一種纖維中溫縱向線膨脹系數(shù)測試裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種纖維中溫縱向線膨脹系數(shù)測試裝置，溫度范圍為室溫～800℃。該測試裝置包括爐架、充氣管、電加熱爐、熱電偶、石英示差傳感器套件、石英示差傳感器套件支架、光柵數(shù)字位移傳感器探頭、光柵數(shù)字萬分表、控溫儀、惰性氣瓶，其技術(shù)核心為石英示差傳感器套件的設(shè)計及待測纖維樣品的連接方法。七可有效解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的各主要技術(shù)問題和難點，并能顯著提高具有低膨脹系數(shù)特性的纖維類材料的縱向線膨脹系數(shù)測試精度。
【專利說明】一種纖維中溫縱向線膨脹系數(shù)測試裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于纖維中溫縱向線膨脹系數(shù)的測試裝置，該裝置同時適用于其它柔性類絲材，帶材等。本發(fā)明屬于纖維中高溫(室溫~800°C )熱物理性能檢測分析【技術(shù)領(lǐng)域】，目的是實現(xiàn)具有低線膨脹系數(shù)特性的纖維類材料中高溫縱向線膨脹系數(shù)的準確測試與評價。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明首先基于碳纖維中高溫縱向線膨脹系數(shù)準確測試與評價的迫切需求，因為碳纖維兼有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能、熱物理性能和耐酸、堿等特性，同時又具備紡織纖維柔軟可加工性，是一種十分重要的戰(zhàn)略基礎(chǔ)原材料。碳纖維的應(yīng)用絕大部分是以樹脂、碳、陶瓷、金屬等復(fù)合形式存在，前者是對后者的某些性能進行改性，如提高復(fù)材的強度、韌性、高溫性能等。碳纖維與復(fù)合基材界面間的物理相容性對復(fù)材總體性能有至關(guān)重要的影響，而線膨脹系數(shù)是其中最重要的影響參量之一。此外，碳纖維的線膨脹系數(shù)大小一定程度上決定復(fù)材的線膨脹系數(shù)大小，如碳纖維增強樹脂基復(fù)材單向板，或以此為基礎(chǔ)并交替鋪以其它方向的多層板，一定溫度范圍內(nèi)，復(fù)材沿纖維方向(縱向)其總體線膨脹系數(shù)的大小與碳纖維相當(dāng)。因此，碳纖維的線膨脹系數(shù)及與溫度之間的關(guān)系的檢測分析不可缺少，需要建立相對應(yīng)的檢測分析裝置?；谠摐y試需求，發(fā)明了一種用于纖維中溫縱向線膨脹系數(shù)的測試裝直。
[0003]碳纖維線膨脹系數(shù)檢測方法常見的有:直接法和間接法。直接法是借助于一定的測量技術(shù)直接測量碳纖維受熱后的真實膨脹量；間接法就是由單向纖維增強復(fù)合材料的測量值通過物理計算模型推導(dǎo)出來。由于間接法不確定因素較多，盡量不采用。直接法中以下垂法應(yīng)用較多，其最初由印度科學(xué)家首次提出，其測量原理如下圖2所示，即碳纖維兩端固定，中間固定一標(biāo)示物W，室溫TO下記錄標(biāo)示物的初始位置L0，當(dāng)溫度改變(升溫或降溫)至Tl時，記錄標(biāo)示物的位置LI，由此可計算得到纖維縱向線膨脹系數(shù)。該法看似簡單粗糙，但要實現(xiàn)準確測量尚有難度，主要表現(xiàn)在:首先碳纖維樣品因水平放置，Α、B兩端距離大，要實現(xiàn)Α、B兩端間溫度一致，難度大，并導(dǎo)致測試裝置更為復(fù)雜和成本大大提高；其次當(dāng)溫度超過400°C，碳纖維易發(fā)生激烈氧化反應(yīng)，600°C以上很快即被燒成灰，因此，在升溫過程中，需要在真空或惰性氣體保護下才能完成測試，由此將導(dǎo)致標(biāo)示物W不穩(wěn)，而且碳纖維受熱后先收縮，后膨脹，且無論是熱收縮，還是熱膨脹，標(biāo)示物W的上下位移量均很微小(幾微米甚至更小)，雖可采用技術(shù)先進的測試儀器，但離不開目測對準，當(dāng)標(biāo)示物W不穩(wěn)時，將導(dǎo)致較大的測試誤差，甚至測試結(jié)果嚴重偏離碳纖維本征熱膨脹性能。此外，還存在標(biāo)示物W本身的熱膨脹校準問題，標(biāo)示物W的選材和其線膨脹系數(shù)標(biāo)定值的準確性和代表性等對測試結(jié)果均可能產(chǎn)生嚴重影響。
