CN104819877A - 一种单向碳纤维布拉伸性能测试的制样方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种单向碳纤维布拉伸性能测试的制样方法，通过使用张力装置沿着纬向方向施加拉力，使得丝束在碳纤维布成型片材过程中保持平行和伸直状态，提高了拉伸性能测试样条的拉伸强度准确性和可靠性，拉伸性能测试样条的合格率可达100％；在玻璃平板上放置标尺，使得单向碳纤维布片材和单向碳纤维布样条树脂分布均匀，不会产生淤积，消除拉伸测试过程中的应力集中现象，降低试样提前破坏的几率；单向碳纤维布样条的两端一次性固化成型树脂型加强片,替代了外粘贴铝片或纤维增强树脂等传统加强片，消除了因外粘贴和粗糙处理传统加强片不当而引起的偏向拉伸、应力-变形曲线不规则等技术问题，提高了测试结果的准确性和可靠性。

Description

一种单向碳纤维布拉伸性能测试的制样方法

技术领域

本发明属于材料测试样品的制备方法领域，具体涉及一种单向碳纤维布拉伸性能测试的制样方法。

背景技术

近年来，由于碳纤维具有高强度、高模量、低密度等优异性能，被广泛应用在国民经济各个领域；其中，尤以单向碳纤维布和其配套树脂胶复合而成的碳纤维增强复合材料因具有轻质、高强、耐腐蚀、施工方便、对环境影响小等优点，已广泛应用于混凝土结构的加固补强、修复工程中。在上述工程中，单向碳纤维布的力学性能是影响碳纤维布以及碳纤维增强复合材料的性质和使用的关键因素。因此，正确反映单向碳纤维布力学性能的测试成为控制碳纤维布及其增强复合材料性质的关键步骤。

其中，单向碳纤维布的拉伸性能是其力学性能中极为重要的一项，因此，研究单向碳纤维布的拉伸性能非常必要。目前，单向碳纤维布拉伸性能的测试方法已有国家标准GB/T3354-2013。然而，关于单向碳纤维布试样的具体制样方法没有明确的规定。常用的单向碳纤维布拉伸性能测试的制样方法是岳清瑞、曹劲松等发表的名为《碳纤维布标准检测方法中试件尺寸影响的试验研究》文章公开的方法。但是此常用制样方法存在以下技术难点：

1、单向碳纤维布在浸渍树脂的过程中，玻璃棒的滚压会导致碳纤维丝束发生弯曲、移位、皱褶，使丝束之间不平行，进而可能导致在拉伸测试过程中拉伸性能测试样条的碳纤维丝束断裂的不同时进行，使得测试所得的拉伸强度偏低；此外，碳纤维丝束的不平行或不伸直还会造成单向碳纤维布样条废弃率增加；

2、用此制样方制备的单向碳纤维布片材，容易造成树脂淤积，使裁剪成单向碳纤维布样条的含胶量不均匀，加重拉伸性能测试样条在拉伸过程中的应力集中，会导致样条提前破坏；

3、此制样过程中需要粘结传统的硬铝材料或纤维增强树脂做加强片，在粘贴传统的加强片之前，需要对传统的加强片进行裁剪、粗糙处理和制作导角，费时费工，使得测试成本高，实验周期长；此外加强片的打磨粗糙不当会造成加强片脱落，使其测试结果出现偏差；

4、在粘结传统的加强片时，加强片的涂胶量不容易控制，进而导致测试样条两端加强片较厚或者厚度不均匀，使得拉伸测试时拉伸测试样条受力方向与样条方向形成一定的夹角，产生弯矩，使得测试样条加载过程中发生扭转，导致拉伸性能测试过程中发生偏向拉伸，出现应力-变形曲线不规则等问题，造成拉伸强度和伸长率的数值偏低，不能反映材料的真实性能；

