CN1282876C - 一种柔性材料弯曲疲劳中的多功能测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种柔性材料的多功能测量方法及装置，系有条件弯曲疲劳及导电导热性组合测量的方法与装置，用弯曲点加热或制冷及对应温度、或温控腔内加热或制冷及弯曲点温度的测量，来表征试样在不同温度作用下的弯曲疲劳。同时，在夹持和定位点增设温度传感器和电极，测量在弯曲疲劳作用下试样点间的导热和导电特征。该装置是在申请号200410053598.7的装置的夹头和定位针上分别添加的四个温度传感器和四个电极及电阻测量单元，以及改进的双定位针机构、温控腔体、增加与计算机相连的数据采集卡和控制测量模块等构成。可以测量冷、热条件下的疲劳特征值、导热系数、热收缩率和电阻率等。本方法精确、巧妙、实用；装置结构简单、安装方便；测量原位、组合性强。

Description

一种柔性材料弯曲疲劳中的多功能测量方法及装置

技术领域：

本发明是一种柔性材料弯曲疲劳中的多功能测量方法及装置，涉及柔性材料弯曲疲劳中的力学、热学和电学性能的原位、组合测量技术，适用于纤维、纱线、膜、织物及其复合材料的表征。

背景技术：

材料在一定温度下发生弯曲疲劳，其力学、热学、电学性能表现各异，这是材料综合性能及交互作用的体现。以往的单一性能表征及其测量方法已不能适应人们对材料本质及其在环境条件下特征变化的认识要求，原位组合的表征技术已成为材料性能完整性、针对性认识的必要技术。

但是，由于此类测试装置的单一性和局限性，研究工作常局限于常规条件，如恒温或室温等条件下材料某性能的测试。如需对材料进行某个特定环境下的多个指标研究，常常是把材料先进行这种条件处理后，再取出分别测试，不能实现在所需条件下的原位、即时测试，更不用说是几个指标的综合原位测量了，所以测试结果与实际情况多有偏颇。

在柔性材料弯曲疲劳测试装置(中国发明专利，于伟东，刘晓艳，一种用于柔性材料的弯曲疲劳性能测量装置，申请号200410053598.7)中，已介绍了弯曲疲劳测试装置的研究工作，该装置，包括一个含有控制驱动电路、图像采集卡、数据采集卡、实测数据实时处理与计算程序的计算机和与该计算机相连的力、位移传感器、摄像器和步进电机，可对中移动的力传感器、位移传感器、悬挂于该力传感器的上夹头、可微调的定位握持器、可同轴转动下夹头、连接齿条一端的曲柄机构和由齿条传动的转动盘，置于下夹头侧的光学对中系统构成；所述的光学对中系统由平行光束光源、中空转动轴、长焦光学显微镜头和摄像器构成测量；所述的步进电机受控于计算机并可带动上夹头移动；所述的上夹头为悬挂于重心、重量对称的夹头，并与下夹头完成对试样的同轴夹持；所述的下夹头通过固定销定位和固紧于转动盘上，下夹头和定位握持器对纤维的握持端中心可调，并以转动盘的轴心线为准转动。但是，关于材料在温度变化下弯曲疲劳的性能、热学和电学性能的原位组合研究并未见报道。但是材料在实际使用中，尤其是一些特殊应用的工作环境下，特别应重视这些综合性能的评价与估计。高温、带电，或低温、有电场作用的材料性能，以及对作业中的人体防护，都需要严格考虑材料的组合性能与原位测量。

发明内容：

本发明的目的是提供一种柔性材料弯曲疲劳中的多功能测量方法及装置，用于柔性材料有条件弯曲疲劳及其导电导热性原位组合测量的方法与装置，并用于纤维、纱线、织物和膜类等材料在温度和电场作用下力学、热学、电学性能的组合原位测量。

本发明的基本原理是：采用弯曲点处加热或制冷和对应温度测量，或温控腔内加热或制冷和弯曲点处温度测量的方法，表征柔性材料在不同温度作用下的弯曲疲劳性质。同时，在夹持试样的上、下夹头和双定位针四处设置温度传感器和电极，可分别表达材料弯曲疲劳中此四点间的导热和导电特征和施加电场。

所述的测量方法为柔性材料试样在有条件拉、弯作用过程中的力、热、电学性质的原位、组合测量方法。所述的柔性材料是指纤维、膜、纱线和织物；所述的有条件是指温度和电场作用；所述的力测量为上夹头的移动拉伸和下夹头绕某一定点的摆动完成施力和测量，可以在单独力作用下，亦可以给热或加电场，或多种组合作用下进行；所述的热性质测量是通过定点给热，或环境给热，或施力和施加电场，或多种组合作用下，分别测量夹持点和定位点间的导热性能，所述的电性质测量，是在施加电场，或力，或热，或多种组合方式作用下测量材料夹持点和定位弯曲点间的导电性能；所述的原位、组合测量是指对同一试样、同样条件下的疲劳指标、松弛指标、导热性指标和导电性指标的同时测量。

