[發明專利]一種纖維中溫縱向線膨脹系數測試裝置

有效

• 申請號: 201410217002.6
• 申請日: 2014-05-21
• 公開（公告）號: CN103983658A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 何鳳梅;陳聰慧;楊景興;李琦;楊云華
• 申請（專利權）人: 航天材料及工藝研究所;中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: G01N25/16
• 分類號: G01N25/16
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及一種用于纖維中溫縱向線膨脹系數的測試裝置，該裝置同時適用于其它柔性類絲材，帶材等。本發明屬于纖維中高溫(室溫～800℃)熱物理性能檢測分析技術領域，目的是實現具有低線膨脹系數特性的纖維類材料中高溫縱向線膨脹系數的準確測試與評價。

背景技術

本發明首先基于碳纖維中高溫縱向線膨脹系數準確測試與評價的迫切需求，因為碳纖維兼有優良的高溫力學性能、熱物理性能和耐酸、堿等特性，同時又具備紡織纖維柔軟可加工性，是一種十分重要的戰略基礎原材料。碳纖維的應用絕大部分是以樹脂、碳、陶瓷、金屬等復合形式存在，前者是對后者的某些性能進行改性，如提高復材的強度、韌性、高溫性能等。碳纖維與復合基材界面間的物理相容性對復材總體性能有至關重要的影響，而線膨脹系數是其中最重要的影響參量之一。此外，碳纖維的線膨脹系數大小一定程度上決定復材的線膨脹系數大小，如碳纖維增強樹脂基復材單向板，或以此為基礎并交替鋪以其它方向的多層板，一定溫度范圍內，復材沿纖維方向(縱向)其總體線膨脹系數的大小與碳纖維相當。因此，碳纖維的線膨脹系數及與溫度之間的關系的檢測分析不可缺少，需要建立相對應的檢測分析裝置。基于該測試需求，發明了一種用于纖維中溫縱向線膨脹系數的測試裝置。

碳纖維線膨脹系數檢測方法常見的有：直接法和間接法。直接法是借助于一定的測量技術直接測量碳纖維受熱后的真實膨脹量；間接法就是由單向纖維增強復合材料的測量值通過物理計算模型推導出來。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用較多，其最初由印度科學家首次提出，其測量原理如下圖2所示，即碳纖維兩端固定，中間固定一標示物W，室溫T0下記錄標示物的初始位置L0，當溫度改變(升溫或降溫)至T1時，記錄標示物的位置L1，由此可計算得到纖維縱向線膨脹系數。該法看似簡單粗糙，但要實現準確測量尚有難度，主要表現在：首先碳纖維樣品因水平放置，A、B兩端距離大，要實現A、B兩端間溫度一致，難度大，并導致測試裝置更為復雜和成本大大提高；其次當溫度超過400℃，碳纖維易發生激烈氧化反應，600℃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下才能完成測試，由此將導致標示物W不穩，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)，雖可采用技術先進的測試儀器，但離不開目測對準，當標示物W不穩時，將導致較大的測試誤差，甚至測試結果嚴重偏離碳纖維本征熱膨脹性能。此外，還存在標示物W本身的熱膨脹校準問題，標示物W的選材和其線膨脹系數標定值的準確性和代表性等對測試結果均可能產生嚴重影響。

成熟商用測試儀器中，有些TMA(Thermomechanic?analysis熱機械分析)儀器，配有絲材、帶材和膜材類線膨脹系數下垂法測試套件。該類分析儀器用于低膨脹纖維類材料縱向線膨脹系數測試時，同樣存在如下技術問題：首先因采用差動變壓器原理測試樣品位移量，而差動變壓器易受實驗室現場環境電磁場影響，基準穩定性差，4h分析時間內零飄可達幾微米甚至更大。其次，樣品短(10mm左右)，樣品夾具多采用線膨脹系數與碳纖維有數量級差異的金屬制作而成，致使碳纖維縱向線膨脹系數測試結果一般在1×10^-6/℃～5×10^-6/℃浮動，分辨率大于1×10^-6，超出碳纖維真實縱向線膨脹系數一個數量級(10^-7量級)，甚至更多，重復性和準確性都不能保證。所以，該測試套件較適用于線膨脹系數較大的絲材、帶材和膜材，如有機膜、有機帶、銅鋁絲、銅鋁膜等。但對低膨脹纖維類材料縱向線膨脹系數測試不適用。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種纖維中溫縱向線膨脹系數測試裝置，顯著提高低膨脹系數特性的纖維類材料的縱向線膨脹系數測試精度。

本發明的技術方案是：一種纖維中溫縱向線膨脹系數測試裝置，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、光柵數字位移傳感器探頭、光柵數字萬分表、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；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；