CN110487643B - 一种微米级纤维剪切强度测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微米级纤维剪切强度测试方法，其特征在于包含以下步骤：(1)有限元分析确定纤维处于剪切状态下的底座间距范围；(2)对用于固定待测纤维的底座进行预处理；(3)测量底座中间间隙的大小；(4)固定待测纤维；(5)探针对待测纤维的中央压缩加载，并测量出将纤维剪断所需的剪切力Fs；(6)根据公式计算待测纤维的剪切强度T。本发明能够测试准确微米级纤维的剪切强度，进而可以对复杂应力状态下纤维的失效准则进行分析。
Description
技术领域
本发明涉及纤维测试方法，具体为一种微米级纤维剪切强度测试方法。
背景技术
连续纤维增强复合材料在沿纤维轴向方向（纵向）拥有较强的力学性能，而在垂直于纤维方向（横向）的强度较差，这成为复合材料在复杂环境中使用时的安全隐患之一，故测量纤维的剪切应力是非常必要的。不同直径微米级纤维的剪切强度按照传统方法也难以测量。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种能够对复杂应力状态下纤维的失效准则进行分析微米级纤维剪切强度测试方法。
技术方案：本发明所述的一种微米级纤维剪切强度测试方法，包含以下步骤：
（1）有限元分析：先用UG建立待测纤维，底座和探针的模型，通过改变底座间距的大小来模拟底座间隙对待测纤维切应力的影响，所模拟的待测纤维在底座间隙为0 .018mm时横截面的切应力突然增大，确定这个间距为待测纤维处于剪切状态下底座的最小间距；底座由高弹性模量且不与酸反应的材料制成，优选为钨片；
（2）对用于固定待测纤维的底座进行预处理时，底座上黏贴待测纤维的平面要保证平行，进行剪切的两个平面要垂直，平面的表面粗糙度小于待测纤维半径的10％，待测纤维直径为1～900μm；
（3）测量底座中间间隙的大小，采用光学显微镜在不小于400倍数下观察间距，确定间隙的实际距离，与步骤（1）得到的最小间距0 .018mm进行比较，判断是否相差不大；
（4）固定待测纤维，采用光学显微镜在400倍以上放大倍数下观察待测纤维，确定待测纤维是否已被固定；
（5）微米级待测纤维剪切试验在纳米力学测试***上进行，纳米压痕仪探针对待测纤维的中央压缩加载至待测纤维压断，压入深度为5×10-4mm，并测量出将待测纤维剪断所需的剪切力Fs，探针的尺寸为底座中间间隙的0.9~0.95倍；
（6）待测纤维的剪切强度τ的计算公式为：
其中，rf为待测纤维半径，Fs为将待测纤维剪断所需的剪切力，测量和固定通过光学显微镜在400倍以上放大倍数下观察；
（7）重复上述步骤，多次测量求平均值。
工作原理：用探针对待测纤维进行压缩加载时，底座弹性模量大产生的应变可以忽略不计，保证了在压缩加载时底座的两个面始终垂直，从而使待测纤维在剪切状态下发生断裂。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：能够测试准确微米级纤维的剪切强度，进而可以对复杂应力状态下纤维的失效准则分析提供材料的基础力学性能参数。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明夹具4的结构示意图；
图3是本发明底座的结构示意图；
图4是本发明的有限元模型图。
具体实施方式
以下实施例中，待测纤维1半径rf取为3.5μm。
表1有限元模拟获得剪切应力随间隙宽度变化规律
（1）有限元分析：先用UG建立待测纤维1，底座2和探针3的模型，待测纤维1剪切失效的切向位移为5×10-4mm，对探针3施加一个方向沿待测纤维1切向，大小为5×10-4mm的位移约束，然后求解待测纤维1剪切应力，通过改变底座2间距的大小来模拟底座2间隙对待测纤维1切应力的影响，结果如表1所示，从表1可以看出，所模拟的待测纤维1在底座2间隙为0.018mm时横截面的切应力突然增大，可以确定这个间距为待测纤维1处于剪切状态下底座2的最小间距；