本发明由用于柔性材料有条件弯曲疲劳及其导电导热性组合测量的装置完成此测量方法，其特征是在原弯曲疲劳装置(中国发明专利，于伟东，刘晓艳，一种用于柔性材料的弯曲疲劳性能测量装置，申请号200410053598.7)上，增设4个温度传感器、4个电极及电阻测量单元和温控腔罩；改进了双定位针，增加了加热或制冷、测力机构，并与计算机相连，增加了与此测量、控制相关的数据采集卡和控制测量模块，见附图1～4。

所述的4个电极分别装于上夹头1、下夹头2、双定位针3上，即为41、42、43和44，见附图1和2。

所述的4个温度传感器分别装于上夹头1、下夹头2、双定位针3上，即为51、52、53和54，见附图1和2。

测试41-42间的电阻即得到材料纵向导电性，测试43-44间的电阻得到材料横向导电性。分别测试41-43，41-44，42-43，42-44间的电阻，可得到材料中部分段的导电性。

相类似地，测试51-52间的温度差或维持此温度差的制冷或制热功率可得到材料纵向导热性与热流量，测试53-54间的温度差或维持此温度差的制冷或制热功率可得到材料横向导热性与热流量。分别测试51-53，51-54，52-53，52-54间的热阻，可得到材料中部分段的导热性。

改进的双定位针3是由绝热外壳31、金属导热片32和半导体制冷制热器33构成，并与原针座滑块连接。通过原机构作上下移动和对称夹持移动，并可相对下夹头2的试样的握持端中心水平可调，见附图1和2。

所述的温控腔罩6，为可拆卸式圆筒形温度罩，其上安装有加热电偶7和半导体制冷制热器8。当需对弯曲试样环境进行温控，或施加外加温度场时，可将其安装上。如只是室温，则可卸下，见附图1和3。

所增加数据采集卡为温度数据采集卡和电性能测量数据采集卡，以及温控腔罩内温度传感器的采集卡；所增加的相应测量控制和数据处理模块为温度数据模块和电性能数据模块。新增的数据采集卡和控制与处理模块与温度控制电路和电阻测试电路相连，并与计算机相连，见附图4。

计算机及其程序控制软件完成驱动、控制、记录、观察和计算，完成试样在温度变化环境中特征值的测量。

本发明的特点是：

a)可以模拟材料使用的实际环境，并能准确、全面地对材料在此环境下的力学、电学、热学性能进行原位组合测量。

b)本发明装置功能合理，电极和电阻测量单元完成电阻测试，温控腔和温度传感器对材料进行温度控制及导热性能测试；定位针的移动可以对试样进行全程检测；驱动、控制、计算系统，可完成跟踪试样移动，自行采集以及特征值计算。

c)本发明装置部件简单，结构紧凑；轻便小巧，便于安装与置换。不仅具有原发明装置的特征，而且增加了功能与控制条件。

附图说明：

图1是弯曲疲劳的多功能测量装置主视示意图；

图2是弯曲疲劳的多功能测量装置侧视示意图；

图3是本发明装置在原柔性材料弯曲疲劳测量装置的主视示意图；

图4是数据采集与测量控制系统框图(虚线框为原机构)。

图中：

1-上夹头    2-下夹头    3-双定位针    31-绝热外壳

32-金属导热片    33-半导体制冷制热器

41、42、43、44-电极    51、52、53、54-温度传感器

6-温控腔罩    7-加热电偶    8-半导体制冷器

具体实施方式：

通过以下实施例将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。

采用本发明的装置，其结构示意图如附图1和2。先将试样夹于上夹头1，穿过定位握持器的双定位针3，然后夹于下夹头2。调节上夹头1、下夹头2与双定位针3的对中，并调整双定位针3的对中夹持。与此同时，启动加热或制冷程序，或给电场，制造环境条件，然后进行弯曲疲劳作用或弯曲，测量试样的弯曲疲劳、热学和电学性能。

        实施例1：定负荷单纤维弯曲疲劳测试结果

将芳纶纤维试样夹于上夹头1和下夹头2之间，且穿过定位握持器的双定位针3。采用带有温控腔罩6的本发明装置，见附图1和附图3。进行疲劳寿命的测量。

所取预张力为3cN，弯曲角度α＝35°，芳纶(Twaron 2000)纤维在不同温度条件下的疲劳寿命测试结果为：

温度(℃)	疲劳寿命(次数)
						0	9100	9004	8485	8846	8753
40	9780	9320	9516	9627	9871
						100	9805	9765	9569	9638	9721

