一种连续纤维增强复合材料界面剪切强度测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种连续纤维增强复合材料界面剪切强度测试装置，包括抛磨装置1、柱台7和观测固定装置13，其中：所述抛磨装置1的顶面为一个倾斜角为θ的抛磨装置斜面2，沿着抛磨装置斜面2的倾斜方向设置有抛磨装置水平矩形槽3，所述柱台7的顶面设置有倾斜角为θ的柱台矩形斜槽8，沿着柱台矩形斜槽8的倾斜方向设置有纤维推出槽9，所述观测固定装置13的顶面设置有倾斜角为θ的观测固定装置矩形斜槽；本发明专利技术的夹具均采用矩形槽设计，适用于不同直径纤维和不同截面形状试样的推入拔出试验，可用于多种复合材料包括陶瓷基复合材料、金属基复合材料、树脂基复合材料等的界面剪切强度测试。

A device and method for measuring the interfacial shear strength of continuous fiber reinforced composites

【技术实现步骤摘要】
一种连续纤维增强复合材料界面剪切强度测试装置及方法
本专利技术属于
，特别涉及一种连续纤维增强复合材料界面剪切强度测试装置及方法。
技术介绍
连续纤维增强复合材料具有比强度高、比模量高、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等优点，广泛应用于航空航天、船舶、交通等承载能力要求较高的行业。连续纤维增强复合材料通常由纤维、基体及两者之间的界面相组成，其中界面相不仅起着连接纤维与基体的“桥梁作用”，也是外加载荷从基体向纤维传递的纽带，决定了复合材料韧性的好坏。界面结合强度影响着复合材料性能的关键，决定着复合材料的破坏性能，因而准确表征界面剪切强度一直是连续纤维增强复合材料领域里十分重要的研究问题。目前用于测试复合材料切向粘结强度的方法主要有单纤维推入拔出法、临界纤维长度法、微脱粘法，其中单纤维推入拔出法是最直观有效的可以测试界面切向粘结强度的方法。单纤维推入拔出主要是基于两种方式，一种是将单根纤维一端埋入树脂基体中，待树脂固化后脱模取出形成单纤维复合材料，通过试验机在纤维上端施加沿纤维轴向作用力将单纤维从树脂基体中脱离，记录拔出过程中产生的最大荷载从而获得界面剪切强度、摩擦系数等，例如专利CN105928800A“一种纤维增强热固性树脂基复合材料界面剪切强度测试装置及方法”、专利CN206573411U“单纤维界面剪切强度测试装置”，但是这种方式使用范围有限，只适用于树脂基复合材料，不适用于陶瓷基以及金属基复合材料。另一种是基于纳米压痕技术的纤维推入拔出方式，该技术是一种可对真实复合材料在原位测定力学性能的实验方法。它的实验取样来自于真实的材料，因此，此项技术测得的界面切向强度可真实地表征实际复合材料的界面性能，例如专利CN105928800A“一种与纳米压痕仪配套使用的纤维顶出实验装置”提供了一种与纳米压痕仪配套使用的纤维顶出装置中提供了一种测试碳纤维增强树脂基复合材料界面切向强度的测量装置及方法，该装置需要将材料两端抛磨平整，但由于纤维和基体的硬度差距较大，抛磨时损耗速度不同，试样很难制作；同时，压头推力有限，若制备均匀厚度试样较厚可能难以推出纤维；另一方面，纳米压痕仪推出纤维长度有限，难以一一对应准确地获取推出纤维的长度，从而会影响测试纤维界面强度的计算准确性。因此，有必要提供一种复合材料界面剪切强度测试装置及方法，实现对复合材料界面切向强度的准确测量。
技术实现思路
本专利技术提供一种连续纤维增强复合材料界面剪切强度测试装置及方法，以解决现有技术中难以准确测量复合材料界面剪切强度的问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种连续纤维增强复合材料界面剪切强度测试装置，包括抛磨装置1、柱台7和观测固定装置13，其中：所述抛磨装置1的顶面为一个倾斜角为θ的抛磨装置斜面2，沿着抛磨装置斜面2的倾斜方向设置有抛磨装置水平矩形槽3，所述柱台7的顶面设置有倾斜角为θ的柱台矩形斜槽8，沿着柱台矩形斜槽8的倾斜方向设置有纤维推出槽9，所述观测固定装置13的顶面设置有倾斜角为θ的观测固定装置矩形斜槽14，复合材料试验试样4放置于抛磨装置水平矩形槽3内，将复合材料试验试样4的顶面磨成与抛磨装置斜面2倾斜角θ一致的斜面，磨好的复合材料试验试样4放置于柱台矩形斜槽8内进行试验，试验完毕的复合材料试验试样4放置于放置于观测固定装置矩形斜槽14内观察。