专利名称：碳纤维复合材料界面剪切力的纳米压入测试台及实验方法
技术领域：
本发明涉及一种测试台，特别是涉及碳纤维复合材料界面剪切力性能测试的纳米压入测试台。本发明还涉及利用上述的测试台进行纳米压入实验的方法。本发明属于实验装置及方法技术领域。
背景技术：
纳米压入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，此项技术测得的力学性能可真实地表征实际复合材料的力学行为。而界面是表征复合材料性能的决定因素。一个合理的界面可以使复合材料的力学性能得到改善。但是，对于界面力学性能的测试依然没有恰当的实验方法。尤其对于界面区域不明显的材料更增加了测试的难度。纤维压出实验是一种用于测定复合材料界面剪切力的技术。将真实的碳纤维复合材料沿与纤维轴向垂直的方向切割成片状，将截面研磨与抛光，选定合适形状的压头，在单根纤维的端面沿轴向施压，直至发生界面脱粘和纤维滑移现象。纳米压痕仪记录纤维压出过程中的载荷与位移关系，据此可计算出表征界面力学性能的各项参数。因此，在整个界面剪切力测试的过程中，纤维压出实验的测试台起到了关键性作用。在实现单根纤维压出实验的过程中，其影响的主要因素有(I)碳纤维薄片的固定。纤维压出实验的基本要求是整个碳纤维复合材料四周必须处于完全固定的状态，在逐步加载过程中整个复合材料薄板不能有任何的松动现象；(2)平整度的控制。平整度主要是指在压头垂直压入过程中，碳纤维薄片的表面始终能够保持水平的效果，使单根纤维能够发生脱粘的现象；(3)主台体圆孔大小的控制。主台体的圆孔大小主要是用来控制实验中有多少根纤维可以被推出。然而，圆孔设置过大会影响实验结果，因为碳纤维复合材料的薄片厚度仅有150 μ m，当圆孔很大，在加载的过程中，处于圆孔处的那部分复合材料则发生相应的弯曲现象，而施加载荷的目的是施加在单根纤维使其发生脱粘的现象，因而明显违背了实验的初衷。
发明内容
本发明是为了解决现有技术中的不足而完成的，本发明的目的是提供一种在实现复合材料中单根纤维原位推出的实验测试台，避免周围其它影响因素的影响，提高检测实验可信度，减小检测实验误差而且提高检测实验效率的碳纤维复合材料界面剪切力的纳米压入测试台。为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案一种碳纤维复合材料界面剪切力的纳米压入测试台，该测试台包括主台体和压板组件，主台体和压板法向固定构成法向加载装置，所述主台体中间有一个凸起部分，此凸起部分中心设置一个的圆孔；所述压板中间有一个凸起部分，此凸起部分中心设置一个的圆孔，此圆孔的直径大于主台体上圆孔的直径且为通孔；所述压板底部放置一层橡胶层垫片， 橡胶层垫片为中心开有圆孔的圆形，所述圆孔与压板上的圆孔对齐。主台体的周向有四个螺纹孔，压板的周向也有四个螺纹孔，主台体与压板通过穿过上述螺栓孔的四个螺钉构成法向加载固定装置。所述主台体中心设置的圆孔的直径为3mm ;所述主台体轴向的4个为对称的直径为3mm的螺纹孔；所述压板的厚度为500 μ m,所述压板中间圆孔的直径为12mm。所述主台体的凸起部分直径为18mm,凸起部分高出周围边界为5mm。所述位于所述主台体的中心部位的圆孔的深度为3mm。所述主台体上的4个螺纹孔的孔长为10mm。所述压板底部粘结一层橡胶层垫片的厚度为300μπι的，橡胶层垫片的内径尺寸为12mm,外径尺寸为16mm。所述的测试台进行纳米压入实验的方法，具体步骤如下a、将制作好碳纤维复合材料板的薄片对准主台体凸起部分，让薄片磨制成厚度为 150 μ m的部位对准中心圆孔的位置，保证在进行纳米压入实验时能压出单根纤维；b、将带着橡胶层垫片的压板放到主台体上，使其上的四个螺纹孔对准主台体周围边界相对应的螺纹孔；C、将两个螺钉同时放入到两个对称的螺纹孔中，选用旋转工具同时对两个螺钉进行装载，使薄片两端保持相同的受力，以免受力不均导致某一端的翘起，同时，用带木棒的棉球轻轻地按住碳纤维复合材料薄板的中间位置，对其的平整进行调节作用；d、按照步骤c中的步骤装载另外的两个螺钉；C、选用碳素笔在薄板中画一个与主台体上的圆孔大小相同的圆孔，便于薄板在进行纳米压痕实验时能够准确地定位。e、纳米压痕实验的设置如下实验中选用1000倍的物镜，在设置之前先进行压痕位置点的校核；实验选择载荷控制的方法控制。碳纤维复合材料板的薄片的厚度为150 μ m，直径为18mm ;且薄片表面的粗糙度控制在5-10 μ m的范围内，在显微镜下单根碳纤维垂直于水平面方向。本发明可以获得如下有益效果I、实现真实复合材料实现原位界面力学性能的测试，无需专门制作实验样品。2、实现在单根纤维压出的整个过程的监控，通过实验中的加卸载曲线的获得，可以分析得到纤维发生脱粘的过程。3、实现纤维复合材料薄片在压入时发生屈曲现象的控制。
