一种陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法

本发明涉及高性能纤维损伤测试，尤其涉及一种在预定轴向载荷和预定弯曲曲率条件下，使陶瓷纤维束连续改变包覆角并同步量化毛羽损伤的陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法。

背景技术：

1、连续陶瓷纤维具有耐高温、高比强度、高比模量以及良好的化学稳定性，是制备陶瓷基复合材料的重要增强体。为提高陶瓷基复合材料在多方向载荷作用下的整体性及抗分层能力，通常采用三维编织、三维机织等立体织造技术，将陶瓷纤维束制备成具有空间交织结构的纤维预制体。在立体织造过程中，陶瓷纤维束需要在一定轴向张力作用下依次经过导纱杆、导纱轮、综丝、携纱机构以及其他纱路转向构件，并按照预定路径完成送纱、转向和交织运动。

2、在实际立体织造过程中，陶瓷纤维束的弯曲损伤不仅与导纱构件的尺寸或弯曲曲率有关，还受到纤维轴向张力以及纤维束对导纱构件包覆程度的共同影响。为了评价陶瓷纤维束对立体织造纱路的适应性，需要在轴向张力可控的条件下改变弯曲曲率，使纤维束由与导纱构件相切的初始状态逐渐进入弯曲包覆状态，并在包覆角连续变化过程中观察弯曲区域的表面损伤演化。因此，相关测试装置不仅需要形成可重复的弯曲边界条件，还需要建立轴向张力、弯曲曲率、包覆角与纤维束表面毛羽量之间的对应关系。

3、cn102445386a公开了一种单纤维定点弯曲疲劳的握持器，通过微细金属丝对单根纤维进行定位与夹持，为单纤维定点弯曲疲劳测试提供试样安装条件。cn107290227a公开了一种线性材料弯曲疲劳性能测试仪，通过模拟织造开口过程中综框的上下往复运动，对纱线进行弯曲疲劳测试，并通过光电检测记录纱线产生的疵点。cn108254251a公开了一种碳纤维弯曲疲劳实验装置，能够通过控制实验环境测试碳纤维在不同湿度下的弯曲疲劳寿命。

4、现有技术已能够对纤维、纱线实施往复弯曲并测得疲劳寿命。但上述方案的研究重点集中于循环弯曲疲劳性能，尚不能充分分析陶瓷纤维束在立体织造过程中绕过小直径导纱构件、由直线状态逐渐进入弯曲包覆状态的过程。因此，有必要开发一种陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法，采用不可转动且可更换的金属杆确定纤维束的弯曲曲率，悬挂砝码施加稳定的轴向张力，通过夹持端绕金属杆中心作圆弧运动连续改变纤维束的包覆角，并利用显微成像模块记录和量化弯曲区域的毛羽演化，从而获得不同轴向张力、不同弯曲曲率及不同包覆角组合条件下陶瓷纤维束的弯曲损伤规律。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法，以解决现有装置难以对轴向载荷和弯曲曲率进行组合设定、难以连续建立包覆角加载过程以及难以将包覆角与局部毛羽量对应的问题，弥补陶瓷纤维在该方面测试技术的不足。

2、本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

3、一种陶瓷纤维弯曲性能测试装置，其包括弯曲金属杆、底座、摆动盘、纤维夹持部件、显微成像模块、驱动模块以及转动连接组件；所述摆动盘设置于所述底座上，所述摆动盘设有角度板和弧形导向槽；所述弯曲金属杆固定设置于所述摆动盘的中部，其中心轴线垂直于所述摆动盘的盘面，所述弧形导向槽的圆弧中心位于所述弯曲金属杆的中心轴线上；所述纤维夹持部件包括与所述弧形导向槽配合的顶部安装座和设置于所述顶部安装座上的纤维夹持器；所述驱动模块通过所述转动连接组件与所述纤维夹持部件传动连接，以驱动所述纤维夹持器沿以所述弯曲金属杆的中心轴线为中心的圆弧轨迹运动；试样的一端由所述纤维夹持器夹持，另一端悬挂砝码，以向所述试样施加预定轴向载荷；所述纤维夹持器沿所述圆弧轨迹运动时，使所述试样逐渐贴附于所述弯曲金属杆的外圆表面并连续改变包覆角；所述显微成像模块的观测区域至少包括所述试样在所述弯曲金属杆处的弯曲包覆区域，用于获得不同包覆角下所述试样的毛羽图像。

4、而且，所述弯曲金属杆为圆柱形金属杆，以不绕自身轴线转动的方式可拆卸地安装于所述摆动盘，所述弯曲金属杆的直径为0.5-1.5 mm。

5、而且，所述砝码可更换并自然悬垂于所述试样的下端，所述砝码对所述试样施加0.3-0.7 n的预定轴向载荷。

6、而且，所述显微成像模块包括镜头、镜头调节支架和数据线，所述镜头的光轴与所述弯曲金属杆的中心轴线重合或相交，所述镜头调节支架用于调节所述镜头的观测高度、水平位置和工作距离。

