一种碳纤维集束性测试装置及测试、评价方法与流程

1.本发明涉及一种碳纤维集束性测试装置、测试方法、定量评价指标及展开性定性评价方法，属于碳纤维应用工艺性评价技术领域。


背景技术：

2.碳纤维因其优异的比强度、比模量、耐高温、耐腐蚀等性能而备受关注，碳纤维的应用需要与树脂、陶瓷、金属等基体，在特定的成型工艺下进行复合，制备为先进复合材料。以碳纤维为增强体的先进复合材料已经在航空航天、交通、风电、体育休闲等领域获得了广泛的应用。以碳纤维增强树脂基复合材料为例，碳纤维在应用时需先加工为中间体。根据成型工艺的需要，中间体通常分为预浸料和干态织物两大类，分别适用于热压罐成型工艺和液体成型工艺。
3.根据现有碳纤维预浸料制备工艺过程，碳纤维丝束需要通过大量篦子和导丝辊，而干态织物编织过程中，纤维束来回穿插、反复摩擦、弯折，势必会因摩擦产生损伤，造成断丝、毛丝、毛团、甚至断纱，影响中间体中纤维的取向性和质量的均匀性，最终影响碳纤维的性能转化率。因此，碳纤维“应用工艺性能”对碳纤维工程应用具有非常显著的影响，评价碳纤维的工艺性成为控制及改善碳纤维质量的重要研究方向之一。
4.当前，定量评价碳纤维工艺性的方法较少，尚未形成统一测试标准。而碳纤维工艺性往往是多个碳纤维性能指标的综合体现，其工艺性表现受到碳纤维模量、耐弯折性、耐磨性、断头率、表面上浆剂种类及含量等众多因素影响，这更加增加了碳纤维工艺性评价和研究的难度。
5.集束性是指纤维或纱线中单丝与单丝相互抱合，聚集成捆(束)的能力。碳纤维集束性越好，一方面可以减小与外界器物的接触面，减少摩擦损伤，另一方面可以更好保持单丝的平行度和共同承力能力，增强纤维束的耐磨性能。此外，碳纤维集束性不仅反映了纤维单丝之间的抱合聚集能力，也能侧面反映碳纤维制备过程中牵伸和上浆等工艺的稳定性和均匀性。因此碳纤维集束性的客观、有效、快速评价对指导碳纤维制备工艺改进和工程应用，具有指导意义。目前国内尚没有专门针对碳纤维“集束性”测试的相关专利和研究。


技术实现要素：

6.本发明的目的之一在于提供一种碳纤维应用工艺性能测试装置，本发明提供的碳纤维集束性测试装置设置了操作平台、样品固定压块、样品展开针状物，可定量测试碳纤维集束性，并定性评价碳纤维展开特性。
7.本发明的目的之二在于提供一种碳纤维集束性的测试方法——展开/回弹法，该方法可实现碳纤维集束性客观、快速、有效测试，为评价及研究碳纤维的应用工艺性提供有效的测试方法。
8.本发明的目的之三在于提供一种碳纤维集束性的定量评价指标，该指标可定量评价碳纤维集束性，为评价及研究碳纤维的应用工艺性提供量化指标。
9.本发明的目的之四在于提供一种碳纤维集束性/展开性的定性评价方法，该方法可定性评价碳纤维丝束集束/展开特性，为评价及研究碳纤维的应用工艺性提供直观可视参考。
10.本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种碳纤维集束性测试装置，包括测试操作平台、样品固定装置、样品展开工具；所述测试操作平台表面相互垂直的两个方向均设置刻度，所述样品固定装置的表面材料为能够根据外力的施加或撤销产生伸缩的弹性材料，该弹性材料与碳纤维之间能够产生粘附/吸附力，用于柔性固定集束性测试过程中的碳纤维样品；上述柔性固定是指外力施加或撤销时，碳纤维样品与样品固定装置的表面之间无相对运动，仅产生弹性材料的伸缩；所述样品展开工具，用于展开放置在测试操作平台上由样品固定装置柔性固定的碳纤维样品、并维持其展开状态。
11.优选的，样品固定装置对碳纤维样品的固定方向和样品展开工具对碳纤维样品的展开方向，与上述测试操作平台相互垂直的两个方向分别垂直。