图I是本发明测试碳纤维复合材料界面剪切力纳米压入测试台原理图。图2是本发明测试碳纤维复合材料界面剪切力纳米压入测试台中的主台体的主视图。图3是本发明测试碳纤维复合材料界面剪切力纳米压入测试台中的主台体的俯视图。图4是本发明测试碳纤维复合材料界面剪切力纳米压入测试台中的压板的主视图。图5是本发明测试碳纤维复合材料界面剪切力纳米压入测试台中的压板的俯视 图。图6是本发明测试碳纤维复合材料界面剪切力纳米压入测试台中的橡胶层垫片 的主视图。图7是本发明测试碳纤维复合材料界面剪切力纳米压入测试台中的橡胶层垫片 的俯视图。图8是实例实施中获得的加卸载曲线。图中I主台体中心圆孔，2凸形主台体，3螺纹孔，4压板中心圆孔，5压板，6橡胶层垫片。
具体实施例方式下面结合附图I至图8对本发明的碳纤维复合材料界面剪切力的纳米压入测试台 及利用该测试台进行纳米压入实验的方法作进一步详细说明。本发明的碳纤维复合材料界面剪切力的纳米压入测试台是根据图I单根纤维压 出原理图而设计，该测试台主要由图2与图3主台体、图4与图5压板和图6与图7橡胶层 垫片三部分组成。图2与图3主台体和图4与图5压板通过四个螺钉及螺纹孔3连接形成 法向加载固定装置，而压板5下端面粘结一层橡胶层6是保证复合材料薄片试样能有效的 固定。将制作好的厚度为150 μ m的碳纤维复合材料板的薄片对准主台体凸形部分2，尽量 让薄片磨制良好的部位对准中心圆孔I的位置，保证在进行纳米压入实验时能更好的压出 单根纤维；然后，将带着橡胶层垫片6的压板5轻轻地放到2主台体上，使其上的四个螺纹 孔3对准主台体周围边界处相对应的螺纹孔3 ;然后，拿着两个螺钉同时放入到两个对称的 螺纹孔3中，选用旋转工具同时对两个螺钉进行装载，使薄片两端保持相同的受力，以免受 力不均导致某一端的翘起，同时,用带木棒的棉球轻轻地按住碳纤维复合材料薄板的中心 位置，对其的平整进行一定的调节；接着，按照相同的步骤安装其它的两个螺钉；最后，选 用碳素笔在薄板中画一个与主台体圆孔的相对应大小的圆，使其在进行纳米压入实验时能 够准确地定位。本发明解决了碳纤维复合材料界面剪切力难以测试的问题，保证了复合材料薄片 中单根纤维在压出时的固定和实现问题，有效地避免了实验中由薄片滑移和压入过程中薄 片屈曲的影响。复合材料选用直径为7 μ m 碳纤维按照 90\0\90\0\90\0\45\-45\0\90\0\90\0\90 \的方向铺设，环氧树脂在180°C高温和O. 6MPa压力的固化制度下固化后形成的复合材料， 碳纤维的体积含量为60%。试样制备的方法如下首先将整块碳纤维增强复合材料切割为长、宽、高分别为 20mm*18mm*IOmm的试样；然后把此试样粘于铝柱体上进行精磨、抛光,使其厚度由IOmm变 为150μπι，且薄片的表面平整度和粗糙度控制在5μπι范围内；最后把薄片剪切为直径为 18mm的圆形。将制作好的厚度为150 μ m的薄片对准主台体凸起部分2,尽量让薄片磨制良 好的部位对准中心圆孔I的位置；然后，将带着橡胶层垫片6的压板5轻轻地放到2主台体 上，使其上的四个螺纹孔3对准主台体周围边界处相对应的螺纹孔3 ;然后，拿着两个螺钉同时放入到两个对称的螺纹孔3中，选用旋转工具同时对两个螺钉进行装载，使薄片两端保持相同的受力，同时，用带木棒的棉球轻轻地按住薄板的中心位置，对平整度进行调节； 接着，按照相同的步骤安装另外的两个螺钉；最后，选用碳素笔在薄板中画一个与主台体圆孔的相对应大小的圆，使其在进行纳米压入实验时能够准确地定位，设置实验，进行实验。实验选用的是曲率半径为5μπι的球形压头，选用此类型的压头的目的是压头尽量少地压入到碳纤维中的情况下，实现压头推出单根纤维。在压出纤维的过程中，实验选用静态最大压入位移控制的方法，最大压入深度设置为3 μ m，分别设置三根纤维的推出实验， 实验得到了如下的实验结果。由图8明显的可以看出，在压入深度为2 μ m时，三根碳纤维均发生脱粘现象，此时对应的载荷为85 90mN。
