芯轴剥离装置及芯轴剥离式测定预浸料粘性的系统与方法

技术领域

本发明涉及材料物理性质测定技术领域，具体地说，涉及一种用于测定预浸料粘性与刚度的芯轴剥离装置、以该芯轴剥离装置构建的预浸料粘性测定系统及以该测定系统对预浸料粘性进行测试的方法。

背景技术

预浸料粘性是指在较短的接触时间与接触压力下，预浸料与其他物件表面所形成一种不完全的粘结特性，其作为决定预浸料是否适合铺贴的关键因素。在复合材料铺放工艺中，要求预浸料在一个合理的粘性范围，当粘性不足时，容易产生滑移、架桥等铺放缺陷；而粘性过大时，则不利于铺层有误时调整重铺，也不利于预浸料与背衬纸剥离，且会给预浸料的输送带来困难。

因此，准确地测定出用于表征预浸料粘性的物理量是提高复合材料铺放质量的前提之一，但由于缺乏准确有效且定量的测定方法，导致人们在描述预浸料的粘性时，通常为根据经验将其分成高、中、低三档，或者采用一些方法进行定性测量，比如：(1)滚球法：把规定尺寸和质量的塑料小球放在贴有预浸料的45°斜坡上，让小球向下滚动，通过滚动情况研究预浸料的粘性；(2)撕裂法：把两片预浸料贴合在一起，并施加压力，然后撕裂，以规定负荷下两片预浸料完全撕裂分离的时间作为表征其粘性的指标；(3)粘贴分离法等。

此外，由于预浸料本身特性所限，导致传统测量刚度的装置不适于测定预浸料的弯曲刚度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于定量测定预浸料粘性的芯轴剥离装置；

本发明的另一目的是提供一种以上述芯轴剥离装置构建的芯轴剥离式测定预浸料粘性的系统；

本发明的再一目的是提供一种使用上述系统对预浸料粘性进行测定的方法。

为了实现上述目的，本发明提供的芯轴剥离装置包括底座、牵拉机构、用于粘贴预浸料试样的试样板及用于在剥离过渡区域迫使预浸料试样紧贴试样板的剥离芯轴；剥离芯轴可转动地安装在底座上，试样板通过导轨滑块机构可滑动地安装在底座上，导轨滑块机构包括沿试样板的长度方向布置的直线导轨；牵拉机构包括可转动地安装在底座上的第一滑轮及跨绕在第一滑轮上的牵引绳，第一滑轮位于直线导轨的一端侧，牵引绳的一端与试样板的一端固定连接，另一端用于在剥离过程中拉动试样板滑动且滑动速度等于预浸料试样的剥离速度。

在测定过程中，将该剥离装置安装在万能试验机上，并将牵引绳的另一端固定在万能试验机的夹头上，且将预浸料试样的剥离端也固定在该夹头上；在剥离实验过程中，通过夹头拉动试样板与预浸料试样剥离端等速移动。从而可通过万能试验机记录用于后续处理以获取表征预浸料粘性的物理量。

具体的方案为试样板包括用于粘贴预浸料试样的可拆板及固定在导轨滑块机构的滑块上的托板，可拆板可拆卸地安装在托板上。便于测试过程中粘贴预浸料试样。

另一个具体的方案为底座上可转动地安装有第二滑轮，第二滑轮位于剥离芯轴邻近第一滑轮的一侧；牵引绳跨绕在第二滑轮上，且沿牵引绳在剥离过程中的行进方向，第二滑轮位于第一滑轮的下游。

再一个具体的方案为剥离芯轴的周面上附着有一层特氟龙。有效地减少剥离过程中预浸料试样与剥离芯轴间的摩擦力，有效地确保测试结果的准确性。

优选的方案为位于第一滑轮与试样板间的牵引绳段平行于直线导轨。

另一个优选的方案为底座为U型槽结构，其槽壁上设有用于安装滑轮轴的轴孔及用于安装剥离芯轴转轴的轴孔；直线导轨与试样板均置于U型槽内且沿槽长方向布置。

为了实现上述另一目的，本发明提供芯轴剥离式测定预浸料粘性的系统包括万能试验机及搭载在万能试验机上的剥离装置，剥离装置为上述任一技术方案所描述的芯轴剥离装置；底座固定在万能试验机的支座上，直线导轨沿水平方向布置，预浸料试样的剥离端夹持在万能试验机的夹头上，牵引绳的另一端固定在夹头上；已剥离的预浸料试样段沿垂向布置；沿牵引绳在剥离过程中的行进方向，位于夹头与相邻滑轮间牵引绳段沿垂向布置。