[0004]成熟商用測試儀器中，有些TMA(Thermomechanic analysis熱機械分析)儀器，配有絲材、帶材和膜材類線膨脹系數(shù)下垂法測試套件。該類分析儀器用于低膨脹纖維類材料縱向線膨脹系數(shù)測試時，同樣存在如下技術(shù)問題:首先因采用差動變壓器原理測試樣品位移量，而差動變壓器易受實驗室現(xiàn)場環(huán)境電磁場影響，基準穩(wěn)定性差，4h分析時間內(nèi)零飄可達幾微米甚至更大。其次，樣品短(IOmm左右)，樣品夾具多采用線膨脹系數(shù)與碳纖維有數(shù)量級差異的金屬制作而成，致使碳纖維縱向線膨脹系數(shù)測試結(jié)果一般在1X10_6/°C?5X10_6/°C浮動，分辨率大于1X10_6，超出碳纖維真實縱向線膨脹系數(shù)一個數(shù)量級(10_7量級)，甚至更多，重復(fù)性和準確性都不能保證。所以，該測試套件較適用于線膨脹系數(shù)較大的絲材、帶材和膜材，如有機膜、有機帶、銅鋁絲、銅鋁膜等。但對低膨脹纖維類材料縱向線膨脹系數(shù)測試不適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種纖維中溫縱向線膨脹系數(shù)測試裝置，顯著提高低膨脹系數(shù)特性的纖維類材料的縱向線膨脹系數(shù)測試精度。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種纖維中溫縱向線膨脹系數(shù)測試裝置，包括爐架、充氣管、電加熱爐、熱電偶、石英示差傳感器套件、石英示差傳感器套件支架、光柵數(shù)字位移傳感器探頭、光柵數(shù)字萬分表、控溫儀、惰性氣瓶；電加熱爐固定安裝在爐架上；充氣管的一端連接至充滿惰性氣體的惰性氣瓶，另一端穿過電加熱爐并放置于電加熱爐的爐管內(nèi)；石英示差傳感器套件支架固定安裝在電加熱爐頂端，石英示差傳感器套件的一端固定安裝在石英示差傳感器套件支架上，另一端插入電加熱爐的爐管內(nèi)；
[0007]所述石英示差傳感器套件包括石英外管、石英外管托套、石英外管壓套、光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定支架、光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定螺釘、光柵數(shù)字位移傳感器探頭套筒、光柵數(shù)字位移傳感器探頭套筒固定螺母、壓緊彈簧、壓緊螺釘、石英頂桿、壓緊銅管；石英外管一端截面處焊接有石英法蘭，另一端截面上挖有通孔；石英外管托套托住石英外管的石英法蘭，石英外管壓套與石英外管托套通過內(nèi)外螺紋連接，并壓緊石英外管的石英法蘭；壓緊螺釘將光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定支架固定于石英外管托套上；光柵數(shù)字位移傳感器探頭套筒固定于光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定支架上，并與光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定螺母通過內(nèi)外螺紋連接；石英頂桿由粗、細兩節(jié)石英管焊接而成，粗端截面處焊有石英墊片，細端截面處挖有通孔，并將細端插入石英外管內(nèi)；所述石英頂桿的長度大于石英外管的長度；壓緊彈簧一端抵在石英頂桿粗端的石英墊片上，另一端抵在光柵數(shù)字位移傳感器探頭套筒固定螺母上；待測纖維樣品兩端分別穿過石英頂桿細端截面處通孔和石英外管的截面處通孔，兩端打結(jié)后套入壓緊銅管內(nèi)，并壓扁壓緊銅管；
[0008]熱電偶的一端插入電加熱爐爐管內(nèi)并放置于待測纖維樣品旁用于測量纖維樣品的溫度，另一端連接至控溫儀，控溫儀顯示熱電偶測量得到的溫度并根據(jù)該溫度對電加熱爐進行溫度控制；光柵數(shù)字位移傳感器探頭插入光柵數(shù)字位移傳感器探頭套筒內(nèi)，并與石英頂桿粗端截面處的石英墊片相連，另一端連接至光柵數(shù)字萬分表，根據(jù)光柵數(shù)字萬分表顯示的測量結(jié)果以及控溫儀顯示的溫度結(jié)果獲得縱向線膨脹系數(shù)。
