10)的膨胀压力，其中一个所述力学试验机压头(8)设置于所述金属垫片(5)的上方，另一个所述力学试验机压头(8)设置于所述底座(11)的下方。

2.根据权利要求1所述的膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置，其特征在于，

所述温度控制***(2)包括用于检测所述金属腔体(1)温度的第一热电偶(6)，所述第一热电偶(6)设置于所述金属筒壁(12)上的第一放置孔(121)中。

3.根据权利要求1所述的膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置，其特征在于，

所述压头(14)上设置有安装第二热电偶的第二放置孔(142)。

4.根据权利要求1所述的膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置，其特征在于，

所述底座(11)通过紧固螺栓(13)与所述金属筒壁(12)相连。

5.根据权利要求1所述的膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置，其特征在于，

所述位移测量装置为百分表(4)。

6.一种用于权利要求1-5任意一项所述的膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备装置的膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备方法，其特征在于，

包括以下步骤：

S00：按照工艺需要，将膨胀橡胶原料按照一定比例混合均匀，置于真空环境进行除泡处理，然后注入所述金属腔体(1)中，启动所述温度控制***(2)控制所述加热线圈(3)加热所述金属腔体(1)至膨胀橡胶工艺温度，确定成型时间，直至所述膨胀橡胶试样(10)成型，成型过程中，利用所述压头(14)保证试样表面平整，多余的原料从所述溢料口(141)流出，完成所述膨胀橡胶试样(10)的制备；

S01：将所述金属垫片(5)放置在所述膨胀橡胶试样(10)的上方，启动所述温度控制***(2)控制所述加热线圈(3)，分别设定多个温度平台，观察且记录每个温度平台下所述位移测量装置测试所述金属垫片(5)位移的读数变化，计算体积膨胀系数；

S02：将所述金属垫片(5)放置到所述膨胀橡胶试样(10)的上方，将两个所述力学试验机压头(8)分别夹持所述底座(11)和所述金属垫片(5)，调整接触压力为预设值，并设定所述力学试验机压头(8)为位移恒定模式，启动所述温度控制***(2)控制所述加热线圈(3)，分别设定多个温度平台，观察且记录每个温度平台下所述载荷记录***(7)的读数变化，计算所述膨胀橡胶试样(10)的膨胀压力变化；

S03：根据体积弹性模量计算公式得到体积弹性模量值。

7.根据权利要求6所述的膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备方法，其特征在于，

所述步骤S01按照以下步骤实施：

S011：启动所述温度控制***(2)控制所述加热线圈(3)加热，使所述金属腔体(1)的温度升高(降低)，达到温度T；

S012：记录所述位移测量装置达到稳定状态的读数；

S013：依次重复所述步骤S011和S012，直至多个温度平台均记录完成。

8.根据权利要求6所述的膨胀橡胶体积弹性模量测试及其试样制备方法，其特征在于，

所述步骤S02按照以下步骤实施：

S021：启动所述温度控制***(2)控制所述加热线圈(3)，使所述金属腔体(1)的温度升高(降低)，达到温度T′；

S022：记录所述载荷记录***(7)达到稳定状态的读数；

S023：依次重复所述步骤S021和S022，直至多个温度平台均记录完成。