一种碳纤维复丝拉伸性能测试样条的制备装置及工艺的制作方法

1.本发明涉及碳纤维测试技术领域，尤其涉及一种碳纤维复丝拉伸性能测试样条的制备装置及工艺。


背景技术：

2.碳纤维由于具有高强、高模、耐腐蚀、低密度、高导电系数等优异性能，加之生产成本大幅下降，已被广泛的应用于航空航天，大功率风力发电机械，汽车工业，体育用品，海洋耐腐蚀材料等军事或民事领域，特别是高性能碳纤维，是国防工业中不可或缺的战略性材料。
3.在研发和生产的过程中都需要对碳纤维的力学性能进行检测，碳纤维力学性能测试的内容主要包括：拉伸强度、拉伸弹性模量、断裂、伸长率、体密度、线密度等。拉伸性能是评价碳纤维性能的重要力学性能指标，也是目前碳纤维生产厂家和应用单位最为常见的材料性能考核指标。碳纤维复丝的拉伸方法在国标gbt3362-2017进行了一定的规范，国标中规定每束纤维需制样条10根，要求浸胶后的纤维在挂丝架上“拉直绷紧”，但没有张力及制样装置的明确介绍。在实际操作过程中，为了实现浸胶后纤维的“拉直绷紧”，碳纤维各生产厂家所用的制样装置也各有特点，比如针对大规模测试所用的钢框架，先将纤维缠绕在钢架上再进行浸胶，此方法无法保证纤维浸胶期间及浸胶后的张力。面对用户对于碳纤维复丝性能及稳定性的要求日益严苛，确保碳纤维复丝拉伸样条制样过程中的恒张力显得至关重要。
4.鉴于上述问题的存在，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种碳纤维复丝拉伸性能测试样条的制备装置及工艺，使其更具有实用性。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：提供一种碳纤维复丝拉伸性能测试样条的制备装置及工艺，用于在样条制备过程中，始终对碳纤维丝束施加有张力，从而提高碳纤维性能测试的准确性。
6.为了达到上述目的，本发明所公开的技术方案是：一种碳纤维复丝拉伸性能测试样条的制备装置，包括：恒张力主动放卷装置，包括纱筒和退绕电机，所述纱筒用于存储碳纤维丝束，所述退绕电机根据设计的张力值为所述纱筒旋转提供反向作用力，从而使纱筒上的碳纤维丝束恒张力放出；无捻定位组件，用于调整碳纤维丝束行进路径以及翻转碳纤维丝束；展纤组件，对碳纤维丝束进行展纤操作；缩幅组件，对碳纤维丝束宽度进行缩幅；收绕机构，包括平板绕纱架、收绕驱动组件和直线模组，其中，所述平板绕纱架与
所述收绕驱动组件可拆卸连接，所述平板绕纱架内部设置有弹力张紧组件，用于对收绕在平板绕纱架上的碳纤维丝束施加张力，所述直线模组安装于所述收绕驱动组件底部，所述平板绕纱架通过所述收绕驱动组件驱动进行旋转，并配合直线模组驱动进行直线移动，来使碳纤维丝束螺旋等距缠绕到平板绕纱架上；浸胶槽，为开口朝上的槽体结构，内部盛放有树脂，用于浸渍所述平板绕纱架上的碳纤维丝束。
7.进一步地，所述无捻定位组件包括依次设置的第一定位杆、两个第二定位柱和两个第三定位柱，所述第一定位杆水平设置，两个所述第二定位柱竖直且相互间隔设置，两个所述第三定位柱倾斜且相互间隔设置，碳纤维丝束依次从所述第一定位杆底部、两个所述第二定位柱之间以及两个所述第三定位柱之间穿过。
8.进一步地，所述缩幅组件包括多个挤胶轮组和挤胶板，多个所述挤胶轮组前后并排设置，每个所述挤胶轮组均包括上下错位设置的两个挤胶轮，所述挤胶轮表面开设有多道环槽，位于后方的所述挤胶轮上所述环槽的截面积要小于位于前方的所述挤胶轮上所述环槽的截面积。