同时，通过大量的试验发现，单向碳纤维布试样的取样方式、浸胶方式、试样含胶量的均匀性、加强片的粗糙处理、加强片的粘接等这些因素都会影响单向碳纤维布的拉伸力学性能。

发明内容

为了解决以上技术难题，本发明提供了一种单向碳纤维布拉伸性能测试的制样方法。

本发明提供的一种单向碳纤维布拉伸性能测试的方法，包括如下步骤：

一种单向碳纤维布拉伸性能测试的制样方法，其特征在于，所述制样方法包括如下步骤：

(1)选取单向碳纤维布试样固化所需用量的环氧树脂，然后在玻璃平板上放置一张树脂片，将环氧树脂分成A、B两部分，其中A部分均匀平铺在树脂片上；随后沿单向碳纤维布的纬向方向将单向碳纤维布试样固定在张力装置上，然后施加张力，同时沿受力方向用金属滚筒滚压碳纤维布试样，使环氧树脂充分浸渍碳纤维布试样；

(2)将B部分环氧树脂均匀涂覆在施加预张力的碳纤维布试样表面，刮平环氧树脂，盖上树脂片，并且赶出两树脂片之间的气泡，在玻璃平板上放置标尺，加盖玻璃平板压实上述浸渍和涂覆环氧树脂的单向碳纤维布试样，并使其固化成型为单向碳纤维布片材，固化温度为20-35℃，固化时间为18-30h；

(3)将步骤(2)中所述碳纤维布片材裁成单向碳纤维布样条，在所述样条的两端一次性固化成型树脂型加强片，制备拉伸性能测试样条；其中，固化成型的树脂型加强片长50mm，宽15mm，厚度为2～6mm，并且所述树脂型加强片与样条端点平齐的一端为直角，另一端为15-90度导角；固化温度为20-35℃，固化时间为6-8天。

所述的方法，步骤(1)中所述张力装置包括前置夹具2、后置夹具5；其中，所述前置夹具2固定在前固定支架1上；后置夹具5通过牵引钢丝绳6绕过滑轮8连接一个可调节重量的配重块7。

在上述方法中，其中，步骤(1)中所述环氧树脂的A、B两部分的质量比为3:1-5:1。

在上述方法中，其中，步骤(1)中所述环氧树脂的A、B两部分的质量比为4:1。

在上述方法中，其中，步骤(2)中所述的固化温度为23℃，固化时间为24h。

在上述方法中，其中，步骤(3)中所述的固化成型的树脂型加强片厚度为4mm。

在上述方法中，其中，步骤(3)中所述的固化温度为23℃，固化时间为7天。

在上述方法中，其中，步骤(3)中所述一次性固化成型树脂型加强片在加强片成型模具中完成；其中，所述加强片成型模具由结构完全相同的A模和B模构成；A模和B模闭合后，形成一个哑铃形状的空腔；所述空腔的深度为15mm，长度为230～250mm；在空腔的两端有两个长度为50mm，宽度为3～5mm的凹槽；其中，所述凹槽内侧边与水平面的夹角为15～90度；同时，哑铃型空腔的中间的狭长部分，作为单向碳纤维布样条的固定腔。

在上述方法中，其中，一种单向碳纤维布拉伸性能测试的制样方法步骤还包括裁剪单向碳纤维布试样、清洗工具和模具、调胶。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、在浸渍树脂的过程中，将裁剪好的单向碳纤维布试样固定在张力装置上，在单向碳纤维布试样受到纬向方向张力作用的情况下，沿受力方向用金属滚筒滚压碳纤维布试样，使得环氧树脂充分浸渍碳纤维布试样；由于碳纤维布纬向方向的张力作用使得碳纤维丝束保持平行和伸直状态，进而使得拉伸性能测试样条在拉伸测试过程中实现了碳纤维丝束断裂的同时进行，提高了拉伸性能测试样条的拉伸强度准确性和可靠性；同时，单向碳纤维布片材和拉伸性能测试样条的合格率可达100％；

2、在制备成型单向碳纤维布片材时，浸渍和涂覆环氧树脂的单向碳纤维布试样盖上树脂片赶出两树脂片之间的气泡后，在玻璃平板上放置标尺，然后再加盖玻璃平板压实固化浸渍和涂覆环氧树脂的单向碳纤维布试样，使得单向碳纤维布片材以及片材裁剪后所得单向碳纤维布样条的树脂分布均匀，不会产生淤积，进而消除在拉伸测试过程中的拉伸性能测试样条的应力集中现象，降低测试样条提前破坏情况的发生几率；同时将环氧树脂分两部分分别浸渍和涂覆碳纤维布，进一步促使环氧树脂能充分接触碳纤维布，固化过程中环氧树脂分布均匀，减弱单向碳纤维布片材以及单向碳纤维布样条产生树脂淤积的情况发生；