为了实现上述再一目的，本发明提供的芯轴剥离式测定预浸料粘性的方法为利用上述系统进行测定，其包括：

备料步骤，将N条预浸料测试条并排布置，沿其长度方向在测试区域内选取第一测试区域与第二测试区域，在第一测试区域内保留N₁条预浸料的背衬膜，在第二测试区域内保留N₂条预浸料的背衬膜，获取预浸料试样，其中，N≥2、N₁≠N₂、0≤N₁≤N且0≤N₂≤N；

粘贴步骤，对预浸料试样施加预定时长的预定压力，使其背面贴设在试样板上；

初始化步骤，在夹头未夹持预浸料试样的条件下，启动万能试验机拉动试样板进行空跑实验，获取位移-力曲线S1；

剥离步骤，将预浸料试样的夹持端夹在夹头上，启动万能试验机将预浸料试样从试样板上剥离，获取位移-力曲线S2；

预处理步骤，以位移为基准，将曲线S2与曲线S1相减，获取曲线S3，并从曲线S3中获取第一测试区域内的剥离力P₁与第二测试区域内的剥离力P₂；

计算步骤，依据公式计算表征预浸料粘性的物理量，B为预浸料测试条的宽度。

具体的方案为在计算步骤中，依据公式或计算表征预浸料弯曲刚度的物理量。从而可准确的测定出用于表征预浸料弯曲刚度的物理量。

另一个具体的方案为N₂＝0，N₁＝N。便于后续计算及预浸料试样的制备。

附图说明

图1为本发明实施例中安装有预浸料试样的芯轴剥离装置与夹头的立体示意图；

图2为本发明实施例中安装有预浸料试样的芯轴剥离装置与夹头的主视示意图；

图3为本发明实施例中芯轴剥离式测定预浸料粘性的方法的工作流程图；

图4为本发明实施例中预浸料试样的背面结构示意图；

图5为本发明实施例中预浸料试样的正面结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步的说明。

实施例

参见图1及图2，本发明芯轴剥离式测定预浸料粘性的系统包括万能试验机(图中只示出其夹头5)及搭载在该万能试验机上的芯轴剥离装置1。

芯轴剥离装置1包括底座10、牵拉机构、用于粘贴预浸料试样6的试样板2及剥离芯轴11。底座10为一U型槽结构，其槽壁在长度方向上的中部区域设有轴孔，剥离芯轴11通过转轴12与该轴孔的配合而可转动地安装在底座10上。在本实施例中，为了减小剥离芯轴11与预浸料试样6之间的摩擦力，在剥离芯轴11的表面喷涂一层特氟龙。

试样板2包括用于粘贴预浸料试样6的可拆板22及固定在导轨滑块机构3的滑块32上的托板21，可拆板22可拆卸地安装在托板21上；导轨滑块机构3中的两条相互平行的直线导轨31置于U型槽内，且其与试样板2的长度方向均沿U型槽的槽长方向布置；即，试样板2通过导轨滑块机构3可滑动地安装在底座10上。

牵拉机构包括牵引绳41、第一滑轮42及第二滑轮44；在U型槽结构一端的槽壁上设有用于安装转轴43的轴孔，及剥离芯轴11邻近转轴43的一侧设有用于安装转轴45的轴孔，第一滑轮42可转动地安装在转轴43上，第二滑轮44可转动地安装在转轴45上，即第一滑轮42位于直线导轨31的一端侧，而第二滑轮44位于剥离芯轴11邻近第一滑轮42的一侧。牵引绳41的一端与试样板2邻近第一滑轮42的一端固定连接，另一端依次跨绕在第一滑轮42及第二滑轮43上，并最终由夹头5夹持，即沿牵引绳41在剥离过程中的行进方向，第二滑轮44位于第一滑轮42的下游。

在使用过程中，将底座固定在万能实验机的支座上，并使直线导轨31沿水平方向布置，且将预浸料试样6的剥离端夹持在万能试验机的夹头5上；在剥离过程中，对于预浸料试样6，其已剥离的预浸料试样段603沿垂向布置，即与粘贴在试样板2上的预浸料试样段601相正交，而位于预浸料试样段603与预浸料试样段601之间的过渡区域602在剥离芯轴11的压力下紧贴试样板2，从而实现剥离角为90度。