9.进一步地，所述平板绕纱架还包括对称设置的两个u型框架和夹紧组件，两个所述u型框架开口相对，所述弹力张紧组件安装于两个所述u型框架之间，通过预压缩弹簧来使两个所述u型框架相互远离，所述夹紧组件可拆卸安装于所述弹力张紧机构上，用于限制两个所述u型框架之间的相对移动。
10.进一步地，每个所述u型框架均包括对称设置的两个第一杆和位于两个所述第一杆同侧的第二杆，所述第二杆两端头分别与两个所述第一杆端头垂直连接。
11.进一步地，所述弹力张紧机构包括第一立柱、第二立柱、呈预压缩状态的第一弹簧和手柄，所述第一立柱安装于其中一个所述u型框架上，所述第二立柱安装于另一个所述u型框架上、且与所述第一立柱对称设置，所述手柄一端与所述第一立柱固定连接、另一端与所述第二立柱滑动连接，所述手柄内设置有供所述第一弹簧置入的通道，所述第一弹簧一端抵在所述手柄内、另一端抵在所述第二立柱端面上。
12.进一步地，所述弹力张紧机构数量为两个，两个所述弹力张紧机构以所述第二杆的中点为对称点，对称安装于两侧的所述第一杆上。
13.进一步地，所述第一立柱和所述第二立柱均垂直所述第一杆和所述第二杆围成的平面。
14.进一步地，所述通道内还拧入有调节螺丝，所述通道内壁设置有与所述调节螺丝配合的内螺纹，所述调节螺丝位于所述第一弹簧远离所述第二立柱的一侧。
15.进一步地，所述手柄靠近所述第二立柱的端部设置有十字型通槽，所述第二立柱顶部设置有十字型滑块，所述十字型滑块可滑动安装于所述十字型通槽内。
16.进一步地，两个所述手柄靠近所述第二杆的一侧均设置有纱线固定螺钉，所述手柄上设置有供所述纱线固定螺钉拧入的螺纹孔。
17.进一步地，所述夹紧组件包括相对称的夹紧块，两个所述夹紧块分别对应所述第一立柱和所述第二立柱设置有限位槽，两个所述夹紧块之间通过螺栓进行固定。
18.本发明还公开了另一个技术方案是：一种碳纤维复丝拉伸性能测试样条的制备工艺，包括如下步骤：
s1：对纱筒上的碳纤维丝束进行退绕，并牵拉退绕下来的碳纤维丝束；s2：对退绕下来的碳纤维丝束依次进行无捻定位翻转工序、展纤工序和缩幅工序，最后将碳纤维丝束收绕到平板绕纱架上，并固定住碳纤维丝束端头；s3：采用恒张力主动放卷的方式对纱筒上的碳纤维丝束进行退绕，同时平板绕纱架动力驱动下对碳纤维丝束进行收绕；s4：待收绕完成后，将碳纤维丝束的尾端固定于平板绕纱架后剪断，碳纤维丝束通过平板绕纱架上的弹力张紧组件来保持绷紧状态；s4：取下平板绕纱架，并置入到浸胶槽内浸胶处理，浸胶完成后烘干、切段即可获得碳纤维测试样条。
19.本发明的有益效果为：目前市面上对于小丝束碳纤维样条制备的装置和工艺已经相对成熟，通过研究发现，丝束越大，聚集越容易，但同时粘纱效果也就越差，浸润胶液的效果也就越差，加上单丝中容易发生空隙等问题，大丝束的样条制备面临的技术问题完全区别于小丝束，而本发明提供的制备装置特别适用于大丝束碳纤维样条的制备，一方面可以实现自动化的制样，提高了测试准确性，容易操控，节省人力物力；另一方面，整个制样过程中，其中包括碳纤维丝束缠绕到平板绕纱架以及后续浸胶过程中，均是带张力进行，满足测试要求。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例中碳纤维复丝拉伸性能测试样条的制备装置（省略浸胶槽）的主视图；图2为本发明实施例中碳纤维复丝拉伸性能测试样条的制备装置（省略浸胶槽）的结构示意图；图3为图2中a处放大图；图4为图2中b处放大图；图5为本发明实施例中收绕机构的结构示意图；图6为本发明实施例中平板绕纱架在收绕机构上装卸的示意图；图7为图6中c处放大图；图8为本发明实施例中平板绕纱架的结构示意图；图9为本发明实施例中平板绕纱板的安装示意图；图10为本发明实施例中平板绕纱架置入浸胶槽内的展示图。