12.优选的，样品固定装置选用橡胶材料，通过调整自身重量及其与碳纤维样品之间的接触面积，使二者之间的压强为5.8
±
0.2kpa。
13.优选的，样品展开工具为便于插装在测试操作平台上的针状物，直径在0.5～1mm之间。
14.一种碳纤维集束性测试方法，包括：
15.将一组待测试碳纤维样品进行预处理，以释放样品中的内部应力，并使释放后的碳纤维样品处于平直状态；
16.将上述处理后的一个碳纤维样品子样放置在权利要求1所述的测试操作平台上，两端通过样品固定装置柔性固定，并通过样品展开工具展开并维持展开状态至固定的时长；
17.拔除样品展开工具并解除一端的柔性固定，使碳纤维样品自由回弹至预设时长，完成一次测试；
18.重复上述测试过程至少完成10个子样的测试，即完成该组碳纤维样品的集束性测试。
19.优选的，所述的预处理为截取后的碳纤维样品在自由状态下放置6h以上。
20.优选的，碳纤维样品两端柔性固定的标距为300
±
1mm；样品展开工具对碳纤维样品展开的最大宽度即展距为30
±
0.5mm；固定的时长为60
±
3s。
21.优选的，回弹预设时长为120
±
5s。
22.一种碳纤维集束性的定量评价方法，包括：
23.确定碳纤维集束性定量评价指标，即回弹率，所述回弹率为纤维束在外力作用撤除后自由回弹的比率，单位为％；
24.根据测试数据，计算回弹率。
25.优选的，回弹率＝(展距-回弹距)
÷
(展距-幅宽)
×
100％，取所有子样的回弹率均值作为最终的评价结果；
26.上述展距为样品展开工具对碳纤维样品展开的最大宽度；回弹距为自由回弹至预设时长时测量的碳纤维样品沿展开方向的最大宽度；幅宽为碳纤维样品在自由状态下最外侧两根单丝外缘之间的垂直距离。
27.一种碳纤维集束性的定性评价方法，通过记录和观察碳纤维样品展开状态时的展开形状及均匀性、开纤程度，定性评价碳纤维丝束展开特性。
28.优选的，通过观察碳纤维样品自由回弹至预设时长时的回弹程度和形状，定性描述碳纤维集束特性。
29.本发明与现有技术相比的有益效果是：
30.1、提供了一种可供集束性测试的装置，包括测试操作平台、样品固定装置和样品展开工具，填补了国内空白。该装置体量小，对使用面积要求较低；制作方法简单、成本低、便于操作，利于推广和应用。
31.2、提供了一种碳纤维集束性能的测试评价方法，填补了国内空白。该方法较大程度模拟还原了碳纤维在实际使用过程中的受力方式，能够客观反映碳纤维应用工艺性。该方法步骤少、操作方法简单，便于测试人员培养，利于推广和应用。
32.3、上述测试方法中的集束性指标，可量化、可重复、离散低，时间和空间稳定性都较高，测试结果客观、真实、稳定，利于多样品的性能对比分析。
33.4、上述测试方法中涉及的标距、展距两个测试参数，是经过系统、大量的对比试验验证得到并确认，不仅能使碳纤维样品充分展开，而且能确保样品不被损坏，高度还原纤维实际使用状态；此外还兼顾了测试“样品成本”最低化原则。
34.5、上述测试方法中涉及的固定时长、预设时长两个测试参数，是经过系统、大量的对比试验验证得到并确认。固定时长不仅能使碳纤维样品充分展开，又不会导致样品产生不可恢复性损伤；预设时长在保证样品充分回弹的同时，又兼顾测试“时间成本”最低化原则。
附图说明
35.图1是本发明碳纤维集束性测试装置的组成示意图，和测试原理及步骤示意图。
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图1对本发明的实施方式作进一步详细描述。
