[发明专利]一种测试纤维材料弹性模量与强度的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于材料性能测试领域，具体涉及到一种测试纤维材料弹性模量和强度的方法及装置。

背景技术

纤维或者细丝的弹性模量和强度是其基本的力学性能，在航天航空、电子信息、生物医用材料等领域实际应用中需要考虑其弹性模量和强度问题以达到结构设计的目的。

弹性模量是反映材料抵抗外界作用力而引起变形的能力，是材料的基本力学性能之一。对于常规固体材料，目前常用的测量方法有应力应变法、弯曲法、声共振法和超声波法等。应力-应变法通常需要在纤维上安装应变片，然后对纤维施加一定的载荷，通过获得的应力-应变曲线计算出材料的弹性模量。弯曲法是通过测量试样在一定载荷作用下的弯曲挠度和纤维尺寸计算材料的弹性模量。声共振法都是利用声波在材料中传播的阻尼特性而计算得到弹性模量。超声波法可由纤维密度，超声波在纤维中的传播速度及纤维泊松比计算出弹性模量。

强度是材料在断裂失效过程中的最大应力，在断裂力学中具有举足轻重的作用，对于常规材料，测量其强度的方法有拉伸法、三点和四点弯曲法。拉伸法是以一定的载荷速率对纤维施加拉伸载荷之至纤维断裂，根据断裂时的临界载荷和纤维截面积等计算出材料的拉伸强度。弯曲法利用特定的三点弯曲和四点弯曲夹具对纤维施加一个弯曲载荷直至纤维断裂，根据断裂时的临界载荷和纤维及夹具的尺寸计算出材料的弯曲强度。

虽然测试常规固体材料的弹性模量和强度有很多种方法，但是对于纤维或细丝的弹性模量和强度的测试几乎是空白，至今也没有任何国家标准或行业标准可依。由于金属细丝或者纤维非常细小，且承受的载荷较小，且易变形，动态法测试所产生的激励仪器没有反应，造成测试困难，常规的万能试验机载荷分辨率达不到，伸长量也难以测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试几个微米到几十个微米的纤维或者细丝弹性模量和强度的方法及装置。

本发明提供的测试纤维材料弹性模量和强度的装置，包括加载控制系统、支撑架、夹具、电子天平、显微镜控制系统及纤维固定系统等部分，所述加载控制系统装于支撑架上部且具有一可上下位移的压头，所述电子天平置于支撑架的下部，所述夹具置于电子天平上，所述纤维固定系统固定一伸直的待测纤维并安装于夹具中，且加载控制系统的压头向下位移中正对滑块上端弧形顶部，使得待测纤维伸长，所述显微镜控制系统中的显微镜镜筒正对该待测纤维。其中：

所述夹具包括一底座和可在该底座中上下滑动的一滑块，加载控制系统的压头正对该滑块上端；所述底座上端固定安装有两个上直角梯形板，两个上直角梯形板之间形成一上卡槽；所述滑块下端固定安装有两个下直角梯形板，两个下直角梯形板之间形成一下卡槽；所述纤维固定系统设两与卡槽形状匹配的卡块，待测纤维固定在两卡块中间，两卡块分别安装在夹具的上卡槽和下卡槽中。

所述底座内表面贴覆有参考坐标网格，滑块上开设一个矩形观测孔，待测纤维上下贴上纤维标记条且使其位于该观测孔的矩形区域中，所述显微镜镜筒正对该区域。

所述底座上端和滑块下端分别固定安装两个直角梯形板，使其中间形成三角形卡槽；对应的纤维固定系统的卡块也为三角形。

所述加载控制系统还包括电脑、导线、加载控制箱，其中电脑用于控制加载控制箱的加卸载及相应的载荷速率，电脑与加载控制箱之间用导线连接，导线用于将电脑的指令传送给加载控制箱，以控制加载控制箱下面的平底压头上下位移而用于给位于该压头下方的夹具施加一定载荷。

所述支撑架包括底托、固定在底托上的两根支柱、和固定连接在支柱之间的悬梁；所述电子天平水平放置在底托上，所述加载控制箱固定安装在悬梁上。

所述显微镜控制系统包括可调显微镜镜筒、显微镜主机和信号线，可调显微镜镜筒与显微镜主机之间由光学信号线连接，可调显微镜镜筒用于观测纤维施加一定载荷前后的位移变化，光学信号线将光学数据传输到显微镜主机上，显微镜主机实现图像的显示及测量。

本发明提供的测试纤维材料弹性模量和强度的方法，利用之前所述装置，用所述加载控制系统施加压缩载荷，用所述夹具变压缩载荷为纤维的拉伸载荷，用所述电子天平测量滑块的质量及不同载荷下夹具的质量，用显微镜控制系统测量施加载荷前后纤维伸长量，并按下式计算纤维材料弹性模量和强度：

弹性模量E的计算：