22.附图标记：1、纱筒；2、退绕电机；3、无捻定位组件；4、展纤组件；5、缩幅组件；6、收绕机构；7、平板绕纱架；8、收绕驱动组件；9、直线模组；10、浸胶槽；11、第一定位杆；12、第二定位柱；13、第三定位柱；14、挤胶轮；15、挤胶板；16、环槽；17、u型框架；18、第一杆；19、第二杆；20、第一立柱；21、第二立柱；22、第一弹簧；23、手柄；24、调节螺丝；25、十字型通槽；26、十字型滑块；27、纱线固定螺钉；28、夹紧块；29、限位槽。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
24.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一 个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元 件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用 的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目 的，并不表示是唯一的实施方式。
25.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术 领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术 语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的 术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
26.实施例一如图1至图10所示的碳纤维复丝拉伸性能测试样条的制备装置，包括：恒张力主动放卷装置，包括纱筒1和退绕电机2，纱筒1用于存储碳纤维丝束，退绕电机2根据设计的张力值为纱筒1旋转提供反向作用力，从而使纱筒1上的碳纤维丝束恒张力放出；无捻定位组件3，用于调整碳纤维丝束行进路径以及翻转碳纤维丝束，通过把碳纤维丝束以水平输送变为垂直输送、最后变为再次水平输送的方式调整碳纤维丝束的行进路径，实现碳纤维纱线的翻转，防止纱线捻度进入到后面工序；展纤组件4，对碳纤维丝束进行展纤操作；缩幅组件5，对碳纤维丝束宽度进行缩幅；收绕机构6，包括平板绕纱架7、收绕驱动组件8和直线模组9，其中，平板绕纱架7与收绕驱动组件8可拆卸连接，平板绕纱架7内部设置有弹力张紧组件，用于对收绕在平板绕纱架7上的碳纤维丝束施加张力，直线模组9安装于收绕驱动组件8底部，平板绕纱架7通过收绕驱动组件8驱动进行旋转，并配合直线模组9驱动进行直线移动，来使碳纤维丝束螺旋等距缠绕到平板绕纱架7上；浸胶槽10，为开口朝上的槽体结构，内部盛放有树脂，用于浸渍平板绕纱架7上的碳纤维丝束，可以通过延长浸渍时间来充分浸渍平板绕纱架7上的碳纤维丝束。
