CN114264534A - 一种碳纤维层间剪切样条的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维层间剪切样条的制备方法。所述方法包括缠样、配胶、涂胶、固化步骤，先采用缠绕机将碳纤维缠绕在缠丝板上，按比例配置浸胶用胶液，将胶液均匀的涂抹在碳纤维试样正反面上，并按照宽度比例将试样对折3层，再将折叠的试样平直无扭曲的放入预热后的含溢胶槽的模具中，再加模具上压盖，压紧合实，并将重物放置模具上，加热固化。采用本发明方法制得的试样，提高了层间剪切测试的准确性和稳定性，且能够实现多组模具同时制样，提高制样效率的同时也方便批量检测。
Description
技术领域
本发明属于复合材料的测试领域，涉及一种碳纤维层间剪切样条的制备方法。
背景技术
碳纤维层间剪切通常是用来评价纤维与基体的黏结程度，一般采用短梁剪切试验方法测试。现有的层间剪切制样方法包含多种，如先浸胶再缠绕、手工缠丝、手工加压、热压成型等，制样过程中无法保证树脂的均匀性和含量，缠丝的数量也易出现偏差，操作周期长，手工加压不便于操作，制样过程中的碳纤维缠绕、浸胶过程、加热加压等因素均影响测试的准确性和稳定性。
中国专利申请CN108426760A公开了一种制备碳纤维复合材料层间剪切强度样条的方法，该方法采用先浸胶再缠绕制作方法，无法保证纤维浸胶的均匀性。中国专利申请CN112848383A公开了一种碳纤维层间剪切样条的制备方法和制备装置，采用热压机成型该方法在合模加压过程中，试样中的空气无法全部溢出，导致试样的孔隙率增加，影响测试的准确性和稳定性。
发明内容
为解决现有制样方法中存在的操作不便和稳定性差的问题，本发明提供一种制作简便、重复性好的碳纤维层间剪切样条的制备方法。该方法采用缠绕机和专用模具，一是提高了碳纤维缠绕的效果和准确性，效率可提升50％以上；二是施加相同张力提高了测试的稳定性；三是采用专用模具既确保了树脂含量的稳定性，又能有效排除试样中的空气；四是施加相同的重物确保了操作过程的重复性。
本发明所述的一种碳纤维层间剪切样条的制备方法，包括以下步骤：
(1)缠样：计算所需纤维的根数，确定碳纤维缠绕的圈数，采用缠绕机将碳纤维缠绕在缠丝板上制成试样，缠丝板的表面覆盖脱模纸；
(2)配胶：按比例称取环氧树脂和固化剂，并加热熔化至透明液体；
(3)涂胶：将缠丝板放在平板加热电炉上，先将胶液均匀涂抹在缠丝板A面的碳纤维上，脱模纸依次遮盖在试样宽度的1/2、1/4、1/8、1/8处，再将缠丝板B面的碳纤维中间剪断，用毛刷刷平碳纤维，取下缠丝板，将碳纤维另一面均匀涂抹胶液，最后按照脱模纸遮盖试样的宽度比折叠成3层，同时取下脱模纸；
(4)固化：将折叠的试样放入模具凹槽中，先将放入样件的凹槽模具预热，再用模具T型上压板加压合实，并将重5～10KG的重物放置于模具上，加热固化；所述的模具由前压板、后压板和T型上压板组成，前压板和后压板通过螺丝固定成模具凹槽和溢胶槽。
步骤(1)中，缠绕机由放丝架、计圈器、张力仪、缠绕架、缠丝板组成，放丝架可自动或手动放丝，缠绕架夹持着缠丝板。
步骤(1)中，缠丝板的尺寸根据实际需要设置。优选地，缠丝板的尺寸为长25cm～30cm、宽7cm～12cm、高0.8cm～1.2cm。在本发明具体实施方式中，缠丝板的尺寸为长28cm、宽10cm、高1cm。
步骤(1)中，缠丝张力根据实际需要设置，控制在5～15N，该张力下碳纤维既不过于紧绷又不至于松散。在本发明具体实施方式中，缠丝张力为8～11N。
步骤(4)中，溢胶槽的尺寸根据实际需要设置。在本发明具体实施方式中，溢胶槽的尺寸为240mm*5mm*10mm。加压固化过程中将气体和多余的胶排在溢胶槽中，合实T型上压板后凹槽中空尺寸为240mm*6mm*2mm。
步骤(4)中，预热温度为130±10℃。
步骤(4)中，固化程序为160℃/2h+180℃/1h+200℃/0.5h。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明在碳纤维层间剪切的制样过程中，对碳纤维缠绕、浸胶过程、加热加压等因素进行了改进，缠绕机记录缠绕圈数，保证了制备样条的有效性和张力的同一性；先缠丝后浸胶，保证了样条浸胶的均匀性；采用专用模具，既确保了样条尺寸的稳定性，又能将样条中残留的气泡和多余的胶液排出。采用本发明方法能够实现多组模具同时制样，提高制样效率的同时也方便批量检测。
