碳纖維增強(qiáng)樹脂基薄壁復(fù)合材料管件拉伸性能測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料管件拉伸性能測試方法，適用于測定壁厚 小于1. 5mm(公稱直徑小于50mm)和直徑與壁厚之比大于50(公稱直徑為50mm-100mm)的 碳纖維增強(qiáng)復(fù)樹脂基合材料薄壁管件的機(jī)械性能，屬于碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性 能測試領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料桿、管結(jié)構(gòu)是組成復(fù)合材料構(gòu)件的一種典型單元，是 航空、航天器結(jié)構(gòu)中常用的結(jié)構(gòu)組件，大型衛(wèi)星天線支架等大多采用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù) 合材料管件。
[0003] 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料管件成型一般采用纖維纏繞、預(yù)浸料鋪層、拉擠成型、 熱縮成型等工藝，不同的工藝方法和鋪層設(shè)計(jì)在力學(xué)性能上具有較大的差別。
[0004] 在工程實(shí)踐中，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料管件力學(xué)性能測試結(jié)果不但可W對產(chǎn) 品設(shè)計(jì)構(gòu)型和鋪層進(jìn)行優(yōu)化，而且可用于對產(chǎn)品成型質(zhì)量的檢測。在測試過程中，碳纖維增 強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料管件的壁厚、纖維類型W及試驗(yàn)件的尺寸精度對測試結(jié)果均有影響。目 前常用的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料管件的力學(xué)拉伸性能測試方法為GB/T5349-2005《纖 維增強(qiáng)熱固性塑料管軸向拉伸性能試驗(yàn)方法》。該方法不適于碳纖維增強(qiáng)樹脂基薄壁復(fù)合 材料管材的拉伸性能測試，該方法規(guī)定了制備試驗(yàn)件的方式，即將待測管件兩端加裝了金 屬接頭，金屬接頭靠摩擦力夾緊待測管件，在測試過程中，金屬接頭容易對管件造成損傷， 尤其對于高模量碳纖維增強(qiáng)樹脂基薄壁復(fù)合材料管材，導(dǎo)致力學(xué)測試結(jié)果離散度較大，無 法真實(shí)反映產(chǎn)品的實(shí)際性能。

【發(fā)明內(nèi)容】
陽0化]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供碳纖維增強(qiáng)樹脂基薄壁復(fù) 合材料管件拉伸性能測試方法，避免了金屬接頭對待測試管件的損傷，減小了力學(xué)測試結(jié) 果的離散度，從而得到測量產(chǎn)品實(shí)際的拉伸性能。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：碳纖維增強(qiáng)樹脂基薄壁復(fù)合材料管件拉伸性能測試方 法，步驟如下：
[0007] (1)利用機(jī)械設(shè)備從待測試碳纖維增強(qiáng)樹脂基薄壁復(fù)合材料管件上截取一段作為 測試用，截取時(shí)將管件內(nèi)腔使用玻璃鋼棒墊實(shí)，并對截取后得到的測試用管件兩個(gè)端面銳 加工，保證兩個(gè)端面平行度0. 05mm;
[0008] (2)為步驟（1)得到的測試用管件的一端加工金屬接頭，所述金屬接頭包括內(nèi)套 筒和外套筒，外套筒上設(shè)計(jì)有裝卡臺階，內(nèi)套筒外徑和測試用管件之間、測試用管件和外套 筒內(nèi)徑之間的配合間隙為單邊0. 1~0. 2mm;
[0009] (3)測量并計(jì)算測試用管件內(nèi)徑和外徑平均尺寸、實(shí)際制備的內(nèi)套筒外徑平均尺 寸W及外套筒內(nèi)徑平均尺寸，計(jì)算內(nèi)套筒和測試用管件之間W及測試用管件和外套筒之間 相互配合的間隙值；
[0010] (4)根據(jù)步驟（3)計(jì)算得到的間隙值，選擇與待測試碳纖維增強(qiáng)樹脂基薄壁復(fù)合 材料管件相同牌號和規(guī)格的碳纖維絲束，使用膠黏劑浸潰碳纖維絲束，然后將浸潰的碳纖 維絲束纏繞膠接在內(nèi)套筒外徑和測試用管件與外套筒膠接區(qū)域的外徑上，常溫固化24小 時(shí)后使用800目水砂紙對碳纖維絲束進(jìn)行打磨，保證內(nèi)套筒和測試用管件之間W及測試用 管件和外套筒之間的配合間隙值為單邊0.lmm-0. 2mm;
[0011] (5)將膠黏劑均勻涂刷在測試用管件、內(nèi)套筒、外套筒之間的膠接表面，然后將內(nèi) 套筒和外套筒膠接在測試用管件一端，常溫固化7天；
