一種纖維中溫縱向線膨脹系數(shù)測(cè)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(cè)試裝置，溫度范圍為室溫～800℃。該測(cè)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(jì)及待測(cè)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(diǎn)，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(cè)試精度。
【專利說明】一種纖維中溫縱向線膨脹系數(shù)測(cè)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(cè)試裝置，該裝置同時(shí)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(cè)分析【技術(shù)領(lǐng)域】，目的是實(shí)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(zhǔn)確測(cè)試與評(píng)價(jià)。
【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(zhǔn)確測(cè)試與評(píng)價(jià)的迫切需求，因?yàn)樘祭w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(shí)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(duì)后者的某些性能進(jìn)行改性，如提高復(fù)材的強(qiáng)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(duì)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(qiáng)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(cè)分析不可缺少，需要建立相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)分析裝置?；谠摐y(cè)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(cè)試裝直。
[0003]碳纖維線膨脹系數(shù)檢測(cè)方法常見的有:直接法和間接法。直接法是借助于一定的測(cè)量技術(shù)直接測(cè)量碳纖維受熱后的真實(shí)膨脹量；間接法就是由單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的測(cè)量值通過物理計(jì)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(cè)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(shí)，記錄標(biāo)示物的位置LI，由此可計(jì)算得到纖維縱向線膨脹系數(shù)。該法看似簡(jiǎn)單粗糙，但要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)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(shí)現(xiàn)Α、B兩端間溫度一致，難度大，并導(dǎo)致測(cè)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(hù)下才能完成測(cè)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(jìn)的測(cè)試儀器，但離不開目測(cè)對(duì)準(zhǔn)，當(dāng)標(biāo)示物W不穩(wěn)時(shí)，將導(dǎo)致較大的測(cè)試誤差，甚至測(cè)試結(jié)果嚴(yán)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(zhǔn)問題，標(biāo)示物W的選材和其線膨脹系數(shù)標(biāo)定值的準(zhǔn)確性和代表性等對(duì)測(cè)試結(jié)果均可能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
[0004]成熟商用測(cè)試儀器中，有些TMA(Thermomechanic analysis熱機(jī)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(cè)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(cè)試時(shí)，同樣存在如下技術(shù)問題:首先因采用差動(dòng)變壓器原理測(cè)試樣品位移量，而差動(dòng)變壓器易受實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境電磁場(chǎng)影響，基準(zhǔn)穩(wěn)定性差，4h分析時(shí)間內(nèi)零飄可達(dá)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(jí)差異的金屬制作而成，致使碳纖維縱向線膨脹系數(shù)測(cè)試結(jié)果一般在1X10_6/°C?5X10_6/°C浮動(dòng)，分辨率大于1X10_6，超出碳纖維真實(shí)縱向線膨脹系數(shù)一個(gè)數(shù)量級(jí)(10_7量級(jí))，甚至更多，重復(fù)性和準(zhǔn)確性都不能保證。所以，該測(cè)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(jī)膜、有機(jī)帶、銅鋁絲、銅鋁膜等。但對(duì)低膨脹纖維類材料縱向線膨脹系數(shù)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(xì)兩節(jié)石英管焊接而成，粗端截面處焊有石英墊片，細(xì)端截面處挖有通孔，并將細(xì)端插入石英外管內(nèi)；所述石英頂桿的長(zhǎng)度大于石英外管的長(zhǎng)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(cè)纖維樣品兩端分別穿過石英頂桿細(xì)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(cè)纖維樣品旁用于測(cè)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(cè)量得到的溫度并根據(jù)該溫度對(duì)電加熱爐進(jìn)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(cè)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(zhǎng)度不小于100mm，均溫區(qū)內(nèi)溫度浮動(dòng)范圍小于2°C，溫度測(cè)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(shí)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(xì)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(zhǎng)度長(zhǎng)110?140mm。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)，可簡(jiǎn)化測(cè)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(jī)械配合準(zhǔn)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(cè)對(duì)準(zhǔn)，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(zhǎng)(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(duì)低低膨脹系數(shù)的纖維材料樣品的準(zhǔn)確測(cè)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(dá)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(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境電磁場(chǎng)影響，抗電磁干擾能力強(qiáng)，基準(zhǔn)穩(wěn)定性好，4h分析時(shí)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(dòng)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(cè)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(cè)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(cè)纖維樣品；22:壓緊銅管。
[0022]圖4為纖維兩端連接方法。
【具體實(shí)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(hù)氣、電加熱爐3均溫區(qū)長(zhǎng)度不小于100mm、均溫區(qū)內(nèi)溫度浮動(dòng)范圍小于2°C、溫度測(cè)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(cè)纖維樣品21的連接方法。將長(zhǎng)度600mm左右的一束(I~12K)待測(cè)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(cè)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(cè)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(shí)拉直待測(cè)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(cè)纖維樣品21的死結(jié)扣松動(dòng)，并在死結(jié)扣處浸入銀糊，以防止死結(jié)扣在測(cè)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(cè)量?jī)x器，分辨率為0.05 μ m，抗電磁干擾能力強(qiáng)，4h內(nèi)零飄不大于0.5 μ m。
[0027]當(dāng)待測(cè)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(hù)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(dòng)測(cè)控溫程序，在升溫過程中隨時(shí)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(yàn)結(jié)束。緊臨壓緊銅管22內(nèi)側(cè)，剪開待測(cè)纖維樣品21，測(cè)量其總長(zhǎng)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(jì)算:
【權(quán)利要求】
1.一種纖維中溫縱向線膨脹系數(shù)測(cè)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(xì)兩節(jié)石英管焊接而成，粗端截面處焊有石英墊片，細(xì)端截面處挖有通孔，并將細(xì)端插入石英外管(11)內(nèi)；所述石英頂桿(20)的長(zhǎng)度大于石英外管(11)的長(zhǎng)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(cè)纖維樣品(21)兩端分別穿過石英頂桿(20)細(xì)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(cè)纖維樣品(21)旁用于測(cè)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(cè)量得到的溫度并根據(jù)該溫度對(duì)電加熱爐(3)進(jìn)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(cè)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(cè)試裝置，其特征在于:所述的電加熱爐(3)均溫區(qū)長(zhǎng)度不小于100mm，均溫區(qū)內(nèi)溫度浮動(dòng)范圍小于2°C，溫度測(cè)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(cè)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(cè)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(shí)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(cè)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(xì)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(cè)試裝置，其特征在于:所述石英頂桿(20)比石英外管(11)的總長(zhǎng)度長(zhǎng)110~140mm。
【文檔編號(hào)】G01N25/16GK103983658SQ201410217002
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)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(qǐng)人:航天材料及工藝研究所, 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院