7、而且，所述驱动模块包括电机支撑柱、设置于所述电机支撑柱上的电机调节座以及安装于所述电机调节座上的驱动电机，所述驱动电机的输出轴中心轴线与所述弯曲金属杆的中心轴线重合，所述驱动电机的输出端与所述转动连接组件连接。

8、而且，所述纤维夹持器的夹持方向随所述顶部安装座沿所述弧形导向槽运动而保持为所述圆弧轨迹的切向方向，以限制所述试样的附加扭转。

9、而且，还包括与所述显微成像模块连接的图像处理软件，所述图像处理软件用于在固定测试区域内提取所述试样的主体边界，将所述主体边界之外的前景区域识别为毛羽区域，并根据所述毛羽区域获得毛羽面积指数。

10、一种陶瓷纤维弯曲性能测试装置的测试方法，包括以下步骤：

11、s1，选择预定直径的弯曲金属杆，并将所述弯曲金属杆以不绕自身轴线转动的方式安装于摆动盘，以设定试样的弯曲曲率；

12、s2，将所述试样的一端固定于纤维夹持器，另一端悬挂砝码，以施加预定轴向载荷，并使所述试样处于与所述弯曲金属杆相切的初始状态，将所述初始状态确定为包覆角零位；

13、s3，由驱动模块经转动连接组件驱动所述纤维夹持器沿与所述弯曲金属杆同心的圆弧轨迹运动，使所述试样逐渐贴附于所述弯曲金属杆的外圆表面并使包覆角连续增加；

14、s4，在多个预定包覆角节点，利用显微成像模块采集所述试样的弯曲包覆区域图像，并记录图像与包覆角的对应关系；

15、s5，对各包覆角节点的图像采用一致的处理参数进行阈值化处理，识别毛羽区域并计算毛羽量；

16、s6，改变所述砝码和所述弯曲金属杆的直径，重复步骤s1-s5，获得不同轴向载荷与弯曲曲率组合下毛羽量随包覆角的变化关系。

17、而且，所述包覆角为以所述弯曲金属杆的圆心为顶点，所述试样进入所述弯曲金属杆的第一切点与离开所述弯曲金属杆的第二切点分别对应的两条半径所夹的圆心角。

18、而且，步骤s5包括：对图像进行灰度化和背景校正；按照固定阈值或预设自动阈值规则进行二值分割；提取所述试样的主体边界；识别伸出所述主体边界的毛羽区域；去除小于预设面积或投影长度阈值的孤立噪声；将毛羽区域的投影面积除以固定测试区域内试样的轴向长度，得到毛羽面积指数。

19、本发明的有益效果为：

20、1、本发明陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法，通过纤维夹持器沿以弯曲金属杆中心轴线为中心的圆弧轨迹运动，使陶瓷纤维束由与弯曲金属杆相切的初始状态逐渐贴附于弯曲金属杆外圆表面，并连续增大包覆角，能够模拟陶瓷纤维束在立体织造过程中由直线纱路进入导纱构件、发生转向并形成局部弯曲的过程。相比于采用定点往复弯曲或对称循环弯曲的疲劳测试装置，本发明更加贴近纤维束一次绕过导纱杆、导纱轮、综丝或其他纱路转向构件时的弯曲加载路径。

21、2、本发明陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法，通过弧形导向槽与弯曲金属杆之间的同心布置，使弧形导向槽的圆弧中心位于弯曲金属杆的中心轴线上，并使驱动电机输出轴的中心轴线与弯曲金属杆的中心轴线重合。由此，纤维夹持器的角位移与其绕弯曲金属杆的运动位置形成确定的几何对应关系，有利于减小偏心驱动引起的运动误差，使包覆角能够按照预定路径连续调节并在设定位置重复定位。

22、3、本发明陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法，利用角度板表示纤维夹持器相对于初始位置的运动角度，并将包覆角定义为试样进入和离开弯曲金属杆的两个切点所对应半径之间的圆心角，能够对纤维束的弯曲程度进行明确、统一的几何表征。通过控制驱动电机在预定角度位置停止或连续运动，可以在不同包覆角节点实施定点观测，也可以记录纤维束由接近0°包覆状态逐渐发展至较大包覆状态的连续损伤过程。

23、4、本发明陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法，采用可拆卸且不绕自身轴线转动的弯曲金属杆，并通过更换不同直径的弯曲金属杆改变纤维束的弯曲半径和弯曲曲率。采用直径为0.5-1.5 mm的弯曲金属杆，能够模拟立体织造纱路中不同尺寸导纱及转向构件形成的小半径弯曲条件，从而研究陶瓷纤维束对导纱构件尺寸和弯曲曲率变化的敏感性。