[0012] (6)重復(fù)步驟（2)-巧），為測試用管件的另一端加工并膠接金屬接頭，得到拉伸 試驗(yàn)件；
[0013] (7)為拉伸試驗(yàn)件加工轉(zhuǎn)接夾具，所述轉(zhuǎn)接夾具一端與裝卡臺階相匹配，另一端與 力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上的卡頭匹配；
[0014] (8)在拉伸試驗(yàn)件中部徑向?qū)ΨQ各貼一處應(yīng)變片，然后將拉伸試驗(yàn)件通過轉(zhuǎn)接夾 具裝卡在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上；
[001引 （9)運(yùn)行力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，測定拉伸模量時(shí)，對拉伸試驗(yàn)件進(jìn)行均勻連續(xù)加載，加載速 度為Imm/min~2mm/min，記錄載荷值及相應(yīng)的變形值，并根據(jù)載荷值及相應(yīng)的變形值計(jì)算 待測試管件的拉伸模量，其中施加的最大載荷不超過材料的彈性變形范圍；
[0016] (10)測定拉伸強(qiáng)度時(shí)，對拉伸試驗(yàn)件進(jìn)行均勻連續(xù)加載，加載速度為5mm/min~ 6mm/min，直至試樣破壞，記錄破壞載荷和位移，并根據(jù)破壞載荷計(jì)算拉伸強(qiáng)度。
[0017] 所述步驟（2)中內(nèi)套筒為空屯、圓柱體，其一端帶有臺階，用于卡在測試用管件的 端口處，外套筒包括一體成型的兩個(gè)直徑不同的空屯、圓柱體，且直徑大的空屯、圓柱體一端 與內(nèi)套筒的臺階相匹配，直徑大的空屯、圓柱體另一端相對于直徑小的空屯、圓柱體突出的部 分作為裝卡臺階。
[0018] 所述步驟（4)中將浸潰的碳纖維絲束膠接在內(nèi)套筒外徑和測試用管件外徑上的 方式為：浸潰的碳纖維絲束沿圓周方向均布，數(shù)量為3~8束。
[0019] 所述步驟（8)中將拉伸試驗(yàn)件裝卡在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上時(shí)，應(yīng)使拉伸試驗(yàn)件軸線與試 驗(yàn)機(jī)上、下夾頭的中屯、線對準(zhǔn)。
[0020] 所述步驟巧）中對拉伸試驗(yàn)件進(jìn)行加載時(shí)，如果有載荷和變形值的自動記錄裝置 則均勻連續(xù)加載，如果沒有，則應(yīng)分級加載，加載級數(shù)不少于五級，相鄰兩級之間的載荷增 量相同。
[0021] 本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0022] (1)本發(fā)明在待測試管件兩端膠接了金屬接頭，增大了待測試管件整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn) 定性，解決了GB/T5349-2005規(guī)定的試驗(yàn)件形式在用于薄壁復(fù)合材料管件時(shí)機(jī)械連接的 金屬接頭對管件造成損傷的問題，從而真實(shí)反映薄壁管件的拉伸性能。
[0023] (2)本發(fā)明金屬內(nèi)、外套筒設(shè)置有限位臺階，可W有效保證內(nèi)、外套筒與管件試驗(yàn) 件的膠接尺寸，從而保證管件試驗(yàn)件有效測試段尺寸30mm，既滿足GB/T5349-2005的規(guī) 定，又有效降低了測試結(jié)果的離散度。
[0024] (3)本發(fā)明將碳纖維絲束膠接在內(nèi)套筒外徑和測試用管件與外套筒膠接區(qū)域的外 徑，大于8束，碳纖維絲束太厚，不利于膠接，小于3束，膠接強(qiáng)度變?nèi)?。選擇3-8束碳纖維 絲束，一方面能夠有效保證內(nèi)套筒和測試用管件之間w及測試用管件和外套筒之間的配合 間隙值為單邊0.lmm-0. 2mm，另一方面形成類似于螺紋的連接關(guān)系，增強(qiáng)了金屬接頭和測試 用管件的膠接強(qiáng)度，防止測試過程中膠接區(qū)域發(fā)生破壞而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，從而確保 試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)反映產(chǎn)品性能。
[00巧](4)本發(fā)明針對現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)GB/T5349-2005《纖維增強(qiáng)熱固性塑料管軸向拉伸性能 試驗(yàn)方法》規(guī)定的試驗(yàn)件形式不適用于薄壁結(jié)構(gòu)復(fù)合材料管件的問題，為薄壁測試用管件 設(shè)計(jì)了膠接金屬接頭，擴(kuò)展了復(fù)合材料管件拉伸性能測試的測試范圍，有助于復(fù)合材料結(jié) 構(gòu)產(chǎn)品的輕量化發(fā)展。