显然，由表中数据可以看出，环境温度不同，耐疲劳性能不同。可以发现0℃时耐疲劳性最差，因为材料呈现偏硬脆的特征。而40℃和100℃的结果差异不大，说明在此温度范围内，芳纶的耐弯曲疲劳差异不大。

             实施例2：弯曲疲劳中电阻测量

采用与实施例1相同的装置，将羊毛纤维试样夹于上夹头1和下夹头2之间，且穿过定位握持器的双定位针3。分别测试41与42间的电阻和43与44间的电阻，且变化温控腔罩内温度。实测试样在上、下夹头间和双定位针间的电阻变化。

                                     含水率15％羊毛的电阻测量结果

温度(℃)	41-42间的电阻R(×108Ω)					43-44间的电阻R(×105Ω)
											20	63.12	60.91	64.65	69.82	59.49	60.05	62.38	59.89	62.74	66.85
40	10.15	11.22	10.81	9.79	9.27	11.26	10.29	10.49	9.56	9.78
											60	1.60	1.76	1.62	1.64	1.58	1.58	1.66	1.62	1.57	1.65

由纤维纵向测量的电阻值(41-42间电阻)偏大，因为纤维的夹持长度为20mm；纤维径向厚度方向的电阻值(43-44间电阻)偏小，因为纤维的厚度为32μm，压扁厚度为30μm。差异显然是电极间距离导致。但温度的影响是明显的。

        实施例3：4点间温度差的测量及导热系数

采用与实施例1相同的装置，将涤纶膜试样夹于上夹头1和下夹头2之间，且穿过定位握持器的双定位针3。测试53-54间的温度差或维持此温度差的制冷或制热功率可得到材料横向导热性与热流量，环境温度由温控腔罩6控制在20±1℃；在双定位针53处制冷，双定位针54处恒温或制热，测得在不同温差条件下的涤纶膜厚度方向的导热系数如下：

                                  涤纶膜的厚度方向导热系数实测结果

环境温度(℃)	温度差(℃)	53点温度(℃)	54点温度(℃)	导热系数λ(W·m-1·℃-1)
									20±1	10	10	20	0.084	0.082	0.078	0.079	0.081
20	0	20	0.086	0.082	0.085	0.084	0.082
								40		0	40	0.085	0.086	0.088	0.086	0.089

显然，由表中数据可以看出，温度差对导热系数有影响，温度差越大，导热系数相对越大。

Claims (4)

1、一种柔性材料弯曲疲劳中的多功能测量装置，包括一个含有控制驱动电路、图像采集卡、数据采集卡、实测数据实时处理与计算程序的计算机和与该计算机相连的力、位移传感器、摄像器和步进电机，由可对中移动的力传感器、位移传感器、悬挂于该力传感器的上夹头、可微调的定位握持器、可同轴转动下夹头、连接齿条一端的曲柄机构和由齿条传动的转动盘，置于下夹头侧的光学对中系统构成，其特征在于还增设4个温度传感器，4个电极及电阻测量单元、改进的双定位针、测力机构、温控腔罩和还有与温度控制电路和电阻测试电路相连、并与计算机相连的数据采集卡和控制测量模块所构成，所述的双定位针是由绝热外壳、金属导热片和半导体制冷制热器构成，并与原针座滑块连接；所述的4个温度传感器分别装于上夹头、下夹头、双定位针上；所述的4个电极分别装于上夹头、下夹头、双定位针上。

2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于所述的温控腔罩，为可拆卸式圆筒形温度罩，其上安装有加热电偶和半导体制冷器。

3、按照权利要求1所述的装置，其特征是所述的数据采集卡为温度数据采集卡、电性能测量数据采集卡、以及温控腔罩内温度传感器的采集卡；所述的控制测量模块为温度数据模块和电性能数据模块。

4、一种采用如权利要求1、2或3所述的装置的测量方法，其特征在于在温度和电场作用下，采用试样弯曲点处加热或制冷和对应温度测量，或试验温控腔内加热或制冷和弯曲点处温度测量的方法，表征柔性材料在温度作用下的弯曲疲劳性质；同时，在夹持试样的上、下夹头处和双定位针处的四处，设置温度传感器和电极，分别测量四点间的导热和导电性质和施加电场；所述的测量方法为试样在拉、弯作用过程中力、热、电学性质的原位、组合测量方法；所述的柔性材料是指纤维、膜、纱线和织物；所述的原位、组合测量是指对同一试样、同样条件下的疲劳、松弛、导热性和导电性指标的同时测量。

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