27.本发明提供了一种碳纤维复丝拉伸性能测试样条的制备装置，其中恒张力主动放卷装置、展纤组件4均来自于现有技术，通过购买即可获得，在碳纤维复丝制备过程中，纱筒1上的碳纤维丝束通过牵拉端头退绕下来，并穿过无捻定位组件3，调整碳纤维丝束的行进路径，防止碳纤维丝束走偏，继续向前牵拉进入到展纤组件4内，通过展纤组件4对碳纤维丝束进行展纤操作，为下一步的缩幅作业做准备，紧接着，通过展纤操作后的碳纤维丝束通过缩幅组件5进行缩幅，定型，最后收绕到平板绕纱架7上，平板绕纱架7通过内部的弹力张紧组件来使收绕完成的碳纤维丝束保持绷紧状态，将平板绕纱架7从收绕驱动组件8上拆卸下来后，置入到浸胶槽10内完成浸胶作业，通过延长浸渍时间来充分浸渍平板绕纱架7上的碳纤维丝束，浸胶完成后，对碳纤维丝束进行后续的晾干、固化、取样、贴加强片等工序制成测试样条，然后参照《astmd 4018-17 碳纤维浸胶纱测试》规定的实验方法，进行性能测试，本发明提供的制备装置，一方面可以实现自动化的制样，提高了测试准确性，容易操控，节省人力物力；另一方面，整个制样过程中，其中包括碳纤维丝束缠绕到平板绕纱架7以及后续浸胶过程中，均是带张力进行，满足测试要求，特别的，本发明人发现，采用常规的绕纱架将收绕好的碳纤维丝束置入浸胶槽10内进行大概30min的浸胶作业时，原本绷紧状态下的碳
纤维丝束会随着时间推移发生松弛，张力降低，影响后续的性能测试结果，所以，本发明人在平板绕纱架7内设计有弹力张紧组件，用于对收绕在平板绕纱架7上的碳纤维丝束施加张力，保证平板绕纱架7上的碳纤维丝束的张力维持稳定不变，从而提高测试结果的准确性。
28.如图3所示，作为一种具体的公开，无捻定位组件3包括依次设置的第一定位杆11、两个第二定位柱12和两个第三定位柱13，第一定位杆11水平设置，两个第二定位柱12竖直且相互间隔设置，两个第三定位柱13倾斜且相互间隔设置，碳纤维丝束依次从第一定位杆11底部、两个第二定位柱12之间来调整行进路径，防止在接下来的展纤组件4内发生偏移，碳纤维丝束在从两个第三定位柱13之间穿过来实现翻转，防止碳纤维丝束在退纱过程中加捻。
29.如图2和4所示，作为一种具体的公开，缩幅组件5包括多个挤胶轮组和挤胶板15，多个挤胶轮组前后并排设置，每个挤胶轮组均包括上下错位设置的两个挤胶轮14，挤胶轮14表面开设有多道环槽16，位于后方的挤胶轮14上环槽16的截面积要小于位于前方的挤胶轮14上环槽的截面积，通过逐渐缩小的环槽16来实现碳纤维丝束逐渐缩幅的过程，从挤胶轮组穿过的碳纤维丝束穿过挤胶板15上设置的圆形通孔后，实现最后的定型。
30.如图8至10所示，作为上述实施例的优选，平板绕纱架7还包括对称设置的两个u型框架17和夹紧组件，两个u型框架17开口相对，弹力张紧组件安装于两个u型框架17之间，通过预压缩弹簧来使两个u型框架17相互远离，夹紧组件可拆卸安装于弹力张紧机构上，用于限制两个u型框架17之间的相对移动。
31.如图9所示，更具体的，每个u型框架17均包括对称设置的两个第一杆18和位于两个第一杆18同侧的第二杆19，第二杆19两端头分别与两个第一杆18端头垂直连接。
32.如图6和7所示，为了方便平板绕纱架7从收绕驱动组件8上拆卸下来，收绕驱动组件8至少包括驱动电机和两个相对称的夹持块，其中一个夹持块与驱动电机的输出端固定连接，两个夹持块相对的面均设置有半圆槽，两个第一杆18从半圆槽内穿过并被两个夹持块夹紧固定，两个夹持块通过夹持螺钉进行固定连接，通过采用夹持块和夹持螺钉的方式，方便平板绕纱架7的拆卸，操作简单方便。