【附圖說明】 陽0%] 圖1為本發(fā)明方法流程圖；
[0027]圖2為內(nèi)套筒剖視圖；
[00巧]圖3為外套筒不意圖；
[0029] 圖4為拉伸試驗(yàn)件套裝轉(zhuǎn)接夾具的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料管件尤其是薄壁管件是航空、航天器結(jié)構(gòu)中常用的結(jié) 構(gòu)組件，大型衛(wèi)星天線支架等大多采用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料管件，因此對其結(jié)構(gòu)性 能進(jìn)行測試非常重要。但是目前常用的測試方法GB/T5349-2005《纖維增強(qiáng)熱固性塑料管軸 向拉伸性能試驗(yàn)方法》將待測管件兩端加裝了金屬接頭，測試過程中，靠摩擦力夾緊管件的 金屬接頭容易對管件造成損傷，無法真實(shí)測量產(chǎn)品的實(shí)際拉伸性能。因此，本發(fā)明提出了一 種薄壁管件的拉伸性能測試方法，該方法首先為待測試管件兩端加工并膠接內(nèi)外套筒（金 屬接頭），形成拉伸試驗(yàn)件，由于金屬接頭與待測試管件之間通過膠接連接，因此該試驗(yàn)件 能夠有效避免在拉伸施加載荷進(jìn)行測試時(shí)金屬接頭（膠接的內(nèi)外套筒）對待測試管件的損 傷，從而得到待測試管件的實(shí)際拉伸性能。
[0031] 如圖1所示，本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)樹脂基薄壁復(fù)合材料管件拉伸性能測試方法， 步驟如下：
[0032] (1)利用機(jī)械設(shè)備從待測試碳纖維增強(qiáng)樹脂基薄壁復(fù)合材料管件上截取一段作為 測試用，截取時(shí)將管件內(nèi)腔使用玻璃鋼棒墊實(shí)，并對截取后得到的測試用管件兩個(gè)端面銳 加工，保證兩個(gè)端面平行度0. 05mm;
[003引 似為步驟（1)得到的測試用管件的D1端（設(shè)測試用管件的兩端分別為D1端和 D2端）加工金屬接頭，所述金屬接頭包括內(nèi)套筒和外套筒，如圖2所示，內(nèi)套筒為空屯、圓柱 體，其一端帶有臺階，用于卡在測試用管件的端口處，如圖3中所示，外套筒包括一體成型 的兩個(gè)直徑不同的空屯、圓柱體，且直徑大的空屯、圓柱體一端與內(nèi)套筒的臺階相匹配，直徑 大的空屯、圓柱體另一端相對于直徑小的空屯、圓柱體突出的部分作為裝卡臺階。內(nèi)套筒外徑 和測試用管件之間、測試用管件和外套筒內(nèi)徑之間的配合間隙為單邊0. 1~0. 2mm。
[0034] (3)測量并計(jì)算測試用管件內(nèi)徑和外徑平均尺寸、實(shí)際制備的內(nèi)套筒外徑平均尺 寸W及外套筒內(nèi)徑平均尺寸，計(jì)算內(nèi)套筒和測試用管件之間W及測試用管件和外套筒之間 相互配合的間隙值。
[0035] (4)根據(jù)步驟（3)計(jì)算得到的間隙值，選擇與待測試碳纖維增強(qiáng)樹脂基薄壁復(fù)合 材料管件相同牌號和規(guī)格的碳纖維絲束，使用R邸UX420膠黏劑浸潰碳纖維絲束，然后將浸 潰的碳纖維絲束纏繞膠接在內(nèi)套筒外徑和測試用管件D1端與外套筒膠接區(qū)域的外徑上， 浸潰的碳纖維絲束沿圓周方向均布，數(shù)量為3~8束。常溫固化24小時(shí)后使用800目水砂 紙對碳纖維絲束進(jìn)行打磨，保證內(nèi)套筒和測試用管件之間W及測試用管件和外套筒之間的 配合間隙值為單邊0.lmm-0. 2mm。
[0036] 妨將R邸UX420膠黏劑均勻涂刷在測試用管件、內(nèi)套筒、外套筒之間的膠接表面， 然后將內(nèi)套筒和外套筒膠接在測試用管件D1端，常溫固化7天。
[0037] (6)重復(fù)步驟（2)-巧），為測試用管件的另一端（D2端）加工并膠接金屬接頭。
[0038] (7)為拉伸試驗(yàn)件加工轉(zhuǎn)接夾具，用于在拉伸試驗(yàn)時(shí)夾住拉伸試驗(yàn)件，轉(zhuǎn)接夾具一 端與裝卡臺階相匹配，另一端與力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上的卡頭匹配，拉伸試驗(yàn)件套裝轉(zhuǎn)接夾具后如 圖4所示。
[0039] (8)在拉伸試驗(yàn)件中部徑向?qū)ΨQ各貼一處應(yīng)變片，然后將拉伸試驗(yàn)件裝卡在力學(xué) 試驗(yàn)機(jī)上，應(yīng)使拉伸試驗(yàn)件軸線與試驗(yàn)機(jī)上、下夾頭的中屯、線對準(zhǔn)。
[0040] (9)運(yùn)行力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，測定拉伸模量時(shí)，對拉伸試驗(yàn)件進(jìn)行均勻連續(xù)加載（如果有 載荷和變形值的自動記錄裝置