碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)測試裝置及其測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)測試裝置及其測試方法；該測試裝置主體采用熱機械分析儀(TMA)，在熱機械分析儀的基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計，配置一套濕度精度控制的濕度控制器(包括水蒸汽爐以及濕度傳感器，濕度控制范圍5％-100％)，在一定的濕度范圍內(nèi)，利用熱機械分析儀的位移傳感器與力學傳感器進行濕變形測試，利用該設(shè)備測試濕變形具有測試速度快、測試范圍寬、分辨率高等特點，可滿足多種復合材料濕變形的測試。
【專利說明】碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)測試裝置及其測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)測試裝置及其測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學及遙感衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制方式，圖像掃描為多通道二維掃描成像，掃描精度及成像質(zhì)量要求很高，具有以下特點:
[0003]①多種有效載荷，且有效載荷的體積大、重量重，有效載荷安裝要求復雜，對星體的尺寸變形控制提出了很高的要求；
[0004]②有效載荷的安裝精度和成像精度要求高，如XX-4衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定的姿態(tài)控制方式，衛(wèi)星對有效載荷的成像精度和圖像分辨率提出了更高的要求，其對有效載荷支撐結(jié)構(gòu)的精度要求為沿光軸方向800_長度的變形量小于0.01mm(分解至吸濕變形)；
[0005]③衛(wèi)星運行軌道高，空間溫度環(huán)境相當復雜。從地面到空間環(huán)境的變化(吸濕)引起衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的變形將直接影響到衛(wèi)星有效載荷的安裝精度和成像精度，進而影響到衛(wèi)星有效載荷的成像質(zhì)量。
[0006]現(xiàn)國內(nèi)航天復合材料制造裝配的一般環(huán)境條件要求為:溫度20?25°C，濕度(75%，而在南方地區(qū)，雨季的濕度常在85%以上，甚至90%，如此大的濕度變化范圍，衛(wèi)星復合材料構(gòu)件在地面貯存，包括成型、裝配、試驗過程中，由于復合材料樹脂基體的高分子結(jié)構(gòu)以及復合材料內(nèi)部孔隙、氣泡的存在導致復合材料會吸收水分膨脹，引起復合材料構(gòu)件的尺寸和力學性能變化。
[0007]根據(jù)美國G0ES8-12衛(wèi)星的經(jīng)驗，為了保證圖像質(zhì)量，需要對衛(wèi)星有效載荷和有關(guān)結(jié)構(gòu)平臺進行特殊的設(shè)計和結(jié)構(gòu)變形控制。所以，必須對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的變形(熱變形及濕變形)進行研究，摸清衛(wèi)星結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律，進行“微變形”結(jié)構(gòu)的設(shè)計，目前，熱變形的測試技術(shù)已成熟，濕變形通過以常溫高濕條件下試樣的尺寸變化來評價濕度對復合材料尺寸穩(wěn)定性的影響，具體試樣尺寸根據(jù)測試儀器要求確定，對于濕變形即濕膨脹系數(shù)的測試，國內(nèi)外還未有成熟且統(tǒng)一的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中濕變形測試存在的技術(shù)問題，提供一種碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)測試裝置及其測試方法。該方法具體為將碳纖維復合材料試片置于濕的氣氛下，測試一定濕度變化范圍內(nèi)試樣的變化率。本發(fā)明的裝置在現(xiàn)有的熱機械分析儀測試設(shè)備(TMA)基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計，配置一套濕度精度控制的濕度控制器(濕度控制范圍5%?100% )，在一定的濕度范圍內(nèi)，利用熱機械分析儀的位移傳感器與力學傳感器進行濕變形測試；利用本發(fā)明的方法測試濕變形具有測試速度快、測試范圍寬、分辨率高等特點，可滿足多種復合材料濕變形的測試。