[0009]所述的電加熱爐均溫區(qū)長度不小于100mm，均溫區(qū)內(nèi)溫度浮動范圍小于2°C，溫度測控范圍室溫?800°C，控溫精度優(yōu)于±1°C。
[0010]所述的石英示差傳感器套件中的石英外管與石英頂桿同軸，兩者配合間隙2?3mm ο
[0011]所述的石英外管托套、石英外管壓套、光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定支架均采用低膨脹材料制成，包括低膨脹石墨、碳碳復(fù)合材料、因瓦合金。畫黃的內(nèi)容放在【具體實施方式】中，作為使用這種材料的效果出現(xiàn)
[0012]所述石英外管另一端截面上挖有的通孔直徑為2?4mm ;石英頂桿細端截面上挖有的通孔直徑為2?4mm。
[0013]所述石英頂桿比石英外管的總長度長110?140mm。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0015](I)本發(fā)明采用石英示差傳感器套件，該套件為垂直結(jié)構(gòu)，水平方向距離短，溫度均勻性容易實現(xiàn)，可簡化測試裝置的結(jié)構(gòu)和降低成本；其次，該石英示差傳感器套件結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，樣品膨脹位移量通過機械配合準確傳遞給光柵數(shù)字位移傳感器探頭，無圖2所示的標(biāo)示物W，不需要目測對準，不存在標(biāo)示物W不穩(wěn)的問題；再次，纖維樣品只和石英外管和石英頂桿直接配合，而石英玻璃的線膨脹系數(shù)小，數(shù)值穩(wěn)定，不同分析方法所獲得的標(biāo)定值差異小，且該套件中石英外管托套、石英外管壓套、光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定支架均采用低膨脹系數(shù)材料制成，纖維樣品長(80?100mm)等，均可有效解決圖2所示的標(biāo)示物W的選材和其線膨脹系數(shù)標(biāo)定值問題，及圖3樣品短的問題(8?10倍)，對低低膨脹系數(shù)的纖維材料樣品的準確測試非常重要。
[0016](2)采用光柵數(shù)字位移傳感器探頭及與之配套的光柵數(shù)字萬分表，其位移分辨率高，達到0.05 μ m,尤為重要的是，它采用光柵差分原理，基本不受實驗室現(xiàn)場環(huán)境電磁場影響，抗電磁干擾能力強，基準穩(wěn)定性好，4h分析時間內(nèi)零飄不大于0.5 μ m。顯著改善了 TMA分析儀器因采用差動變壓器原理所出現(xiàn)的各問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明裝置組成示意圖；
[0018]其中1:爐架；2:充氣管；3:電加熱爐；4:測控溫?zé)犭娕迹?:石英示差傳感器套件；6:石英示差傳感器套件支架；7:光柵數(shù)字位移傳感器探頭；8:光柵數(shù)字萬分表；9:控溫儀；10:惰性氣瓶。
[0019]圖2為下垂法的測量原理圖。
[0020]圖3為石英示差傳感器套件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]其中11:石英外管；12:石英外管托套；13:石英外管壓套；14:光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定支架；15:光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定螺釘；16:光柵數(shù)字位移傳感器探頭套筒；17:光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定螺母；18:壓緊彈簧；19:壓緊螺釘；20:石英頂桿；21:待測纖維樣品；22:壓緊銅管。
[0022]圖4為纖維兩端連接方法。
【具體實施方式】