3、在单向碳纤维布样条的两端一次性固化成型树脂型加强片代替外加的铝片或纤维增强树脂等传统加强片，不仅仅去掉了对外加传统加强片的处理步骤，缩短了测试验周期，更消除了外粘贴传统加强片过程中出现的一系列工艺问题对测试结果造成的偏差；

4、在单向碳纤维布样条的两端一次性固化成型树脂型加强片制备拉伸性能测试样条，更进一步解决了外加加强片中存在的偏向拉伸、应力-变形曲线不规则等技术问题，提高了测试结果的准确性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1.单向碳纤维布试样张力装置的主视图；

1-前固定支架；2-前置样品夹具；3-玻璃平板或垫板；4-单向碳纤维布；5-后置样品夹具；6-钢丝绳；7-配重块；8-滑轮；9-操作平台；

图2.单向碳纤维布试样张力装置的俯视图；

图3.单向碳纤维布拉伸性能测试样条及其一次性固化成型的树脂型加强片示意图；

1-树脂型加强片；

图4.单向碳纤维布样条一次性固化成型树脂型加强片成型模具的主视图；

图5.单向碳纤维布样条一次性固化成型树脂型加强片成型模具的俯视图；

图6.单向碳纤维布样条树一次性固化成型树脂型加强片成型模具的使用状态横截面示意图；

1-A模；2-B模；3-单向碳纤维布样条固定腔；4-加强片成型空腔；

图7.本发明实施例1的制样方法与现有制样方法制备的拉伸性能测试样条的拉伸应力-变形曲线；

曲线1-现有制样方法制备的拉伸性能测试样条的拉伸应力-变形曲线；

曲线2-本发明实施例的制样方法制备的拉伸性能测试样条的拉伸应力-变形曲线；

图8.本发明实施例1的制样方法制备的拉伸性能测试样条的截面照片；

图9.现有制样方法制备的拉伸性能测试样条的截面照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，单向碳纤维布试样所受单向拉力是通过张力装置实现：在操作平台9上，沿单向碳纤维布纬向方向将单向碳纤维布试样的一端用前置夹具2固定，所述前置夹具2固定在前固定支架1上；碳纤维布试样的另一端用后置夹具5固定加紧，所述后置夹具5通过牵引钢丝绳6绕过滑轮7连接一个配重块8，通过调节所述配重块8的重量来控制施加给单向碳纤维布试样的张力的大小，从而实现单向碳纤维布试样中纤维束之间相互平行且受力均匀。

单向碳纤维布拉伸测试样条及其一次性固化成型的树脂型加强片，如图3所示，1为固化成型的树脂型加强片，长50mm，宽15mm，厚度为2～6mm，并且所述树脂型加强片与单向碳纤维布样条端点平齐的一端为直角，另一端为15-60度导角。

单向碳纤维布样条一次性固化成型树脂型加强片成型模具装置如图4至图6所示，加强片成型模具是由结构完全相同的A模1和B模2构成；A模和B模闭合后，形成一个哑铃形状的空腔4。空腔的深度为15mm，长度为230～250mm；空腔的两端有两个长度为50mm，宽度为4～5mm的凹槽，其中所述凹槽内侧边与水平面的夹角为15～90度；同时，哑铃型空腔的中间的狭长部分，即碳纤维布样条固定腔3的宽度与碳纤维布样条的厚度一致。制作加强片时，A模和B模闭合，在碳纤维布样条固定腔3中放入制备的单向碳纤维布样条，然后在两端的加强片成型空腔4中填充混合均匀的AB胶粘剂并压实，室温固化一周，开模，制得拉伸性能测试样条。用这种方法制备的加强片，能够保证所得拉伸性能测试样条两端加强片的厚度均匀且相同，能够解决测试样条在拉伸过程中的偏向拉伸等问题。