[0009]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0010]第一方面，本發(fā)明涉及一種碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)測試裝置，所述裝置包括熱機械分析儀，以及與所述熱機械分析儀分別相連的水蒸汽爐以及濕度傳感器；所述熱機械儀主要包括位移傳感器、力學傳感器、質(zhì)量流量計和恒溫水浴。水蒸汽爐與濕度傳感器與熱機械儀集成后組成濕膨脹系數(shù)測試裝置，主要為熱機械儀測試過程中提供精確的濕度氣氛。該濕膨脹系數(shù)測試裝置主要用于測試試樣靜態(tài)下的熱膨脹。
[0011]優(yōu)選地，所述水蒸汽爐為耐馳公司生產(chǎn)的專用濕度氣氛提供設(shè)備。
[0012]優(yōu)選地，所述濕度傳感器的濕度控制范圍為5%?100%。
[0013]優(yōu)選地，所述濕度傳感器為耐馳公司水蒸汽爐專用控制設(shè)備。
[0014]第二方面，本發(fā)明還涉及一種利用上述的裝置測試碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)的方法，包括如下步驟:
[0015]A、將碳纖維復合材料試樣置于所述熱機械分析儀的測試室內(nèi)，固定；采用所述位移傳感器將試樣長度調(diào)零，通過所述力學傳感器測得試樣初始質(zhì)量Wtl ；
[0016]B、通過所述水蒸汽爐調(diào)節(jié)所述測試室內(nèi)溫度至設(shè)定溫度，通過所述濕度傳感器調(diào)節(jié)濕度至設(shè)定濕度，保持預設(shè)時間；
[0017]C、通過所述位移傳感器測得試樣長度，通過所述力學傳感器測得試樣質(zhì)量變化AW；
[0018]D、通過下式即得所述試樣的濕膨脹系數(shù)β:
[0019]β = ε / Δ M
[0020]AM=(AW/WQ)X100，其中，ε為應變。該應變數(shù)據(jù)由濕膨脹測試設(shè)備獲得。
[0021]優(yōu)選地，步驟A中，所述試樣的規(guī)格為:3mmX 3mmX 30mm,其中30mm方向為纖維0° 或 90°。SP: 3mm X 3mm X 30mm (O ° )或 3mm X 3mm X 30mm (90° )。
[0022]優(yōu)選地，步驟A中，所述試樣是利用熱機械分析儀的推桿進行固定的。
[0023]優(yōu)選地，步驟B中，所述設(shè)定溫度為室溫?250°C。
[0024]優(yōu)選地，步驟B中，所述設(shè)定濕度為5 %?90 %。
[0025]優(yōu)選地，步驟B中，所述測試室內(nèi)真空度調(diào)整為10_2Pa。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果為:本發(fā)明在現(xiàn)有的熱機械分析儀測試設(shè)備(TMA)基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計，配置一套濕度精度控制的濕度控制器(濕度控制范圍5%?100% )，在一定的濕度范圍內(nèi)，利用熱機械分析儀的位移傳感器與力學傳感器進行濕變形測試；利用本發(fā)明的方法測試濕變形具有測試速度快、測試范圍寬、分辨率高等特點，可滿足多種復合材料濕變形的測試。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明專利的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0028]圖1為本發(fā)明濕膨脹測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]其中，I為力學傳感器，2為樣品，3為測試爐，4為位移傳感器。
[0030]圖2為本發(fā)明濕膨脹測試方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0032]實施例1
[0033]本實施例涉及一種碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)測試裝置，如圖1所示，由基本單元(高解析度位移傳感器4與力傳感器I)、水蒸汽爐、濕度控制器、恒溫水浴、質(zhì)量流量計等組成，其中熱機械分析儀(TMA)為成熟設(shè)備(德國耐馳)，基本單元由位移傳感器4、力傳感器1、測試室(包括測試爐3)、推桿等組成，TMA設(shè)備具有測量樣品小、測試范圍寬、變形分辨率高等特點，完全滿足碳纖維復合材料的變形測試要求，本實施例通過在TMA設(shè)備的測試室里集成一個水蒸汽爐并配備高精度的濕度傳感器，提供測試樣品2過程中的濕度氣氛。
[0034]本實施例還涉及一種利用上述的裝置測試碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)的方法，包括如下步驟:
[0035]A、試樣準備
[0036]碳纖維復合材料試樣采用模壓工藝制作，鋪層采用【0】12(即:單向鋪層，鋪層層數(shù)12層)，固化后將樣品按如下要求加工:
[0037]3mmX3mmX30mm(O。)6 塊；
[0038]3mmX3mmX30mm(90。)6 塊；
[0039]B、將試樣清理干凈后，放入測試室內(nèi)利用推桿固定，將產(chǎn)品長度調(diào)零，測得試樣初始質(zhì)量Wtl ；
[0040]C、設(shè)置設(shè)備溫度為25°C，濕度為30%，穩(wěn)定30min，記錄試樣長度，保持測試室溫度25°C，調(diào)節(jié)濕度至96%、65%，分別保持72h、144h后記錄試樣長度，具體測試及計算按照圖2所示的流程進行；
[0041]D、濕膨脹系數(shù)β按下式計算:
[0042]β = ε / Δ M
[0043]ΔΜ=( Δ ff/ff0) X 100%
[0044]式中ε為應變，Λ W為材料質(zhì)量變化，W°為材料初始質(zhì)量，Λ M為吸濕率變化量。
[0045]其具體的技術(shù)指標為:
[0046]試樣最大長度:30mm ；
[0047]測量范圍:±2500μ m,分辨率 0.125nm ；
[0048]爐溫:室溫~250° C ；
[0049]相對濕度控制:5~90% ;
[0050]真空度:l(T2Pa。
[0051]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)測試裝置，其特征在于，所述裝置包括熱機械分析儀，以及與所述熱機械分析儀分別相連的水蒸汽爐以及濕度傳感器；所述熱機械儀包括位移傳感器、力學傳感器、質(zhì)量流量計和恒溫水浴。
2.如權(quán)利要求1所述的碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)測試裝置，其特征在于，所述水蒸汽爐為耐馳公司生產(chǎn)的專用濕度氣氛提供設(shè)備。
3.如權(quán)利要求1所述的碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)測試裝置，其特征在于，所述濕度傳感器的濕度控制范圍為5%~100%。
4.如權(quán)利要求1所述的碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)測試裝置，其特征在于，所述濕度傳感器為耐馳公司水蒸汽爐專用控制設(shè)備。
5.一種利用如權(quán)利要求1所述的裝置測試碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)的方法，其特征在于，包括如下步驟: A、將碳纖維復合材料試樣置于所述熱機械分析儀的測試室內(nèi)，固定；采用所述位移傳感器將試樣長度調(diào)零，通過所述力學傳感器測得試樣初始質(zhì)量Wtl ； B、通過所述水蒸汽爐調(diào)節(jié)所述測試室內(nèi)溫度至設(shè)定溫度，通過所述濕度傳感器調(diào)節(jié)濕度至設(shè)定濕度，保持預設(shè)時間； C、通過所述位移傳感器測得試樣長度，通過所述力學傳感器測得試樣質(zhì)量變化ΛW ； D、通過下式即得所述試樣的濕膨脹系數(shù)β:
β = ε / Δ M 厶]?=(厶胃/\)\100%，其中，ε為應變。
6.如權(quán)利要求5所述的測試碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)的方法，其特征在于，步驟A中，所述試樣的規(guī)格為:3mmX3mmX30mm,其中30mm方向為纖維0°或90°。
7.如權(quán)利要求5所述的測試碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)的方法，其特征在于，步驟A中，所述試樣是利用熱機械分析儀的推桿進行固定的。
8.如權(quán)利要求5所述的測試碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)的方法，其特征在于，步驟B中，所述設(shè)定溫度為室溫~250°C。
9.如權(quán)利要求5所述的測試碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)的方法，其特征在于，步驟B中，所述設(shè)定濕度為5 %~90 %。
10.如權(quán)利要求5所述的測試碳纖維復合材料濕膨脹系數(shù)的方法，其特征在于，步驟B中，所述測試室內(nèi)真空度調(diào)整為10_2Pa。
【文檔編號】G01N5/02GK103674757SQ201310594296
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】郝旭峰, 諸靜, 王竹, 居建國 申請人:上海復合材料科技有限公司