（2）底座2的处理：底座2的材料须选取弹性模量大的材料，夹具4须选取有磁性的金属且易加工，这里选取底座2材料为钨，夹具4材料为钢，钨弹性模量大，且不与硝酸发生反应，钨无磁性不能固定在磨床上，而钢有磁性，能把钨片固定在磨床上加工，先加工一个夹具4，然后用夹具4将钨片夹住如图2~3所示，将夹具4固定在磨床上，将A平面进行精磨使其表面粗糙度不大于0.35μm（待测纤维1半径的10%），随后将这对钨片的A平面对齐用强力胶水黏在夹具4上，接着将钨片的B进行精磨保证平面的表面粗糙度和平面度与塞规的表面粗糙度和平面度一致，这样处理的顺序特征在于可以保证A、B两个平面的垂直度使待测纤维1在下压时处于剪切状态，然后用这对钨片的平面B钨片将塞规固定住，并用夹子将钨片夹紧，把夹紧的钨片B平面与镶嵌槽底接触并轻轻下压钨片以保证这对钨片的B平面与镶嵌槽底座2在同一个平面上并用镶嵌剂将钨片镶嵌在槽中，待镶嵌剂固化后把镶嵌块取出并泡在浓硝酸中使间隙中的塞规融掉，得到间距为0.018mm的底座2，塞规的特性在于可以与浓硝酸发生反应，而镶嵌剂和钨片不与硝酸反应；
这样处理的顺序特征在于可以保证A、B两个平面的垂直度使待测纤维1在下压时处于剪切状态，利用丙酮可与强力胶的主要成分α-氰基丙烯酸乙酯发生反应来使钨片从夹具4上脱落，塞规可与硝酸发生反应而钨片和镶嵌剂不与硝酸反应，保证间隙中的塞规成功溶解，不同间隙可以采用不同厚度的塞规来控制；
（3）采用光学显微镜在不小于400倍数下观察底座2中间间隙，确定间隙的实际距离，与0.018mm进行比较，判断是否相差不大；
（4）用镊子小心夹取单根待测纤维1横跨在间隙上，并将待测纤维1一端通过热熔胶黏贴在底座2上，随后将待测纤维1拉直，并用热熔胶固定另一端，在底座2横向上间隔一定距离均匀固定待测纤维1；采用光学显微镜在不小于400倍放大倍数下观察待测纤维1，确定待测纤维1是否已固定；
（5）将制备好的待测纤维1剪切试样在纳米压痕仪上采用尺寸略小于180μm的探针3进行压缩加载，此时待测纤维1处于剪切状态，将通过纳米力学测试***进行的待测纤维1剪切试验，测出将待测纤维1剪断所需剪切力；
（6）根据公式
计算待测纤维1剪切强度，其中，rf为纤维半径，Fs为将纤维剪断所需的剪切力。
表2是用上述实施例的方法进行纤维剪切试验得到的测试数据及纤维剪切强度，将在钨片横向上间隔一定距离均匀固定纤维按从左往右的顺序依次编号，分别为T300-S-1、T300-S-2、T300-S-3、T300-S-4、T300-S-5，从表中可看出，T300纤维的纤维剪切强度为675.42MPa，标准差为122.30MPa；T700纤维的剪切强度为942.94MPa，标准差为153.62MPa。
表2 纤维剪切强度试验数据
Claims (6)
1.一种微米级纤维剪切强度测试方法，其特征在于包含以下步骤：
（1）采用有限元法分析确定纤维处于剪切状态下的底座间距：通过改变底座间距的大小来模拟底座间距对待测纤维切应力的影响，所模拟的待测纤维在底座的间隙为某一间距时的切应力突然增大，确定这个间距为待测纤维处于剪切状态下底座的最小间距；
（2）对用于固定待测纤维的底座进行预处理，将底座材料、塞规固定住，把夹紧的钨片与镶嵌槽底接触并下压钨片，以保证这对钨片与镶嵌槽底部在同一个平面上并用镶嵌剂将钨片镶嵌在槽中，待镶嵌剂固化后把镶嵌块取出并泡在浓硝酸中使间隙中的塞规融掉，得到间距为步骤（1）中确定的最小间距的底座，钨片与镶嵌槽接触的各个平面的表面粗糙度小于待测纤维半径的10%；
（3）测量底座中间间隙的大小，与步骤（1）中确定的最小间距进行比较，判断是否相差不大；
（4）固定待测纤维；
（5）采用纳米压痕仪探针对底座的间隙上的待测纤维的轴向中点压缩加载至待测纤维压断，并测量出将纤维剪断所需的剪切力Fs；探针的尺寸为底座的中间间距的0.9~0.95倍，宽度大于待测纤维的直径；
（6）待测纤维的剪切强度τ的计算公式为：
其中，rf为待测纤维（1）半径，Fs为将待测纤维（1）剪断所需的剪切力。
2.根据权利要求1所述的一种微米级纤维剪切强度测试方法，其特征在于：所述底座（2）材料为钨。
3.根据权利要求1所述的一种微米级纤维剪切强度测试方法，其特征在于：所述步骤（2）中待测纤维（1）的直径为1~900μm。
4.根据权利要求1所述的一种微米级纤维剪切强度测试方法，其特征在于：所述步骤（3）中底座（2）的中间间隙小于等于待测纤维（1）半径的5倍。
5.根据权利要求1所述的一种微米级纤维剪切强度测试方法，其特征在于：所述步骤（5）中探针（3）压入直至待测纤维（1）压断。
6.根据权利要求1所述的一种微米级纤维剪切强度测试方法，其特征在于：所述测量和固定通过光学显微镜在400倍以上放大倍数下观察。
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