实施例1

本发明的一种单向碳纤维布拉伸性能测试的制样方法，步骤如下：

(1)裁剪试样：从待检测的单向碳纤维布中裁剪出尺寸为250mm×250mm的碳纤维布试样；

(2)清洗工具和模具：用无水乙醇(或者丙酮)清洗树脂片及工具和模具，晾干；

(3)调胶：按比例称取与单向碳纤维布相配套的单向碳纤维布固化所需用量的环氧树脂，并且混和均匀；

(4)浸渍树脂：如图1、图2所示，在玻璃平板或者垫板3上放置一张树脂片，将调匀的环氧树脂分成A、B两部分，其中A、B两部分的质量比为4:1；将A部分环氧树脂倒在树脂片上，并且用刮片刮开、使其分布均匀，面积大小按照步骤(1)中裁剪的单向碳纤维布试样的规格；沿单向碳纤维布试样的纬向方向，将单向碳纤维布试样4的一端用前置夹具2固定，其中，所述前置夹具2固定在前固定支架1上；碳纤维布的另一端用后置夹具5固定加紧，其中，所述后置夹具5通过牵引钢丝绳绕过滑轮7连接一个配重块8(1100g)，使单向碳纤维布的单根复丝相互平行，且受力均匀；在沿单向方向施加拉力的单向碳纤维布试样上，沿着一个方向用金属滚筒滚压，使环氧树脂充分浸渍碳纤维布；

(5)将剩余的B部分环氧树脂涂覆在施加预张力的碳纤维布表面上，用刮片将其刮平；

(6)盖上另一片树脂片，用另一干净的刮片将两树脂片之间的气泡赶出，直至碳纤维布表面环氧树脂表面均匀无气泡；

(7)在玻璃平板上放上标尺，盖上另外一块玻璃平板，于23℃固化24h，固化成型单向碳纤维布片材；

(8)根据GB/T3354-2013将固化后成型的单向碳纤维布片材裁切成15mm宽的单向碳纤维布样条，在所得样条的两端一次性固化成型树脂型加强片，其中，固化成型的树脂型加强片长50mm，宽15mm，厚度为4mm，并且所述树脂型加强片与样条端点平齐的一端为直角，另一端为45度导角；制作加强片时，一次性固化成型树脂型加强片成型模具装置如图4至图6所示，A模和B模闭合，在碳纤维布试件固定腔3中放入制备的碳纤维布样条，然后在两端的加强片成型空腔4中填充混合均匀的AB胶粘剂并压实，于23℃固化7天，获得拉伸性能测试样条，单向碳纤维布拉伸性能测试样条及其一次性固化成型的树脂型加强片，如图3所示。

在本发明的制样方法中，单向碳纤维布片材的制备过程中，固化温度可以选择20℃、25℃、30℃、和35℃，固化时间可以选择18h、24h、26h、和30h；单向碳纤维布片材两端一次性固化成型树脂型加强片过程中，树脂型加强片的厚度可以为3mm、4mm、5mm、6mm；所述树脂型加强片与单向碳纤维布样条端点平齐的一端为直角，另一端为可以选择15度、30度、60度、90度的导角；固化温度可以选择20℃、25℃、30℃、和35℃，固化时间可以选择6天、8天，上述工艺条件均能够实现本发明的技术效果。

选用本发明实施例1的制样方法与现有的制样方法分别对一批单向碳纤维布进行制样，对两种方法所得到的各10个拉伸性能测试样条分别进行测试，其拉伸强度如表1所示。

表1本发明实施例1制样方法与现有制样方法所制备的10个拉伸性能测试样条拉伸强度(Mpa)

对比两种制样方法所制备的拉伸性能测试样条的拉伸强度可知：本发明实施例1的制样方法所制备的拉伸性能测试样条的平均拉伸强度相对于现有制样方法所制备的拉伸性能测试样条的平均拉伸强度提高了8.2％，而标准偏差下降26％。

图7为实施例1制样方法与现有制样方法制备的拉伸性能测试样条的拉伸应力-变形曲线。从图中可以看出现有制样方法制备的拉伸性能测试样条的拉伸应力-变形曲线是不规则的，它的不规则是由测试样条的偏向拉伸和样品中部分纤维丝束首先承受应力发生断裂引起的震动引起的；从图中可以看出本发明实施例1制样方法制备的拉伸性能测试样条的拉伸应力-变形曲线是规则的。由此可知，在制样方法中引入预应力和树脂型加强片对于解决拉伸试样的偏向拉伸、以及拉伸应力-变形曲线不规则是有效的。