权利要求
1.一种碳纤维复合材料界面剪切力的纳米压入测试台，该测试台包括台体和压板组件，其特征在于主台体和压板法向固定构成法向加载装置，所述主台体中间有一个凸起部分，此凸起部分中心设置一个的圆孔；所述压板中间有一个凸起部分，此凸起部分中心设置一个的圆孔，此圆孔的直径大于主台体上圆孔的直径且为通孔；所述压板底部放置一层橡胶层垫片，橡胶层垫片为中心开有圆孔的圆形，所述圆孔与压板上的圆孔对齐。
2.根据权利要求I所述的一种碳纤维复合材料界面剪切力的纳米压入测试台，其特征在于主台体的周向有四个螺纹孔，压板的周向也有四个螺纹孔，主台体与压板通过穿过上述螺栓孔的四个螺钉构成法向加载固定装置。
3.根据权利要求I所述的一种碳纤维复合材料界面剪切力的纳米压入测试台，其特征在于所述主台体中心设置的圆孔的直径为3mm;所述主台体轴向的4个为对称的直径为 3mm的螺纹孔；所述压板的厚度为500 μ m,所述压板中间圆孔的直径为12_。
4.根据权利要求I所述的一种碳纤维复合材料界面剪切力的纳米压入测试台，其特征在于所述主台体的凸起部分直径为18mm,凸起部分高出周围边界为5mm。
5.根据权利要求I所述的一种碳纤维复合材料界面剪切力的纳米压入测试台，其特征在于所述位于所述主台体的中心部位的圆孔的深度为3_。
6.根据权利要求I所述的一种碳纤维复合材料界面剪切力的纳米压入测试台，其特征在于所述主台体上的4个螺纹孔的孔长为10mm。
7.根据权利要求I所述的一种碳纤维复合材料界面剪切力的纳米压入测试台，其特征在于所述压板底部粘结一层橡胶层垫片的厚度为300μπι的，橡胶层垫片的内径尺寸为 12mm,外径尺寸为16mm。
8.利用权利要求I至权利要求7任一权利要求所述的测试台进行纳米压入实验的方法，其特征在于具体步骤如下a、将制作好碳纤维复合材料板的薄片对准主台体凸起部分，让薄片磨制成厚度为 150 μ m的部位对准中心圆孔的位置，保证在进行纳米压入实验时能压出单根纤维；b、将带着橡胶层垫片的压板放到主台体上，使其上的四个螺纹孔对准主台体周围边界相对应的螺纹孔；C、将两个螺钉同时放入到两个对称的螺纹孔中，选用旋转工具同时对两个螺钉进行装载，使薄片两端保持相同的受力，以免受力不均导致某一端的翘起，同时，用带木棒的棉球轻轻地按住碳纤维复合材料薄板的中间位置，对其的平整进行调节作用；d、按照步骤c中的步骤装载另外的两个螺钉；C、选用碳素笔在薄板中画一个与主台体上的圆孔大小相同的圆孔，便于薄板在进行纳米压痕实验时能够准确地定位。e、纳米压痕实验的设置如下实验中选用1000倍的物镜，在设置之前先进行压痕位置点的�：耍皇笛檠≡裨睾煽刂频姆椒ǹ刂啤�
9.根据权利要求8所述的进行纳米压入实验的方法，其特征在于碳纤维复合材料板的薄片的厚度为150 μ m，直径为18mm;且薄片表面的粗糙度控制在 5-10 μ m的范围内，在显微镜下单根碳纤维垂直于水平面方向。
全文摘要
碳纤维复合材料界面剪切力的纳米压入测试台及实验方法，属于实验装置及方法技术领域，包括台体和压板组件，主台体和压板法向固定构成法向加载装置，主台体中间有一个凸起部分，此凸起部分中心设置一个的圆孔；压板中间有一个凸起部分，此凸起部分中心设置一个的圆孔，此圆孔的直径大于主台体上圆孔的直径且为通孔；压板底部放置一层橡胶层垫片，橡胶层垫片为中心开有圆孔的圆形，圆孔与压板上的圆孔对齐。本装置及方法实现真实复合材料实现原位界面力学性能的测试，无需专门制作实验样品；实现在单根纤维压出的整个过程的监控，通过实验中的加卸载曲线的获得，可以分析得到纤维发生脱粘的过程；实现纤维复合材料薄片在压入时发生屈曲现象的控制。
文档编号G01N3/08GK102607947SQ201210048139
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月27日 优先权日2012年2月27日
发明者刘志远, 时光辉, 李熙, 杨庆生, 高雪玉 申请人:北京工业大学
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