[0023]圖1為本發(fā)明裝置組成示意圖。其中爐架1、充氣管2、電加熱爐3、熱電偶4及控溫儀9均為現(xiàn)有裝置，滿足可充惰性保護氣、電加熱爐3均溫區(qū)長度不小于100mm、均溫區(qū)內(nèi)溫度浮動范圍小于2°C、溫度測控范圍為室溫?800°C、且控溫精度優(yōu)于±1°C要求即可。
[0024]圖3為本發(fā)明石英示差傳感器套件5結(jié)構(gòu)示意圖。其中石英外管11和石英頂桿20均采用同材質(zhì)的高純石英玻璃,微成份含量不大于50ppm。石英外管托套12和石英外管壓套13采用粗顆粒的模壓石墨，其室溫~100°C的線膨脹系數(shù)小于1.0X10_6/°C，光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定支架14采用4J32因瓦鋼，其室溫~100°C的線膨脹系數(shù)小于
0.8Χ10-6/。。。
[0025]圖4為待測纖維樣品21的連接方法。將長度600mm左右的一束(I~12K)待測纖維樣品21的一端從石英頂桿20截面通孔處由右至左穿過，再穿過石英外管11左側(cè)截面通孔，返回后從左至右再次穿過石英頂桿20截面通孔，待測纖維樣品21的另一端穿過石英外管11右側(cè)截面通孔，穿完后的兩端組成待測纖維樣品21的待連接兩端。在此基礎(chǔ)上，于石英頂桿20粗端石英墊片和光柵數(shù)字位移傳感器探頭套筒16之間放置好壓緊彈簧18，同時拉直待測纖維樣品21的待連接兩端，并使壓緊彈簧18為受力狀態(tài)，將此兩端打死結(jié)扣，
并在緊挨死結(jié)扣外側(cè)套上內(nèi)徑為φ2 ~ 3mm,壁厚為0.5~Imm,高度為3~5mm的壓緊
銅管22，用電工接線端子壓接鉗壓扁壓緊銅管22，防止待測纖維樣品21的死結(jié)扣松動，并在死結(jié)扣處浸入銀糊，以防止死結(jié)扣在測試過程中微滑移。
[0026]所述的光柵數(shù)字位移傳感器探頭7與光柵數(shù)字萬分表8組成的位移測量儀器，分辨率為0.05 μ m，抗電磁干擾能力強，4h內(nèi)零飄不大于0.5 μ m。
[0027]當(dāng)待測纖維樣品21依據(jù)圖4所示安裝固定完后，將圖4所示的石英示差傳感器套件5插入圖1所示的電加熱爐3的爐管內(nèi)，往電加熱爐3的爐管內(nèi)充入惰性保護氣，將光柵數(shù)字位移傳感器探頭7垂直插入光柵數(shù)字位移傳感器探頭套筒16內(nèi)，并與石英頂桿20頂部石英墊片接觸，擰緊光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定螺釘17。開啟電加熱爐3、控溫儀9和光柵數(shù)字萬分表8電源 ，預(yù)熱15min，讀取控溫儀9顯示溫度TC、光柵數(shù)字萬分表8顯示位移值L0，啟動測控溫程序，在升溫過程中隨時可讀取控溫儀9顯示溫度Tl、光柵數(shù)字萬分表8顯示位移值LI，直至試驗結(jié)束。緊臨壓緊銅管22內(nèi)側(cè)，剪開待測纖維樣品21，測量其總長度Ls，則纖維TO~Tl間的縱向線膨脹系數(shù)可采用下述公式計算:
【權(quán)利要求】
1.一種纖維中溫縱向線膨脹系數(shù)測試裝置，其特征在于:包括爐架(1)、充氣管(2)、電加熱爐(3)、熱電偶(4)、石英示差傳感器套件(5)、石英示差傳感器套件支架(6)、光柵數(shù)字位移傳感器探頭(7)、光柵數(shù)字萬分表(8)、控溫儀(9)、惰性氣瓶(10);電加熱爐(3)固定安裝在爐架(1)上；充氣管(2)的一端連接至充滿惰性氣體的惰性氣瓶(10)，另一端穿過電加熱爐(3)并放置于電加熱爐(3)的爐管內(nèi)；石英示差傳感器套件支架(6)固定安裝在電加熱爐(3)頂端，石英示差傳感器套件(5)的一端固定安裝在石英示差傳感器套件支架(6)上，另一端插入電加熱爐(3)的爐管內(nèi)； 所述石英示差傳感器套件(5)包括石英外管(11)、石英外管托套(12)、石英外管壓套(13)、光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定支架(14)、光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定螺釘(15)、光柵數(shù)字位移傳感器探頭套筒(16)、光柵數(shù)字位移傳感器探頭套筒固定螺母(17)、壓緊彈簧(18)、壓緊螺釘(19)、石英頂桿(20)、壓緊銅管(22);石英外管(11) 