一種精確測(cè)量高模量單絲纖維模量的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種精確測(cè)量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，利用激光光源強(qiáng)度高、雜波極少的高度穩(wěn)定性，以光束直線傳播原理，獲得纖維拉伸過程中遮擋標(biāo)記產(chǎn)生的光束缺口的位移變化量，進(jìn)行模量的計(jì)算，本發(fā)明原理簡(jiǎn)單易操作，操作時(shí)佐以CMOS攝像機(jī)輔助定位，測(cè)量位移數(shù)據(jù)精度高，數(shù)據(jù)后處理方便快捷，能實(shí)現(xiàn)高模量小應(yīng)變的單絲纖維的楊氏模量簡(jiǎn)單快速高精度的測(cè)量。
【專利說明】一種精確測(cè)量高模量單絲纖維模量的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種精確測(cè)量高模量單絲纖維楊氏模量的方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前針對(duì)高模量單絲纖維楊氏模量的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法有ASTMC1557-03， GJB1871-1994等，這些測(cè)試方法比較相似，均是將單根纖維粘結(jié)在試樣卡上，以設(shè)定的夾持 長(zhǎng)度及拉伸速度在等速伸長(zhǎng)型試驗(yàn)機(jī)上拉至斷裂，然后根據(jù)儀器記錄的負(fù)荷伸長(zhǎng)曲線及測(cè) 得的平均截面積計(jì)算拉伸強(qiáng)度及拉伸彈性模量。然而由于儀器記錄的伸長(zhǎng)包含了測(cè)試系統(tǒng) 的變形量以及受到粘結(jié)膠位置及其效果等其他因素的影響，其值需要進(jìn)行校正，校正過程 比較繁瑣，精確性受到很大的影響。尤其是對(duì)伸長(zhǎng)較小的脆性高模量纖維而言，精確測(cè)量纖 維拉伸過程中的實(shí)際伸長(zhǎng)量成為準(zhǔn)確表征纖維模量的最關(guān)鍵也是非常困難的一環(huán)。采用光 電引伸計(jì)對(duì)拉伸過程進(jìn)行連續(xù)追蹤是用的較多的一類方法，例如馮祖德（CN101251455B)發(fā) 明的一種試驗(yàn)機(jī)單纖維夾具與拉伸強(qiáng)度測(cè)量方法中，應(yīng)用光電引伸計(jì)追蹤脆性陶瓷單纖維 的應(yīng)變，然而由于追蹤的是夾持紙框邊距，易將紙框與纖維之間粘膠的影響引入誤差。雷振 坤等在纖維上涂上對(duì)比強(qiáng)烈的標(biāo)記而進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)變形測(cè)量，利用單鏡頭(XD記錄拉伸變形 前后的數(shù)字圖像，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到位移以用于模量的計(jì)算。但其產(chǎn)生的圖像或者光 信號(hào)需要借助很苛刻的光照環(huán)境和復(fù)雜的算法來完成轉(zhuǎn)換計(jì)算，而且對(duì)于跨距長(zhǎng)而應(yīng)變小 的細(xì)絲纖維，精確性明顯下降，受環(huán)境因素和人為操作影響大。也有利用激光干涉技術(shù)，或 激光三角反射法測(cè)量樣品變形，然而由于需要夾持激光發(fā)射器及反光器件，樣品負(fù)擔(dān)較重， 未見應(yīng)用于脆性單絲纖維的模量測(cè)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種精確測(cè)量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，旨在解決 現(xiàn)在對(duì)于低應(yīng)變率高模量纖維材料在模量測(cè)量中的出現(xiàn)的種種弊端。
[0004] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種精確測(cè)量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，包括以下 步驟：
[0005] ( 1)將單根纖維置于試樣卡上，用粘結(jié)劑將纖維兩端固定，待粘結(jié)劑固化后，將試 樣卡裝入單絲拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)；
[0006] (2)在纖維上粘結(jié)兩個(gè)垂直于所述纖維長(zhǎng)度方向的標(biāo)記，兩個(gè)標(biāo)記位于兩端粘結(jié) 劑之間；
[0007] (3)在單絲拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)的拉伸儀夾持器一側(cè)放置LED發(fā)射器，另一側(cè)放置HL-CXD 接收器以及與所述HL-CXD接收器整合的CMOS監(jiān)控?cái)z像機(jī)，激光光幕平行穿過試樣卡，標(biāo)記 遮擋的光束缺口通過HL-C⑶接收器和CMOS攝像機(jī)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)與 電腦相連接，實(shí)時(shí)讀取并保存位移變化數(shù)據(jù)；
[0008] (4)沿試樣卡標(biāo)記位置剪斷試樣卡，開動(dòng)拉伸儀夾持器，上夾具靜止，下夾具按指 定拉伸速度向下移動(dòng)拉伸試樣卡；
[0009] (5)記錄拉伸力值及兩個(gè)標(biāo)記之間距離變化量，除以標(biāo)記間原長(zhǎng)，得到對(duì)應(yīng)的應(yīng) 變，由拉伸力值與纖維的截面積計(jì)算得到纖維受到的應(yīng)力，拉伸斷裂后，根據(jù)獲得的應(yīng)力應(yīng) 變曲線擬合求出纖維的模量E值。
[0010] 優(yōu)選地，所述纖維直徑為5?30 μ m。
[0011] 優(yōu)選地，所述纖維為脆性單絲。
[0012] 優(yōu)選地，在步驟（1)中，所述單根纖維為按照標(biāo)準(zhǔn)制樣方法從束絲隨機(jī)抽取得到。
[0013] 優(yōu)選地，在步驟（1)中，所述試樣卡為方形紙卡，且所述試樣卡兩相對(duì)端設(shè)為供單 絲拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)夾持的夾持區(qū)，所述單根纖維置于兩夾持區(qū)之間。
[0014] 優(yōu)選地，在步驟（1)中，所述單根纖維經(jīng)粘結(jié)劑固定后，兩端粘結(jié)劑之間的纖維長(zhǎng) 度為不小于l〇mm ;