33.作为上述实施例的优选，弹力张紧机构包括第一立柱20、第二立柱21、呈预压缩状态的第一弹簧22和手柄23，第一立柱20安装于其中一个u型框架17上，第二立柱21安装于另一个u型框架17上、且与第一立柱20对称设置，手柄23一端与第一立柱20固定连接、另一端与第二立柱21滑动连接，手柄23内设置有供第一弹簧22置入的通道，第一弹簧22一端抵在手柄23内、另一端抵在第二立柱21端面上。弹力张紧机构数量为两个，两个弹力张紧机构以第二杆19的中点为对称点，对称安装于两侧的第一杆18上，弹力张紧机构均安装于两侧的第一杆18上，能够减少对碳纤维丝束在第二杆19缠绕的干扰，而且由于两侧均设置有弹力张紧机构，能够保证两个第二杆19的平行，进而提高缠绕效果。
34.为了便于拿取手柄23，第一立柱20和第二立柱21均垂直第一杆18和第二杆19围成的平面，采用此种结果，工作人员可以通过手握住手柄23将碳纤维丝束以及u型框架17浸入到浸胶槽10内实现浸胶，而且还能防止胶液灌入到安装第一弹簧22的通道内。
35.为了能够调节第一弹簧22的弹力，通道内还拧入有调节螺丝24，通道内壁设置有与调节螺丝24配合的内螺纹，调节螺丝24位于第一弹簧22远离第二立柱21的一侧，用于安装第一弹簧22的通道长度是加工形成的，在通道内拧入调节螺丝24，可以调节第一弹簧22
置入通道内的伸缩量，从而调节第一弹簧22的弹力，为了便于旋拧调节螺丝24，可以在调节螺丝24内开设正六边形凹槽，通过向正六边形凹槽内伸入内六角扳手来实现调节螺丝24的旋拧，易于操作。
36.为了对手柄23进行限位，防止手柄23在旋转过程中与第二立柱21发生脱离，手柄23靠近第二立柱21的端部设置有十字型通槽25，第二立柱21顶部设置有十字型滑块26，十字型滑块26可滑动安装于十字型通槽25内。
37.为了便于对碳纤维丝束端头进行固定，如图8所示，两个手柄23靠近第二杆19的一侧均设置有纱线固定螺钉27，手柄23上设置有供纱线固定螺钉27拧入的螺纹孔。
38.更具体的，如图8所示，夹紧组件包括相对称的夹紧块28，两个夹紧块28分别对应第一立柱20和第二立柱21设置有限位槽29，两个夹紧块28之间通过螺栓进行固定，夹紧组件在碳纤维丝束缠绕到两个u型框架17上时进行使用，当碳纤维丝束在u型框架17上缠绕完成后，即可将两个夹紧块28进行拆卸，使两个u型框架17在弹力下相互远离，实现对碳纤维丝束的拉紧。
39.实施例二本发明还公开了一种碳纤维复丝拉伸性能测试样条的制备工艺，包括如下步骤：s1：对纱筒上的碳纤维丝束进行退绕，并牵拉退绕下来的碳纤维丝束；s2：对退绕下来的碳纤维丝束依次进行无捻定位翻转工序、展纤工序和缩幅工序，最后将碳纤维丝束收绕到平板绕纱架上，并固定住碳纤维丝束端头；s3：采用恒张力主动放卷的方式对纱筒上的碳纤维丝束进行退绕，同时平板绕纱架动力驱动下对碳纤维丝束进行收绕；s4：待收绕完成后，将碳纤维丝束的尾端固定于平板绕纱架后剪断，碳纤维丝束通过平板绕纱架上的弹力张紧组件来保持绷紧状态；s4：取下平板绕纱架，并置入到浸胶槽内浸胶处理，浸胶完成后烘干、切段即可获得碳纤维测试样条。
40.采用本制备工艺制备的碳纤维测试样条，特别适用于大丝束碳纤维的测试样条制备，能够自动化生产、节省人力物力，而且还能保证碳纤维测试样条在整个制备过程中均带张力，从而提高了测试准确性。
41.本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。