37.一种碳纤维集束性测试装置，包括测试操作平台1、样品固定装置——压块2、和样品展开工具——针状物3。整个测试过程均在1操作平台上进行，采用2特定压块实现对样品的“柔性”固定，使用3针状物将样品展开到指定位置和宽度，使用刻度尺进行长度/宽度测量。所述测试操作平台1表面相互垂直的两个方向均设置刻度，所述样品固定装置的表面材料为能够根据外力的施加或撤销产生伸缩的弹性材料，该弹性材料与碳纤维之间能够产生粘附/吸附力，用于柔性固定集束性测试过程中的碳纤维样品；上述柔性固定是指外力施加或撤销时，碳纤维样品与样品固定装置的表面之间无相对运动，仅产生弹性材料的伸缩；所述样品展开工具，用于展开放置在测试操作平台上由样品固定装置柔性固定的碳纤维样品、并维持其展开状态。
38.一种碳纤维集束性测试方法，利用碳纤维集束性测试装置实现，具体测试步骤如下：
39.步骤一、取样及预处理。用手术刀或剪刀截取适宜长度(标距 100
±
5mm)的碳纤维
试样，每组样品不少于10个平行子样。之后将样品在自由状态下放置6h以上，以充分释放内部应力。
40.步骤二、样品固定。将碳纤维样品用手轻轻捋平拉直，沿测试中心线平直放置在测试台面上，按照测试标距(300
±
1mm)，将两端用压块固定。用手适度按压压块，按压用力方向与纤维和压块的接触面垂直。
41.步骤三、幅宽测量。样品固定好以后，用刻度尺测量碳纤维束中心位置及两侧各5cm处的幅宽(共三个点)，记录数值。测量时避免刻度尺与碳纤维束直接接触。
42.步骤四、样品展开。采用针状展开工具，在碳纤维束中心位置，沿纤维束两侧边缘，将纤维束垂直撑开至展距(30
±
0.5mm)宽度并固定，针状物与操作平台垂直。同时开始“固定时长”计时。
43.步骤五、展开状态记录。用数码相机拍照，记录纤维束展开状态。
44.步骤六、样品回弹。到达固定时长(60
±
3s)后，随即取出针状物，随后解除一端固定，使样品自由回弹，同时开始“预设时长”(120
±
5s)计时。
45.针状物取出时，保持与操作台面垂直状态，避免与纤维发生刮划；一端固定解除时，尽量避免外力对自然回弹状态的干扰甚至破坏。
46.步骤七、回弹距测量。回弹预设时长结束后，用刻度尺测量碳纤维束回弹距，并记录数值。测量时避免刻度尺与碳纤维束直接接触。
47.步骤八、回弹状态记录。用数码相机拍照，记录纤维束回弹状态。
48.步骤九、测试台面清理。用胶带或双面胶清理操作台面和压块与纤维接触面的毛丝，结束一个碳纤维平行子样的集束性测试。
49.步骤十、回弹率计算。利用上述测试数据，根据下述公式计算回弹率：
50.回弹率＝(展距-回弹距)
÷
(展距-幅宽)
×
100％(式1)
51.重复步骤二～步骤十，重复次数不少于10次，完成一组碳纤维样品测试，取不少于10次测试结果的算术平均值，作为该组碳纤维样品的集束性测试结果。
52.一种碳纤维集束性/展开性的定性评价方法，通过观察集束性测试过程中样品状态实现。通过观察上述“步骤五”纤维展开状态照片，观察纤维束展开状态及均匀性；观察上述“步骤八”纤维束回弹状态，直观观察碳纤维集束特性。
53.本发明的实施例1：用剪刀剪取长度为40mm
±
5mm的t800hb-12k碳纤维试样20个，并在自由状态下放置一夜。将一根碳纤维样品用手轻轻捋平拉直，平直放置在操作台面的测试中心线上，将两端用压块固定并按压，标距为300mm。之后用刻度尺测量碳纤维束中心位置幅宽为3.2mm，中心左侧5cm处的幅宽为3.2mm，中心左侧5cm处的幅宽为3.25mm，取算术平均值3.2mm作为该样品幅宽。用大头针在碳纤维束中心位置，沿纤维束两侧边缘，将纤维束垂直撑开至展宽30mm并固定。用数码相机对此时的样品进行拍照。1min后取出大头针并解除一端压块固定，2min后用刻度尺测量碳纤维束回弹距为16.5mm。随后用数码相机对此时的样品进行拍照。移除该测试样品，用透明胶带或双面胶清理操作台面和压块与纤维接触面的毛丝。重复上述操作20次。根据公式(1)计算得该t800hb-12k碳纤维样品的回弹率见表1。
