专利名称：一种测试纤维材料弹性模量与强度的方法和装置的制作方法
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CN 102539233 A
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
F/E = ^fi-⑴
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/L其中，F为压缩载荷即纤维的拉力增量，S为纤维的截面积，L为纤维标记的初始长度，dL为纤维的伸长量；拉伸强度ο的计算其中，F。为纤维断裂时的临界载荷。具体的，当滑块未固定在压头上时，操作步骤包括(1)用高倍显微镜测量纤维的横截面尺寸，计算纤维横截面面积S ；(2)称量夹具中固定安装有下直角梯形板和开设有观测孔的滑块的质量Hitl ；(3)夹具的底座内壁面上粘上一网格作为参考坐标；(4)在纤维上粘上两标记条，然后将纤维两端用502胶粘在两卡块上；(5)将两端粘结好的纤维放在夹具的竖直方向的上下两个卡槽中，并将滑块放在夹具的底座内，滑块的自重使得纤维在竖直方向受到初始载荷而绷直；(6)将电子天平放在支撑架内底部，支撑架上端安装上可调速率的加载控制箱；(7)将固定好纤维的夹具放在电子天平上，将电子天平的读数归零；
(8)在夹具观测孔前端，将显微镜镜筒安装一个上下左右前后六个方向可调的支架上，利用显微镜主机测量纤维上两标记条分别与最近网格坐标之间的距离Cl1和d2，根据每个网格之间的距离和Cl1和d2的距离计算出两标记条之间的距离L ；(9)在纤维线弹性范围内，利用加载控制箱以一定载荷速率加载到一定载荷F，待电子天平的读数稳定了，再利用显微镜主机测量纤维上两标记条分别与步骤(8)中网格坐标之间的距离(13和d4，计算出纤维在该载荷下的绝对伸长量dL;根据算式(1)计算纤维材料的弹性模量E ；(10)载荷卸载后，改变施加载荷F，再次测量绝对伸长量dL并根据算式⑴计算纤维材料的弹性模量E ；至少做5组数据取平均值作为弹性模量E的测试数据；(11)用加载控制箱向下进一步施加载荷直至纤维断裂，记录断裂时的电子天平的读数m，计算临界载荷F。= (m+m0) g ；(12)根据算式(2)计算纤维的拉伸强度ο。当滑块固定在压头上时，操作步骤包括(1)用高倍显微镜测量纤维的横截面尺寸，计算纤维横截面面积S ；(2)夹具的底座内壁面上粘上一网格作为参考坐标；(3)在纤维上粘上两标记条，然后将纤维两端用502胶粘在两卡块上；(4)将电子天平放在支撑架内底部，支撑架上端安装上可调速率的加载控制箱；(5)将滑块用一个螺栓将其固定在加载控制箱下的压头上；(6)将底座放在电子天平上，调整底座的位置使上下卡槽在竖直方向对齐，随后将电子天平的读数归零；(7)控制加载控制箱以微小的加载速率使滑块缓慢移动至两卡块竖直放置在上下两个卡槽之间，然后再以微小的加载速率让滑块缓慢向下运动使得纤维绷直，记录此时电子天平的读数为Hl1,随即再将电子天平的读数归零；(8)在夹具观测孔前端，将显微镜镜筒安装一个上下左右前后六个方向可调的支架上，利用显微镜主机测量纤维上两标记条分别与最近网格坐标之间的距离Cl1和d2，根据每个网格之间的距离和Cl1和d2的距离计算出两标记条之间的距离L ；(9)在纤维线弹性范围内，利用加载控制箱以一定载荷速率加载到一定载荷F，待电子天平的读数稳定了，再利用显微镜主机测量纤维上两标记条分别与步骤(8)中网格坐标之间的距离(13和d4，计算出纤维在该载荷下的绝对伸长量dL;根据算式(1)计算纤维材料的弹性模量E ；(10)载荷卸载后，改变施加载荷F，再次测量绝对伸长量dL并根据算式(1)计算纤维材料的弹性模量E ；至少做5组数据取平均值作为弹性模量E的测试数据；(11)用加载控制箱向下进一步施加载荷直至纤维断裂，记录断裂时的电子天平的读数m，计算临界载荷Fc = (m+mi) g ；(12)根据算式(2)计算纤维的拉伸强度ο。在本发明中，提出将压缩载荷转化为纤维拉伸载荷的方法来测试几个微米到几十个微米纤维的弹性模量及强度，利用应力增量应变增量关系来计算纤维的弹性模量，根据纤维断裂时的临界载荷来计算纤维的拉伸强度。本发明的夹具设计特殊，可实现将压缩载荷转化为纤维的拉伸载荷，配备数据采集及处理系统后，可实现自动计算纤维的弹性模量和强度，使得测试过程简单化，智能化。本发明的优点有1.解决纤维弹性模量难测试问题。