一端截面處焊接有石英法蘭，另一端截面上挖有通孔；石英外管托套(12)托住石英外管(11)的石英法蘭，石英外管壓套(13)與石英外管托套(12)通過內(nèi)外螺紋連接，并壓緊石英外管(11)的石英法蘭；壓緊螺釘(19)將光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定支架(14)固定于石英外管托套(12)上；光柵數(shù)字位移傳感器探頭套筒(16)固定于光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定支架(14)上，并與光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定螺母(17)通過內(nèi)外螺紋連接；石英頂桿(20)由粗、細兩節(jié)石英管焊接而成，粗端截面處焊有石英墊片，細端截面處挖有通孔，并將細端插入石英外管(11)內(nèi)；所述石英頂桿(20)的長度大于石英外管(11)的長度；壓緊彈簧(18) —端抵在石英頂桿(20)粗端的石英墊片上，另一端抵在光柵數(shù)字位移傳感器探頭套筒固定螺母(17)上；待測纖維樣品(21)兩端分別穿過石英頂桿(20)細端截面處通孔和石英外管(11)的截面處通孔，兩端打結(jié)后套入壓緊銅管(22)內(nèi)，并壓扁壓緊銅管(22)； 熱電偶(4)的一端插入電加熱爐(3)爐管內(nèi)并放置于待測纖維樣品(21)旁用于測量纖維樣品的溫度，另一端連接至控溫儀(9)，控溫儀(9)顯示熱電偶(4)測量得到的溫度并根據(jù)該溫度對電加熱爐(3)進行溫度控制；光柵數(shù)字位移傳感器探頭(7)插入光柵數(shù)字位移傳感器探頭套筒(16)內(nèi)，并與石英頂桿(20)粗端截面處的石英墊片相連，另一端連接至光柵數(shù)字萬分表(8)，根據(jù)光柵數(shù)字萬分表(8)顯示的測量結(jié)果以及控溫儀(9)顯示的溫度結(jié)果獲得縱向線膨脹系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維中溫縱向線膨脹系數(shù)測試裝置，其特征在于:所述的電加熱爐(3)均溫區(qū)長度不小于100mm，均溫區(qū)內(nèi)溫度浮動范圍小于2°C，溫度測控范圍室溫~800°C，控溫精度優(yōu)于± 1°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維中溫縱向線膨脹系數(shù)測試裝置，其特征在于:所述的石英示差傳感器套件(5)中的石英外管(11)與石英頂桿(20)同軸，兩者配合間隙2~3mm ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維中溫縱向線膨脹系數(shù)測試裝置，其特征在于:所述的石英外管托套(12)、石英外管壓套(13)、光柵數(shù)字位移傳感器探頭固定支架(14)均采用低膨脹材料制成，包括低膨脹石墨、碳碳復(fù)合材料、因瓦合金。畫黃的內(nèi)容放在【具體實施方式】中，作為使用這種材料的效果出現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維中溫縱向線膨脹系數(shù)測試裝置，其特征在于:所述石英外管(11)另一端截面上挖有的通孔直徑為2~4mm ;石英頂桿(20)細端截面上挖有的通孔直徑為2~4mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的一種纖維中溫縱向線膨脹系數(shù)測試裝置，其特征在于:所述石英頂桿(20)比石英外管(11)的總長度長110~140mm。
【文檔編號】G01N25/16GK103983658SQ201410217002
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月21日
【發(fā)明者】何鳳梅, 陳聰慧, 楊景興, 李琦, 楊云華 申請人:航天材料及工藝研究所, 中國運載火箭技術(shù)研究院