一種抽濕條件下復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)的測(cè)試方法與流程

　　本發(fā)明涉及復(fù)合材料的性能測(cè)試領(lǐng)域，特別涉及一種抽濕條件下復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)的測(cè)試方法。

　　背景技術(shù)：

　　纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料由于具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，較好的可設(shè)計(jì)性和抗疲勞斷裂性能，已成為航空航天飛行器結(jié)構(gòu)件中的重要材料。現(xiàn)國(guó)內(nèi)航天復(fù)合材料制造裝配的一般環(huán)境條件要求為：溫度20-25℃，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，復(fù)合材料構(gòu)件在地面貯存，包括成型、裝配、試驗(yàn)過程中，由于復(fù)合材料樹脂基體的高分子結(jié)構(gòu)以及復(fù)合材料內(nèi)部孔隙、氣泡的存在，導(dǎo)致復(fù)合材料會(huì)吸收水分膨脹；且在外空間服役環(huán)境條件下時(shí)，復(fù)合材料又會(huì)發(fā)生逆向的濕氣析出過程。上述吸濕和去濕都會(huì)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力的變化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件外形尺寸發(fā)生變化，甚至力學(xué)性能下降。

　　復(fù)合材料的吸濕過程主要受環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的影響，其中材料的飽和吸濕量與環(huán)境的相對(duì)濕度有關(guān)，而擴(kuò)散系數(shù)的變化則依賴環(huán)境溫度。因此，需要在恒定溫度和濕度條件下測(cè)定復(fù)合材料層壓板的濕膨脹系數(shù)。而對(duì)于復(fù)合材料層壓板的濕膨脹系數(shù)通常以常溫高濕條件下試樣的尺寸變化，來評(píng)價(jià)濕度對(duì)復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性的影響。

　　目前多采用測(cè)試試樣在吸濕過程中的起始狀態(tài)和終了狀態(tài)的長(zhǎng)度和質(zhì)量變化來測(cè)量，也即測(cè)試的是試樣在吸濕過程中的濕膨脹系數(shù)。然而，吸濕過程需要緩慢的分子擴(kuò)散過程才能達(dá)到平衡，而達(dá)到平衡所需時(shí)間往往較長(zhǎng)，這就導(dǎo)致測(cè)量所需時(shí)間很長(zhǎng)，且由于測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，電測(cè)量的時(shí)漂累積很大，往往超過了物理量的變化而導(dǎo)致測(cè)量超差而失效。

　　技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

　　本發(fā)明旨在一定程度上解決現(xiàn)有技術(shù)測(cè)試濕膨脹系數(shù)所需時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量誤差大的問題。

　　為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種抽濕條件下復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)的測(cè)試方法，包括以下步驟：

　　s1、啟動(dòng)測(cè)量與控制程序，并將所述真空罐內(nèi)的濕度調(diào)節(jié)至飽和濕度；

　　s2、在常壓常溫以及飽和濕度環(huán)境下，將預(yù)處理后的試樣置于所述真空罐內(nèi)，并將所述試樣固定在所述石英測(cè)試件上，通過位移傳感器記錄所述試樣的初始長(zhǎng)度，通過載荷傳感器記錄所述試樣的初始質(zhì)量；

　　s3、啟動(dòng)測(cè)量記錄程序，密閉所述真空罐，抽真空，對(duì)所述試樣進(jìn)行真空抽濕干燥處理；

　　s4、通過所述濕度傳感器、所述溫度傳感器以及所述氣壓傳感器分別采集所述真空罐內(nèi)的濕度、溫度以及氣壓數(shù)據(jù)，并通過所述位移傳感器記錄所述試樣的質(zhì)量變化量，通過所述載荷傳感器記錄所述試樣的長(zhǎng)度變化量；

　　s6、調(diào)節(jié)所述真空罐內(nèi)為常壓，停止測(cè)量與控制程序。

　　可選地，步驟s2中，所述預(yù)處理具體為：將所述試樣在恒溫恒濕箱中作吸濕處理，使所述試樣達(dá)到飽和濕度。

　　可選地，所述真空罐包括從上到下依次連接的第一測(cè)試室、環(huán)境室和第二測(cè)試室，所述石英測(cè)試件貫穿所述環(huán)境室，并在所述環(huán)境室內(nèi)與所述試樣可拆卸連接；所述石英測(cè)試件的頂端固定在所述第一測(cè)試室內(nèi)并與所述載荷傳感器連接，所述石英測(cè)試件的底端懸垂于所述第二測(cè)試室內(nèi)；其中，所述石英測(cè)試件的頂端和所述石英測(cè)試件的底端在相對(duì)應(yīng)的位置分別設(shè)置有所述位移傳感器。