小尺寸的纤维或者细丝的弹性模量因为力和变形都较小，一般的设备没法满足实验精度的要求。本发明设计一种特殊的夹具，通过应力增量-应变增量关系来求得纤维的弹性模量。2.设计了一种特殊的夹具。通过利用精密加载装置施加压缩载荷来转化为纤维的拉伸载荷的一种夹具。3.伸长量的精密测量方法。利用精密显微镜，通过测量施加一定载荷前后纤维标记条与参考坐标之间的相对位移的变化来确定伸长量。4.载荷精密测量方法。利用精密电子天平测量重量的方法来转化为纤维所承受的载荷。5.加入数据采集及处理系统，可实现智能化。如果将精密显微镜的测量数据和电子天平的载荷数据传输到的计算机系统，以及加入编好的软件系统可以实现自动计算出纤维的弹性模量和强度。


图1本发明纤维弹性模量及强度测量装置示意图。图2本发明中利用夹具将压缩载荷转化为纤维的拉伸载荷的原理图(侧视图)。图3本发明中夹具斜视图。图4本发明中夹具的三视图。图5本发明中固定安装有直角梯形板和贴有参考坐标的底座结构的三视图。图6本发明中固定安装有直角梯形板和开设有观测孔的滑块结构的三视图。图7在本发明纤维弹性模量及强度测量中纤维固定示意图。图8本发明中纤维在施加一定载荷后纤维伸长量测量示意图。图9利用本发明对钼银丝测量的应力增量-应变增量数据拟合图。
具体实施例方式本发明提供了一种将压缩载荷转化为纤维拉伸载荷来测试几个微米到几十个微米纤维的弹性模量及强度的方法及装置。本发明中，由改造的精密电子天平测量载荷大小，设计一种将压缩载荷转化为纤维拉伸载荷的夹具，利用加载控制箱以一定载荷速率施加压力使纤维在线弹性范围内发生拉伸变形，利用精密显微镜观测纤维的两点之间的变形量，根据应力增量应变增量关系计算出纤维的弹性模量，当施加载荷进一步增加，直至纤维断裂，根据断裂时的临界载荷和纤维尺寸可计算出纤维的拉伸强度。弹性模量由应力增量-应变增量关系测试，为了解决载荷精密测量的问题，设计一种变压缩载荷为纤维受拉伸载荷的夹具，用精密电子天平测量载荷，同时纤维上面还承受单向拉伸应力，纤维取中间一段长度为L，在该段长度的两端粘上一小截细丝作为标记， 用高精度三维显微镜测量施加一定载荷下L的伸长量(测量施加一定载荷前后纤维标记条与参考坐标之间的相对位移的变化)，然后按照弹性模量的定义来测试其弹性模量。当拉伸
8载荷进一步增加，直到纤维或细丝断裂，根据断裂的临界载荷和截面积可以计算出其拉伸强度。弹性模量由其定义求得。即纤维在其线弹性范围内，应力的增量除以相应应变的
增量，例如先给一个初始载荷使得纤维绷直，对这纤维施加一个拉力增量F，这个拉力增
量除以纤维的截面积S，为应力增量，纤维在力F下的长度由L增加到了 L+dL，dL除以L为
相应的应变增量。则弹性模量可表示为
权利要求
1.一种测试纤维材料弹性模量和强度的装置，其特征在于包括加载控制系统、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。
2.根据权利要求1所述测试纤维材料弹性模量和强度的装置，其特征在于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。
3.根据权利要求2所述测试纤维材料弹性模量和强度的装置，其特征在于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。
4.根据权利要求2所述测试纤维材料弹性模量和强度的装置，其特征在于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。
5.根据权利要求1至4任一所述测试纤维材料弹性模量和强度的装置，其特征在于 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。
6.根据权利要求5所述测试纤维材料弹性模量和强度的装置，其特征在于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。
7.根据权利要求1至4任一所述测试纤维材料弹性模量和强度的装置，其特征在于 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。
8.—种测试纤维材料弹性模量和强度的方法，其特征在于利用权利要求1至7任一所述装置，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的计算其中，F为压缩载荷即纤维的拉力增量，S为纤维的截面积，L为纤维标记的初始长度，CN 102539233 AdL为纤维的伸长量； 拉伸强度ο的计算其中，F。为纤维断裂时的临界载荷。