24、5、本发明陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法，通过在试样下端自然悬挂可更换的砝码，对陶瓷纤维束施加0.3-0.7 n的预定轴向载荷。砝码产生的重力方向和载荷大小明确，在低速加载条件下能够为不同试验组提供稳定且可重复的轴向加载边界，避免采用复杂主动加载机构可能产生的控制波动，同时便于根据织造工况快速调整纤维束的预张力水平。

25、6、本发明陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法，通过分别更换弯曲金属杆和砝码，使弯曲曲率和预定轴向载荷成为能够分别设定并进行组合试验的两个机械参数。相比于弯曲半径、弯曲角度和纤维张力相互耦合且难以单独调整的测试方式，本发明能够在保持轴向载荷不变时比较不同弯曲曲率下的损伤，也能够在保持弯曲曲率不变时比较不同轴向载荷下的损伤，从而分析两个参数单独作用及组合条件下的陶瓷纤维弯曲损伤规律。

26、7、本发明陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法，使纤维夹持器的夹持方向随顶部安装座沿弧形导向槽运动而保持为圆弧轨迹的切向方向，使试样夹持端的方向与预定运动轨迹相适配，有利于限制夹持端在运动过程中产生附加扭转、横向偏移或者局部折弯，减少非目标变形对试验结果的影响，提高不同包覆角和不同试验组之间的可比性。

27、8、本发明陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法，将弯曲金属杆设置为不可转动状态，使各试验组具有统一且明确的接触边界；同时采用低速、单向增加包覆角的加载方式，避免将往复循环次数、弯曲频率和高速惯性冲击作为附加变量引入测试。由此，有利于在相同杆件材料、表面状态和加载速度条件下，突出轴向载荷、弯曲曲率及包覆角对陶瓷纤维束表面损伤的影响。该设置并非完全排除纤维与弯曲金属杆之间的接触作用，而是通过统一接触条件提高组间比较的一致性。

28、9、本发明陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法，在弯曲金属杆正前方设置显微成像模块，使镜头的观测区域至少覆盖试样在弯曲金属杆处的弯曲包覆区域。显微成像模块能够在加载过程中采集不同包覆角对应的纤维形貌，记录单丝翘起、毛羽产生及局部断丝等表面损伤现象，使测试结果由弯曲处理后的终点检测扩展为对弯曲损伤产生和逐渐发展的过程观测。

29、10、本发明陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法，通过镜头调节支架调节镜头的观测高度、水平位置及工作距离，能够针对不同直径的弯曲金属杆和不同规格的陶瓷纤维束调整观测区域。通过在不同试验组中保持显微放大倍数、照明条件、曝光参数和测试区域一致，可以提高图像采集条件的一致性，为不同包覆角及不同机械参数条件下的毛羽图像比较提供稳定的观测基础。

30、11、本发明陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法，通过与显微成像模块连接的图像处理软件，对采集图像进行背景校正、阈值分割、试样主体边界提取及噪声去除，将伸出试样主体边界的前景区域识别为毛羽区域，并以毛羽面积指数表征表面损伤程度。相比于仅依靠人工观察对毛羽多少进行定性判断的方式，本发明能够将陶瓷纤维束的表面形貌变化转换为可比较的量化指标，降低主观判断对测试结果的影响。

31、12、本发明陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法，能够将显微图像及其毛羽量与相应包覆角建立对应关系，并通过改变砝码质量和弯曲金属杆直径，获得不同轴向载荷、不同弯曲曲率组合条件下毛羽量随包覆角变化的关系。由此，可以确定毛羽开始明显增加的包覆角范围，比较不同陶瓷纤维种类、纤维规格或表面处理状态的耐弯曲能力，并评价其对不同立体织造机械条件的适应性。

32、13、本发明陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法，通过可更换弯曲金属杆、可更换砝码、圆弧导向机构及可调显微成像模块之间的配合，能够在实验室条件下重复构建陶瓷纤维束受张力作用并绕过小尺寸导纱构件的弯曲状态。相比于直接通过实际上机织造后再检测纤维损伤的方式，本发明便于对单一参数或参数组合进行控制，能够减少整机织造过程中多种因素同时变化造成的干扰，降低试验成本并提高试验效率。

33、14、本发明陶瓷纤维弯曲性能测试装置及方法，获得的轴向载荷、弯曲曲率、包覆角与毛羽量之间的试验关系，可用于评价不同陶瓷纤维束的耐弯曲性能，并为立体织造过程中纤维张力的选择以及导纱杆、导纱轮、综丝和其他纱路转向构件的尺寸设计提供试验依据，有助于优化陶瓷纤维立体织造纱路及工艺参数，降低织造成形过程中由小半径转向引起的纤维损伤。