进一步的，所述复合材料试验试样4的厚度为1～2mm；所述倾斜角θ为3～5°。进一步的，所述纤维推出槽9位于柱台矩形斜槽8倾斜方向的正中间。进一步的，所述抛磨装置1的材料为不锈钢，柱台7和观测固定装置13的材料为铝合金，所述复合材料试验试样4为陶瓷基复合材料、金属基复合材料或树脂基复合材料；所述抛磨装置1为的截面为直角梯形，柱台7和观测固定装置13均为圆柱体。一种连续纤维增强复合材料界面剪切强度测试方法，包括以下步骤：S1、制作厚度为1～2mm的复合材料试验试样，使用液体胶将复合材料试验试样固定在抛磨装置水平矩形槽上，使用砂纸进行抛磨，使得复合材料试验试样的一个端面平整，另一个端面抛磨为与抛磨装置斜面倾斜角θ一致的斜面，制作好后使用胶水清洗剂将复合材料试验试样取下，并放入丙酮中脱胶清洗，待复合材料试验试样晾干后测量复合材料试验试样薄端面的厚度L；S2、使用棉签涂抹少许液体胶在柱台矩形斜槽内纤维推出槽的两侧，避免胶水渗入矩形槽内的纤维推出槽，将复合材料试验试样的倾斜面粘黏在柱台矩形斜槽内，另一端面与柱台的表面保持水平，纤维推出槽对应纤维的顶出区域，然后将柱台固定在纳米压痕仪试验仪器中；S3、使用小载荷压头，将复合材料试验试样移动到与压头接触，再倒退30μm，然后将复合材料试验试样移到显微镜下，在5→10→20→40倍镜下依次聚焦，达到最高倍数后确定焦平面，完成焦平面校准，然后使用压头压入复合材料试验试样表面的边缘区域，观测压痕是否与十字线中心重合，若不重合，则使用鼠标拖动十字线中心与压痕重合，完成十字线校准，据纤维推出槽的宽度确定待测区域，然后标记待测区域将要推出纤维的位置；S4、更换压头为大载荷压头，进行焦平面校准和十字线校准后开展纤维顶出试验，完成顶出试验后，记录分析力-位移曲线，使用胶水清洗剂将复合材料试验试样取下，并放入酒精中脱胶清洗；S5、使用液体胶将复合材料试验试样固定在观测固定装置矩形斜槽内，放入扫描电子显微镜SEM中，旋转电子束方向使得复合材料试验试样水平放置于视野中，采用二次电子成像模式观测顶出纤维位置，并使用SEM自带标尺标定每个标记纤维中心的位置到复合材料试验试样薄端面的距离x；S6、根据测得的标记位置到复合材料试验试样薄端面的距离x、复合材料试样薄端面的厚度L和复合材料试验试样顶面的倾斜角θ，计算每个被推出纤维的长度Lm，然后根据推出纤维的长度Lm、顶出推力F和纤维直径d，计算界面剪切强度τ。进一步的，所述步骤S1中，使用游标卡尺测出复合材料试验试样薄端面的厚度L。进一步的，所述步骤S3中，小载荷压头为berkovich压头，最大载荷500mN；所述步骤S4中，大载荷压头为圆台平压头，最大载荷30N；进一步的，所述步骤S3中，选定推出纤维后，使用berkovich压头在第一个待测纤维旁设置一个标记痕迹，在第二个待测纤维旁设置两个标记痕迹，依次标记所有的测试纤维；进一步的，所述步骤S3中，为防止压出的痕迹影响纤维的界面强度，标记痕迹的位置与测试纤维之间保留间隙。进一步的，所述步骤S4中，采用显微镜自带标尺测量槽的宽度，逐级聚焦直至最高倍数，移动复合材料试验试样使十字线中心位于复合材料试验试样边缘与测量槽交界处，调整复合材料试验试样位置保证十字线中心与测量槽的中线重合；采用力-位移模式设置载荷、加载时间、保载时间、卸载时间，在speciallocation模式下通过点击十字线竖线，采集拟推出纤维的坐标，开始压痕测试，直至所有拟推出纤维均被推出或达到最大载荷后停止试验。进一步的，所述步骤S5中，采用SEM自带标尺标定每本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续纤维增强复合材料界面剪切强度测试装置，其特征在于：包括抛磨装置(1)、柱台(7)和观测固定装置(13)，其中：/n所述抛磨装置(1)的顶面为一个倾斜角为θ的抛磨装置斜面(2)，沿着抛磨装置斜面(2)的倾斜方向设置有抛磨装置水平矩形槽(3)，/n所述柱台(7)的顶面设置有倾斜角为θ的柱台矩形斜槽(8)，沿着柱台矩形斜槽(8)的倾斜方向设置有纤维推出槽(9)，/n所述观测固定装置(13)的顶面设置有倾斜角为θ的观测固定装置矩形斜槽(14)，/n复合材料试验试样(4)放置于抛磨装置水平矩形槽(3)内，将复合材料试验试样(4)的顶面磨成与抛磨装置斜面(2)倾斜角θ一致的斜面，磨好的复合材料试验试样(4)放置于柱台矩形斜槽(8)内进行试验，试验完毕的复合材料试验试样(4)放置于放置于观测固定装置矩形斜槽(14)内观察。/n