9.根据权利要求8所述测试纤维材料弹性模量和强度的方法，其特征在于当滑块未固定在压头上时，具体步骤包括(1)用高倍显微镜测量纤维的横截面尺寸，计算纤维横截面面积S；(2)称量夹具中固定安装有下直角梯形板和开设有观测孔的滑块的质量Hltl；(3)夹具的底座内壁面上粘上一网格作为参考坐标；(4)在纤维上粘上两标记条，然后将纤维两端用502胶粘在两卡块上；(5)将两端粘结好的纤维放在夹具的竖直方向的上下两个卡槽中，并将滑块放在夹具的底座内，滑块的自重使得纤维在竖直方向受到初始载荷而绷直；(6)将电子天平放在支撑架内底部，支撑架上端安装上可调速率的加载控制箱；(7)将固定好纤维的夹具放在电子天平上，将电子天平的读数归零；(8)在夹具观测孔前端，将显微镜镜筒安装一个上下左右前后六个方向可调的支架上， 利用显微镜主机测量纤维上两标记条分别与最近网格坐标之间的距离Cl1和d2，根据每个网格之间的距离和Cl1和d2的距离计算出两标记条之间的距离L ；(9)在纤维线弹性范围内，利用加载控制箱以一定载荷速率加载到一定载荷F，待电子天平的读数稳定了，再利用显微镜主机测量纤维上两标记条分别与步骤(8)中网格坐标之间的距离d3和d4，计算出纤维在该载荷下的绝对伸长量dL ；根据算式(1)计算纤维材料的弹性模量E ；(10)载荷卸载后，改变施加载荷F，再次测量绝对伸长量dL并根据算式(1)计算纤维材料的弹性模量E ；至少做5组数据取平均值作为弹性模量E的测试数据；(11)用加载控制箱向下进一步施加载荷直至纤维断裂，记录断裂时的电子天平的读数 m，计算临界载荷F。= (m+m0)g；(12)根据算式( 计算纤维的拉伸强度σ。
10.根据权利要求8所述测试纤维材料弹性模量和强度的方法，其特征在于当滑块固定在压头上时，具体步骤包括(1)用高倍显微镜测量纤维的横截面尺寸，计算纤维横截面面积S；(2)夹具的底座内壁面上粘上一网格作为参考坐标；(3)在纤维上粘上两标记条，然后将纤维两端用502胶粘在两卡块上；(4)将电子天平放在支撑架内底部，支撑架上端安装上可调速率的加载控制箱；(5)将滑块用一个螺栓将其固定在加载控制箱下的压头上；(6)将底座放在电子天平上，调整底座的位置使上下卡槽在竖直方向对齐，随后将电子天平的读数归零；(7)控制加载控制箱以微小的加载速率使滑块缓慢移动至两卡块竖直放置在上下两个卡槽之间，然后再以微小的加载速率让滑块缓慢向下运动使得纤维绷直，记录此时电子天平的读数为Hl1，随即再将电子天平的读数归零；(8)在夹具观测孔前端，将显微镜镜筒安装一个上下左右前后六个方向可调的支架上， 利用显微镜主机测量纤维上两标记条分别与最近网格坐标之间的距离Cl1和d2，根据每个网格之间的距离和Cl1和d2的距离计算出两标记条之间的距离L ；(9)在纤维线弹性范围内，利用加载控制箱以一定载荷速率加载到一定载荷F，待电子天平的读数稳定了，再利用显微镜主机测量纤维上两标记条分别与步骤(8)中网格坐标之间的距离d3和d4，计算出纤维在该载荷下的绝对伸长量dL ；根据算式(1)计算纤维材料的弹性模量E ；(10)载荷卸载后，改变施加载荷F，再次测量绝对伸长量dL并根据算式(1)计算纤维材料的弹性模量E ；至少做5组数据取平均值作为弹性模量E的测试数据；(11)用加载控制箱向下进一步施加载荷直至纤维断裂，记录断裂时的电子天平的读数 m，计算临界载荷F。= (m+m^g；(12)根据算式( 计算纤维的拉伸强度σ。
全文摘要
本发明提供了一种测试纤维材料弹性模量和强度的方法及装置。该装置包括加载控制系统、支撑架、夹具、电子天平及显微镜控制系统。由精密电子天平测量载荷大小，由夹具将压缩载荷转化为纤维拉伸载荷，给予纤维初始载荷后，用加载控制箱施加载荷，用显微镜测量施力前后纤维的相对位移的变化，根据应力增量-应变增量关系计算出纤维的弹性模量；继续施力至纤维断裂，根据该临界载荷和纤维横截面积计算纤维的拉伸强度。本发明可用于测量几个微米到几十个微米大小的纤维或者细丝的弹性模量和强度，解决了该领域测试难题，对小尺寸纤维力学性能评价及实验设备研制具有重要意义。
文档编号G01N3/04GK102539233SQ20101060450
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者万德田, 包亦望, 李坤明, 田莉, 邱岩 申请人:中国建筑材料检验认证中心有限公司