附图说明
图1为本发明缠绕机的结构示意图，其中1为放丝架，2为碳纤维，3为张力仪，4为缠丝板，5为计圈器。
图2为本发明缠丝板的结构示意图，A面和B面。
图3为本发明模具的结构示意图，其中1为T型上压板，2为模具凹槽，3为试样位置，4为溢胶槽。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
如图1所示，本发明的缠绕机，由放丝架、计圈器、张力仪、缠丝板组成。
如图2所示，本发明的缠丝板分为A面和B面，即正反面，其中A面的碳纤维为试样用，B面的碳纤维要从中间剪断，为试样两端的辅助丝，且缠丝板的脱模纸上画有刻度标识，便于缠丝和制样折叠。
如图3所示，本发明的模具由T型上压板和模具凹槽组成，前压板和后压板通过4个螺丝固定成模具凹槽和溢胶槽。
实施例1
1.缠样：试样碳纤维的体密度为1.799g/cm3，线密度为0.802g/m，需要缠绕16圈，采用缠绕机将碳纤维缠在缠丝板上，缠绕张力为8N，缠丝板尺寸为长28cm、宽10cm、高1cm；
2.配胶：称取环氧树脂和固化剂，配置适量的胶液，加热熔化至透明液体；
3.涂胶：将缠丝板放在平板加热电炉上，先将胶液均匀涂抹在缠丝板A面的碳纤维上，脱模纸依次遮盖在试样宽度的1/2、1/4、1/8、1/8处，再将缠丝板B面的碳纤维中间剪断，刷平碳纤维，取下缠丝板，将碳纤维另一面均匀涂抹胶液，最后按照脱模纸遮盖试样的宽度比折叠成3层，同时取下脱模纸；
4.固化：将折叠的试样放入预热130℃的模具凹槽中，先将放入样件的凹槽模具放入烘箱中预热30min后，再加模具T型上压板，加压合实，将气体和多余的胶排在溢胶槽中，并将重5KG的重物放置模具上，固化程序为160℃/2h+180℃/1h+200℃/0.5h，完成固化。
本实施例制得的碳纤维样条的层间剪切强度为105MPa，CV值为1.5％。
实施例2
1.缠样：试样碳纤维的体密度为1.801g/cm3，线密度为0.454g/m，需要缠绕29圈，采用缠绕机将碳纤维缠在缠丝板上，缠绕张力为11N，缠丝板尺寸为长28cm、宽10cm、高1cm；
2.配胶：称取环氧树脂和固化剂，配置适量的胶液，并加热熔化至透明液体；
3.涂胶：将缠丝板放在平板加热电炉上，先将胶液均匀涂抹在缠丝板A面的碳纤维上，脱模纸依次遮盖在试样宽度的1/2、1/4、1/8、1/8处，再将缠丝板B面的碳纤维中间剪断，刷平碳纤维，取下缠丝板，将碳纤维另一面均匀涂抹胶液，最后按照脱模纸遮盖试样的宽度比折叠成3层，同时取下脱模纸；
4.固化：将折叠的试样放入预热130℃的模具凹槽中，先将放入样件的凹槽模具放入烘箱中预热30min后，再加模具T型上压板，加压合实，将气体和多余的胶排在溢胶槽中，并将重8KG的重物放置模具上，固化程序为160℃/2h+180℃/1h+200℃/0.5h，完成固化。
本实施例制得的碳纤维样条的层间剪切强度为104MPa，CV值为1.9％。
对比例1
1.缠样：与实施例1中的试样为同轴丝，手动将碳纤维缠绕在缠丝板上，缠绕圈数为8圈，缠丝板尺寸为长40cm、宽10cm、高1cm；
2.配胶：称取环氧树脂和固化剂，配置适量的胶液，并加热熔化至透明液体；
3.涂胶：将缠丝板放在平板加热电炉上，先将胶液均匀涂抹在缠丝板A/B面的碳纤维上，剪断板一端的碳纤维，取下缠丝板，将试样按宽度方向对折3次；
4.固化：将折叠的试样放入预热130℃的模具凹槽中，此模具不含溢胶槽，先将放入样件的凹槽模具放入烘箱中预热30min后，再加模具T型上压板，加压合实，并将重5KG的重物放置模具上，固化程序为160℃/2h+180℃/1h+200℃/0.5h，完成固化。
本对比例制得的碳纤维样条的层间剪切强度为98MPa，CV值为4.5％，CV值是实施例1的3倍，可见实施例测试的稳定性较好。
对比例2
1.缠样：与实施例1中的试样为同轴丝，手动将碳纤维缠绕在缠丝板上，缠绕圈数为15圈，缠丝板尺寸为长40cm、宽10cm、高1cm；
2.配胶：称取环氧树脂和固化剂，配置适量的胶液，并加热熔化至透明液体；