54.表1 t800hb-12k碳纤维回弹率
[0055][0056]
本发明的实施例2：用剪刀剪取长度为40mm
±
5mm的t700sc-12k碳纤维试样20个，并在自由状态下放置一夜。将一根碳纤维样品用手轻轻捋平拉直，平直放置在操作台面的测试中心线上，将两端用压块固定并按压，标距为300mm。之后用刻度尺测量碳纤维束中心位置幅宽为5.75mm，中心左侧5cm处的幅宽为5.7mm，中心左侧5cm处的幅宽为5.7mm，取算术平均值5.7mm作为该样品幅宽。用大头针在碳纤维束中心位置，沿纤维束两侧边缘，将纤维束垂直撑开至展宽30mm并固定。用数码相机对此时的样品进行拍照。1min后取出大头针并解除一端压块固定，2min后用刻度尺测量碳纤维束回弹距为13.7mm。随后用数码相机对此时的样品进行拍照。移除该测试样品，用透明胶带或双面胶清理操作台面和压块与纤维接触面的毛丝。重复上述操作20次。根据公式(1)计算得该t700sc-12k碳纤维样品的回弹率见表2。
[0057]
表2 t700sc-12k碳纤维回弹率
[0058][0059]
本发明的实施例3：用剪刀剪取长度为40mm
±
5mm的m55jb-6k碳纤维试样20个，并在自由状态下放置一夜。将一根碳纤维样品用手轻轻捋平拉直，平直放置在操作台面的测试中心线上，将两端用压块固定并按压，标距为300mm。之后用刻度尺测量碳纤维束中心位置幅宽为1.8mm，中心左侧5cm处的幅宽为1.8mm，中心左侧5cm处的幅宽为1.8mm，取算术平均值1.8mm作为该样品幅宽。用大头针在碳纤维束中心位置，沿纤维束两侧边缘，将纤维束垂直撑开至展宽30mm并固定。用数码相机对此时的样品进行拍照。1min后取出大头针并解除一端压块固定，2min后用刻度尺测量碳纤维束回弹距为13.7mm。随后用数码相机对此时的样品进行拍照。移除该测试样品，用透明胶带或双面胶清理操作台面和压块与纤维接触面的毛丝。重复上述操作20次。根据公式(1)计算得该m55jb-6k碳纤维样品的回弹率见表3。
[0060]
表3 m55jb-6k碳纤维回弹率
[0061][0062]
本发明的实施例4：用剪刀剪取长度为40mm
±
5mm的m60jb-6k碳纤维试样20个，并在自由状态下放置一夜。将一根碳纤维样品用手轻轻捋平拉直，平直放置在操作台面的测试中心线上，将两端用压块固定并按压，标距为300mm。之后用刻度尺测量碳纤维束中心位置幅宽为1.78mm，中心左侧5cm处的幅宽为1.8mm，中心左侧5cm处的幅宽为1.82mm，取算术平均值1.8mm作为该子样品幅宽。用大头针在碳纤维束中心位置，沿纤维束两侧边缘，将纤维束垂直撑开至展宽30mm并固定。用数码相机对此时的样品进行拍照。1min后取出大头针并解除一端压块固定，2min后用刻度尺测量碳纤维束回弹距为15.5mm。随后用数码相机对此时的样品进行拍照。移除该测试样品，用透明胶带或双面胶清理操作台面和压块与纤维接触面的毛丝。重复上述操作20次。根据公式(1)计算得该m60jb-6k碳纤维样品的回弹率见表4。
[0063]
表4 m60jb-6k碳纤维回弹率
[0064][0065]
从上面四个典型例子可以看出，本发明测试方法适应面广、稳定性较高，可广泛用于聚丙烯腈基碳纤维集束性定量测试评价。后续将系统研究和确认集束性与耐磨性、毛丝量之间的定性/定量关系，更全面表征碳纤维应用工艺性能，指导国产碳纤维制备工艺改进和工程应用。
[0066]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。