　　可選地，步驟s1中，所述將所述真空罐內(nèi)的濕度調(diào)節(jié)至飽和濕度，具體過程包括：向所述第一測(cè)試室和所述第二測(cè)試室注入干燥空氣，向所述環(huán)境室注入恒濕空氣，并通過設(shè)置在所述第一測(cè)試室與所述環(huán)境室之間、所述環(huán)境室與所述第二測(cè)試室之間的流量閥，調(diào)節(jié)所述環(huán)境室內(nèi)的濕度至飽和濕度。

　　可選地，所述流量閥的流量控制為8-10ml/min。

　　可選地，步驟s3中，所述密閉所述真空罐，抽真空，對(duì)所述試樣進(jìn)行真空抽濕干燥處理，具體過程還包括：

　　對(duì)所述真空罐抽真空，至所述真空罐內(nèi)的氣壓小于1×10-1mpa，控制所述環(huán)境室溫度為25±1℃，對(duì)所述試樣抽濕處理的時(shí)間為7-8h。

　　可選地，根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試方法，其特征在于，所述步驟s5后，還包括步驟：

　　s6、將所述試樣更換為標(biāo)準(zhǔn)石英試樣，并重復(fù)所述步驟s1-s5，以測(cè)試與所述試樣相同測(cè)試環(huán)境下的背底信號(hào)。

　　可選地，所述試樣為碳纖維增強(qiáng)氰酸酯基復(fù)合材料層壓板，且所述試樣的尺寸為200mm＊50mm＊2mm。

　　可選地，所述位移傳感器的最大量程為2000μm，長(zhǎng)度分辨率為0.05μm。

　　可選地，所述載荷傳感器的最大量程為80g，質(zhì)量分辨率為0.01mg。

　　相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的抽濕條件下復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)的測(cè)試裝置及方法具有以下優(yōu)勢(shì)：

　　本發(fā)明提供的測(cè)試方法，將預(yù)先吸濕(可達(dá)到濕飽和)的試樣，采用逆向抽濕過程(也即在濕度降低過程中)來動(dòng)態(tài)檢測(cè)試樣質(zhì)量和長(zhǎng)度的變化，一方面，將試樣的吸濕過程提到測(cè)試前進(jìn)行，利用真空能顯著加速分子擴(kuò)散的基本原理，通過抽真空加快抽濕過程，使得試樣可快速達(dá)到干燥狀態(tài)，極大地縮短了測(cè)試時(shí)間，避免電測(cè)量?jī)x器由于測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)而引入固有時(shí)漂，導(dǎo)致測(cè)量出現(xiàn)偏差；另一方面，利用高精度的質(zhì)量傳感器和位移傳感器，可實(shí)現(xiàn)從0-95％間任定濕度條件下試樣的質(zhì)量和長(zhǎng)度變化的動(dòng)態(tài)測(cè)量，具有測(cè)試范圍寬、分辨率高等特點(diǎn)。

　　附圖說明

　　圖1為本發(fā)明實(shí)施例所述的抽濕條件下復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)的測(cè)試方法的流程圖；

　　圖2為本發(fā)明實(shí)施例所述的抽濕條件下復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)的測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

　　圖3為本發(fā)明實(shí)施例所述的試樣抽濕過程中空氣壓力、濕度和時(shí)間關(guān)系圖；

　　圖4為本發(fā)明實(shí)施例所述的試樣抽濕過程中空氣濕度、溫度和時(shí)間關(guān)系圖；

　　圖5為本發(fā)明實(shí)施例所述的試樣抽濕過程中長(zhǎng)度變化量與時(shí)間關(guān)系圖；

　　圖6為本發(fā)明實(shí)施例所述的試樣抽濕過程中質(zhì)量變化量與時(shí)間關(guān)系圖。

　　附圖標(biāo)記說明：

　　1-第一測(cè)試室，2-環(huán)境室，3-第二測(cè)試室，4-石英管式基準(zhǔn)架，5-石英桿，6-密閉隔熱層，7-濕度傳感器，8-溫度傳感器，9-氣壓傳感器，10-位移傳感器，11-載荷傳感器，12-紅外熱源，13-真空閥，14-干燥氣閥，15-恒濕空氣閥，16-流量閥，17-試樣。