3.涂胶：将缠丝板放在平板加热电炉上，先将胶液均匀涂抹在缠丝板A/B面的碳纤维上，剪断板一端的碳纤维，取下缠丝板，将试样按宽度方向对折3次；
4.固化：将折叠的试样放入预热130℃的模具凹槽中，此模具含溢胶槽，先将放入样件的凹槽模具放入烘箱中预热30min后，再加模具T型上压板，加压合实，将气体和多余的胶排在溢胶槽中，并将重5KG的重物放置模具上，固化程序为160℃/2h+180℃/1h+200℃/0.5h，完成固化。
本对比例制得的碳纤维样条的层间剪切强度为92MPa，CV值为5.3％，CV值是实施例1的3.5倍，可见实施例测试的稳定性较好。
对比例3
1.缠样：与实施例2中的试样为同轴丝，采用缠绕机将碳纤维缠在缠丝板上，缠绕张力为10N，缠丝板尺寸为长28cm、宽10cm、高1cm；
2.配胶：称取环氧树脂和固化剂，配置适量的胶液，并加热熔化至透明液体；
3.涂胶：将缠丝板放在平板加热电炉上，先将胶液均匀涂抹在缠丝板A/B面的碳纤维上，剪断板一端的碳纤维，取下缠丝板，将试样按宽度方向对折3次；
4.固化：将折叠的试样放入预热130℃的模具凹槽中，此模具不含溢胶槽，先将放入样件的凹槽模具放入烘箱中预热30min后，再加模具T型上压板，加压合实，并将重5KG的重物放置模具上，固化程序为160℃/2h+180℃/1h+200℃/0.5h，完成固化。
本对比例制得的碳纤维样条的层间剪切强度为92MPa，CV值为4.9％，CV值是实施例2的2.6倍，可见实施例测试的稳定性较好。
Claims (9)
1.一种碳纤维层间剪切样条的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)缠样：计算所需纤维的根数，确定碳纤维缠绕的圈数，采用缠绕机将碳纤维缠绕在缠丝板上制成试样，缠丝板的表面覆盖脱模纸；
(2)配胶：按比例称取环氧树脂和固化剂，并加热熔化至透明液体；
(3)涂胶：将缠丝板放在平板加热电炉上，先将胶液均匀涂抹在缠丝板A面的碳纤维上，脱模纸依次遮盖在试样宽度的1/2、1/4、1/8、1/8处，再将缠丝板B面的碳纤维中间剪断，用毛刷刷平碳纤维，取下缠丝板，将碳纤维另一面均匀涂抹胶液，最后按照脱模纸遮盖试样的宽度比折叠成3层，同时取下脱模纸；
(4)固化：将折叠的试样放入模具凹槽中，先将放入样件的凹槽模具预热，再用模具T型上压板加压合实，并将重5～10KG的重物放置于模具上，加热固化；所述的模具由前压板、后压板和T型上压板组成，前压板和后压板通过螺丝固定成模具凹槽和溢胶槽。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，缠绕机由放丝架、计圈器、张力仪、缠绕架、缠丝板组成，放丝架可自动或手动放丝，缠绕架夹持着缠丝板。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，缠丝板的尺寸为长25cm～30cm、宽7cm～12cm、高0.8cm～1.2cm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，缠丝板的尺寸为长28cm、宽10cm、高1cm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，缠丝张力为5～15N。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，缠丝张力为8～11N。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，溢胶槽的尺寸为240mm*5mm*10mm，合实T型上压板后凹槽中空尺寸为240mm*6mm*2mm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，预热温度为130±10℃。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，固化程序为160℃/2h+180℃/1h+200℃/0.5h。
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