图8为本发明实施例1的制样方法制备的拉伸性能测试样条的截面照片；图9为现有制样方法制备的拉伸性能测试样条的截面照片。对比两种制样方法制备的样条的截面照片可以看出，在本发明实施例的制样方法制备的拉伸性能测试样条的截面中，纤维丝束排列均匀、平直，在承受拉力时同时受力，不存在单个丝束先受力破坏的状况；而且从截面图中可以看出，拉伸性能测试样条的含胶量是比较均匀的，其含胶量在40％～50％之间。现有制样方法制备的拉伸性能测试样条的截面中纤维丝束是弯曲的，在承受拉力时不是同时受力，而是在部分单个丝束首先受力破坏，其它丝束随后受力最终破坏；而且从截面图中可以看出，拉伸性能测试样条的含胶量是不均匀的。

本发明方法制备的单向碳纤维布拉伸性能测试样条，在固化成型片材过程中给碳纤维布试样施加张力的同时浸渍环氧树脂，实现了纤维丝束排列均匀、平直，所有丝束能够同时受力，能够正确反映碳纤维布的受力情况和力学性能；同时玻璃平板上放置标尺，使得单向碳纤维布片材以及单向碳纤维布样条的树脂分布均匀，不会产生淤积，消除拉伸测试过程中的拉伸性能测试样条应力集中现象，降低测试样条提前破坏的几率；单向碳纤维布样条的两端一次性固化成型树脂型加强片,替代了外粘贴铝片或纤维增强树脂等传统加强片，去掉了对外加传统加强片的处理步骤，缩短了测试验周期，消除了因外粘贴和粗糙处理传统加强片不当而引起的偏向拉伸、应力-变形曲线不规则等技术问题，提高了测试结果的准确性和可靠性。

Claims (9)

1.一种单向碳纤维布拉伸性能测试的制样方法，其特征在于，所述制样方法包括如下步骤：

(1)选取单向碳纤维布试样固化所需用量的环氧树脂，然后在玻璃平板上放置一张树脂片，将环氧树脂分成A、B两部分，其中A部分均匀平铺在树脂片上；随后沿单向碳纤维布的纬向方向将单向碳纤维布试样固定在张力装置上，然后施加张力，同时沿受力方向用金属滚筒滚压碳纤维布试样，使环氧树脂充分浸渍碳纤维布试样；

(2)将B部分环氧树脂均匀涂覆在施加张力的碳纤维布试样表面，刮平环氧树脂，盖上树脂片，并且赶出两树脂片之间的气泡，在玻璃平板上放置标尺，加盖玻璃平板压实上述浸渍和涂覆环氧树脂的单向碳纤维布试样，并使其固化成型为单向碳纤维布片材，固化温度为20-35℃，固化时间为18-30h；

(3)将步骤(2)中所述碳纤维布片材裁成单向碳纤维布样条，在所述样条的两端一次性固化成型树脂型加强片，制备拉伸性能测试样条；其中，固化成型的树脂型加强片长50mm，宽15mm，厚度为2～6mm，并且所述树脂型加强片与样条端点平齐的一端为直角，另一端为15-90度导角；固化温度为20-35℃，固化时间为6-8天。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述张力装置包括前置夹具2、后置夹具5；其中，所述前置夹具2固定在前固定支架1上；后置夹具5通过牵引钢丝绳6绕过滑轮8连接一个可调节重量的配重块7。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述环氧树脂的A、B两部分的质量比为3:1-5:1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述环氧树脂的A、B两部分的质量比为4:1。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的固化温度为23℃，固化时间为24h。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的固化成型的树脂型加强片厚度为4mm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的固化温度为23℃，固化时间为7天。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述一次性固化成型树脂型加强片在加强片成型模具中完成；其中，所述加强片成型模具由结构完全相同的A模和B模构成；A模和B模闭合后，形成一个哑铃形状的空腔；所述空腔的深度为15mm，长度为230～250mm；在空腔的两端有两个长度为50mm，宽度为3～5mm的凹槽；其中，所述凹槽内侧边与水平面的夹角为15～90度；同时，哑铃型空腔的中间的狭长部分，作为单向碳纤维布样条的固定腔。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一种单向碳纤维布拉伸性能测试的制样方法步骤还包括裁剪单向碳纤维布试样、清洗工具和模具、调胶。