沿牵引绳41在剥离过程中的行进方向，位于试样板2与第一滑轮42之间的牵引绳段411沿水平方向布置，位于第一滑轮42与第二滑轮44之间的牵引绳段412沿水平方向布置，而位于夹头5与其相邻的第二滑轮44间的牵引绳段413沿垂向布置，即牵引绳段413与预浸料试样段603相平行，从而在剥离过程中，牵引绳用于拉动试样板2滑动且其滑动速度等于预浸料试样6的剥离速度。

参见图3，使用上述测定系统对预浸料的粘性与弯曲刚度进行测定的方法包括备料步骤S1、粘贴步骤S2、初始化步骤S3、剥离步骤S4、预处理步骤S5及计算步骤S6。

备料步骤S1，将N条预浸料测试条并排布置，沿其长度方向在测试区域内选取第一测试区域与第二测试区域，在第一测试区域内保留N₁条预浸料的背衬膜，在第二测试区域内保留N₂条预浸料的背衬膜，获取预浸料试样，其中，N≥2、N₁≠N₂、0≤N₁≤N且0≤N₂≤N。

在本实施例中，制备预浸料试样6的过程为，如图4及图5所示，将4条碳纤维预浸料测试条61、62、63及64并排布置，该四条样条的长度均为2L+M，宽度均为B。

如图2、图4及图5示，测试条前端部404用于剥离过程中夹持在夹头5上，其长度为M，并将测试区域607划分成第一测试区域605与第二测试区域606，该两个测试区域的长度均为L，即为测试区域607长度的一半。

保留4条测试条在第一测试区域605内的背衬膜65、66、67及68，撕掉其他背衬膜，在本实施例中，保留下来的背衬膜65-68关于预浸料试样6的宽度方向上的对称线60对称布置，即N₂＝0，N₁＝4。

粘贴步骤S2，对预浸料试样6施加预定时长的预定压力，使其背面贴设在试样板2上。

将可拆板22从托板21上拆卸，并将预浸料试样6的背面对准可拆板22背对托板21的表面，对预浸料试样6施加压力，以使其粘贴至可拆板22上，而保留有背衬膜的部分与试样板2间没有粘贴力，因此在测试过程其剥离力不包含该部分粘性因素。

初始化步骤S3，在夹头5未夹持预浸料试样6的条件下，启动万能试验机拉动试样板2进行空跑实验，获取位移-力曲线S1。

剥离步骤S4，将预浸料试样6的夹持端夹在夹头5上，启动万能试验机将预浸料试样6从试样板2上剥离，获取位移-力曲线S2。

将粘贴有预浸料试样6的可拆板22安装至托板21上，并使用万能试验机的夹头5夹住预浸料试样6的端部604。

启动万能试验机，将预浸料试样6从试样板2上剥离下来，并记录剥离过程中的位移-力曲线S2。

预处理步骤S5，以位移为基准，将曲线S2与曲线S1相减，获取曲线S3，并从曲线S3中获取第一测试区域内的剥离力P₁与第二测试区域内的剥离力P₂。在该曲线S中选取第一测试区域401与第二测试区域402位移所对应部分曲线中的一稳定力点，即获取剥离力P₁与剥离力P₂。

计算步骤，依据公式计算表征预浸料粘性的物理量，及依据公式或计算表征预浸料弯曲刚度的物理量，B为预浸料测试条的宽度。

以物理量F₁、F₂分别表征预浸料的粘性与弯曲刚度；则对于剥离力P₁，有式1：NBF₂+(N-N₁)BF₁＝P₁；而对剥离力P₂，有式2：NBF₂+(N-N₂)BF₁＝P₂。

联合式1与式2，可得或

在本实施例中，由于N₂＝0，N₁＝4，可得或

以计算出的物理量F₁作为表征预浸料粘性，物理量F₂作为表征预浸料的弯曲刚度，与现有技术中的定性描述相比，其具有以下优点：

(1)本发明设计的基于测定预浸料粘性和刚度的芯轴剥离装置的测量方法，采用万能试验机测得对制备好的预浸料剥离过程中的力，可以直接量化的求得预浸料的刚度，在此基础上进行分析与计算，实现了对预浸料的刚度的表征和测定，弥补了目前对预浸料的刚度测定装置以及方法的缺失；且在此基础上进行分析与差值计算，间接实现了针对预浸料的粘性定量化的测定，方法简便易于实现，便于控制；

(2)本发明设计的基于测定预浸料粘性和刚度的心轴剥离装置的测量方法，其所需预浸料试样制备简单，易于实现，效率较高。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。