【技术特征摘要】
1.一种连续纤维增强复合材料界面剪切强度测试装置，其特征在于：包括抛磨装置(1)、柱台(7)和观测固定装置(13)，其中：
所述抛磨装置(1)的顶面为一个倾斜角为θ的抛磨装置斜面(2)，沿着抛磨装置斜面(2)的倾斜方向设置有抛磨装置水平矩形槽(3)，
所述柱台(7)的顶面设置有倾斜角为θ的柱台矩形斜槽(8)，沿着柱台矩形斜槽(8)的倾斜方向设置有纤维推出槽(9)，
所述观测固定装置(13)的顶面设置有倾斜角为θ的观测固定装置矩形斜槽(14)，
复合材料试验试样(4)放置于抛磨装置水平矩形槽(3)内，将复合材料试验试样(4)的顶面磨成与抛磨装置斜面(2)倾斜角θ一致的斜面，磨好的复合材料试验试样(4)放置于柱台矩形斜槽(8)内进行试验，试验完毕的复合材料试验试样(4)放置于放置于观测固定装置矩形斜槽(14)内观察。


2.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料界面剪切强度测试装置，其特征在于：所述复合材料试验试样(4)的厚度为1～2mm；所述倾斜角θ为3～5°。


3.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料界面剪切强度测试装置，其特征在于：所述纤维推出槽(9)位于柱台矩形斜槽(8)倾斜方向的正中间。


4.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料界面剪切强度测试装置，其特征在于：所述抛磨装置(1)的材料为不锈钢，柱台(7)和观测固定装置(13)的材料为铝合金，所述复合材料试验试样(4)为陶瓷基复合材料、金属基复合材料或树脂基复合材料；所述抛磨装置(1)为的截面为直角梯形，柱台(7)和观测固定装置(13)均为圆柱体。


5.根据权利要求1-4任一所述的连续纤维增强复合材料界面剪切强度测试装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制作复合材料试验试样，将复合材料试验试样固定在抛磨装置水平矩形槽上，进行抛磨，使得复合材料试验试样的一个端面平整，另一个端面抛磨为与抛磨装置斜面倾斜角θ一致的斜面，测量复合材料试验试样薄端面的厚度L；
S2、将复合材料试验试样的倾斜面粘黏在柱台矩形斜槽内，另一端面与柱台的表面保持水平，纤维推出槽对应纤维的顶出区域，然后将柱台固定在纳米压痕仪试验仪器中；
S3、使用小载荷压头，将复合材料试验试样移动到与压头接触，然后将复合材料试验试样移到显微镜下，在5→10→20→40倍镜下依次聚焦，达到最高倍数后确定焦平面，完成焦平面校准，然后使用压头压入复合材料试验试样表面的边缘区域，观测压痕是否与十字线中心重合，若不重合，则使用鼠标拖动十字线中心与压痕重合，完成十字线校准，据纤维推出槽的宽度确定待测区域，然后标记待测区域将要推出纤维的位置；
S4、更换压头为大载荷压头，进行焦平面校准和十字线校准后开展纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋迎东，陈西辉，丁俊杰，牛序铭，孙志刚，靳彧，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32