[0015] 優(yōu)選地，在步驟（2)中，所述兩個(gè)標(biāo)記在位于同一平面，且所述兩個(gè)標(biāo)記均與步驟 (3)中的激光光幕垂直。
[0016] 優(yōu)選地，在步驟（3)中，所述LED發(fā)射器為高強(qiáng)度GaN綠色LED發(fā)射器。
[0017] 本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供了一種精確測(cè)量高模量單絲纖維楊氏 模量的方法，通過將單根纖維置于試樣卡上，用粘結(jié)劑將纖維兩端固定，待粘結(jié)劑固化后， 將試樣卡裝入單絲拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)；在纖維上粘結(jié)兩個(gè)垂直于所述纖維長(zhǎng)度方向且長(zhǎng)度超過 0. 3_的標(biāo)記，兩個(gè)標(biāo)記位于兩端粘結(jié)劑之間；在試樣卡的一側(cè)放置LED發(fā)射器，另一側(cè)放 置HL-C⑶接收器以及與所述HL-CXD接收器整合的CMOS監(jiān)控?cái)z像機(jī)，激光光幕平行穿過試 樣卡，標(biāo)記遮束擋的光缺口通過HL-C⑶接收器和CMOS攝像機(jī)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù) 字信號(hào)與電腦相連接，實(shí)時(shí)讀取并保存位移變化數(shù)據(jù)；沿試樣卡上標(biāo)記位置剪斷試樣卡，開 動(dòng)拉伸儀，上夾具靜止，下夾具按指定拉伸速度向下移動(dòng)拉伸試樣，纖維上所粘標(biāo)記隨纖維 的伸長(zhǎng)而下降；記錄拉伸力值及兩個(gè)標(biāo)記之間距離變化量AL，除以標(biāo)記間原長(zhǎng)L，可以得 到對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)?。由拉伸力值ΛΡ與纖維的截面積A計(jì)算得到纖維受到的應(yīng)力 〇。拉伸 斷裂后，可以根據(jù)獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線擬合求出纖維的模量Ε值。
[0018] 其中，模量Ε值的計(jì)算公式為：
[0019]

【權(quán)利要求】
1. 一種精確測(cè)量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 將單根纖維置于試樣卡上，用粘結(jié)劑將纖維兩端固定，待粘結(jié)劑固化后，將試樣卡 裝入單絲拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)； (2) 在纖維上粘結(jié)兩個(gè)垂直于所述纖維長(zhǎng)度方向的標(biāo)記，兩個(gè)標(biāo)記位于兩端粘結(jié)劑之 間； (3) 在單絲拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)的拉伸儀夾持器一側(cè)放置LED發(fā)射器，另一側(cè)放置HL-C⑶接收 器以及與所述HL-CCD接收器整合的CMOS監(jiān)控?cái)z像機(jī)，激光光幕平行穿過試樣卡，標(biāo)記遮擋 的光束缺口通過HL-CCD接收器和CMOS攝像機(jī)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)與電腦 相連接，實(shí)時(shí)讀取并保存位移變化數(shù)據(jù)； (4) 沿試樣卡標(biāo)記位置剪斷試樣卡，開動(dòng)拉伸儀夾持器，上夾具靜止，下夾具按指定拉 伸速度向下移動(dòng)拉伸試樣卡； (5) 記錄拉伸力值及兩個(gè)標(biāo)記之間距離變化量，除以標(biāo)記間原長(zhǎng)，得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，由 拉伸力值與纖維的截面積計(jì)算得到纖維受到的應(yīng)力，拉伸斷裂后，根據(jù)獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲 線擬合求出纖維的模量E值。
2. 如權(quán)利要求1所述的精確測(cè)量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，其特征在于，所述 纖維直徑為5?30 μ m。
3. 如權(quán)利要求1所述的精確測(cè)量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，其特征在于，所述 纖維為脆性單絲。
4. 如權(quán)利要求1所述的精確測(cè)量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，其特征在于，在步 驟（1)中，所述單根纖維為按照標(biāo)準(zhǔn)制樣方法從束絲隨機(jī)抽取得到。
5. 如權(quán)利要求2所述的精確測(cè)量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，其特征在于，在步 驟（1)中，所述試樣卡為方形紙卡，且所述試樣卡兩相對(duì)端設(shè)為供單絲拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)夾持的夾 持區(qū)，所述單根纖維置于兩夾持區(qū)之間。
6. 如權(quán)利要求3所述的精確測(cè)量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，其特征在于，在步 驟（1)中，所述單根纖維經(jīng)粘結(jié)劑固定后，兩端粘結(jié)劑之間的纖維長(zhǎng)度為不小于l〇mm。
7. 如權(quán)利要求1所述的精確測(cè)量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，其特征在于，在步 驟（2)中，所述兩個(gè)標(biāo)記在位于同一平面，且所述兩個(gè)標(biāo)記均與步驟（3)中的激光光幕垂 直。
8. 如權(quán)利要求1所述的精確測(cè)量高模量單絲纖維楊氏模量的方法，其特征在于，在步 驟（3 )中，所述LED發(fā)射器為高強(qiáng)度GaN綠色LED發(fā)射器。
【文檔編號(hào)】G01N3/08GK104062178SQ201410130848
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月2日
【發(fā)明者】歐陽婷, 費(fèi)又慶, 寧曉魏, 楊希迎 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)