　　具體實(shí)施方式

　　需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

　　另外，下述在提到每個(gè)結(jié)構(gòu)件的“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“頂端”、“底端”這些位置關(guān)系僅是為了便于描述和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。另外，若本發(fā)明實(shí)施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，則該“第一”、“第二”等的描述僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。術(shù)語(yǔ)“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含義是非限制性的，即可加入不影響結(jié)果的其它步驟和其它成分。如無特殊說明的，材料、設(shè)備、試劑均為市售。

　　現(xiàn)有的關(guān)于纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的吸濕特性研究，國(guó)內(nèi)外有多種相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，但是各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范所采用的試樣尺寸和試驗(yàn)參數(shù)(試驗(yàn)溫度，試驗(yàn)濕度等)各不相同。測(cè)試濕膨脹系數(shù)主要方法有：(1)按試驗(yàn)周期，常見有兩種測(cè)試方法，一是平衡吸濕法，即復(fù)合材料達(dá)到吸濕平衡時(shí)停止試驗(yàn)，二是固定時(shí)間法，即是測(cè)試達(dá)到規(guī)定時(shí)間即停止試驗(yàn)；(2)按吸濕方式，有濕熱箱法和恒溫水浴浸泡法兩種；(3)按測(cè)試方法，一是靜態(tài)測(cè)試方法，即分別測(cè)試試樣的起始狀態(tài)和終了狀態(tài)的長(zhǎng)度和質(zhì)量，例如參照astmd5229/d5229m-1992(2004)標(biāo)準(zhǔn)《聚合物基復(fù)合材料吸濕性能和浸潤(rùn)平衡的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法》，但方法不能反映吸濕或逆向的除濕過程中長(zhǎng)度和質(zhì)量的變化規(guī)律，二是動(dòng)態(tài)測(cè)試方法，即在濕度變化過程中測(cè)試質(zhì)量和長(zhǎng)度的變化，但此方法一方面受測(cè)試裝置以及所用傳感器的精度限制，膨脹值與含濕率間關(guān)系易受測(cè)量誤差的影響，另一方面，通常測(cè)試的為試樣吸濕過程中的濕膨脹系數(shù)，不僅測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)(有可能需要幾十天)，且長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試時(shí)間里，電測(cè)量的時(shí)漂累積很大，導(dǎo)致測(cè)量失敗。因此，總的來說，目前濕膨脹系數(shù)的動(dòng)態(tài)測(cè)試，國(guó)內(nèi)外還未有成熟且統(tǒng)一的方法。

　　為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種抽濕條件下復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)的測(cè)試裝置及方法，通過自制的真空恒溫?cái)?shù)控測(cè)試裝置，并配合高精度的質(zhì)量和位移傳感器，采用逆向抽濕過程(即試樣由起始的吸濕飽和狀態(tài)，如95％相對(duì)濕度，通過抽真空加速去濕過程，快速達(dá)到干燥狀態(tài))來動(dòng)態(tài)檢測(cè)試樣質(zhì)量和長(zhǎng)度的變化，實(shí)現(xiàn)在抽濕條件下復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)的動(dòng)態(tài)測(cè)試；此測(cè)試方法可準(zhǔn)確得到試樣的濕膨脹數(shù)據(jù)，同時(shí)有效地縮短了測(cè)量時(shí)間，也避免了電測(cè)量?jī)x器固有時(shí)漂引入的測(cè)量偏差。

　　為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例做詳細(xì)的說明。

　　結(jié)合圖1所示，一種抽濕條件下復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)的測(cè)試方法，該測(cè)試方法是基于包括真空罐及位于真空罐內(nèi)的石英測(cè)試件、濕度傳感器7、溫度傳感器8、氣壓傳感器9、位移傳感器10和載荷傳感器11的測(cè)試裝置來實(shí)現(xiàn)的，載荷傳感器11與石英測(cè)試件頂端固定，用以測(cè)試試樣17的質(zhì)量變化；位移傳感器10固定在石英測(cè)試件上，用以測(cè)試試樣17的長(zhǎng)度變化；

　　抽濕條件下復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)的測(cè)試方法包括以下步驟：

　　s1、啟動(dòng)測(cè)量與控制程序，并將所述真空罐內(nèi)的濕度調(diào)節(jié)至飽和濕度；

　　s2、在常壓常溫以及飽和濕度環(huán)境下，將預(yù)處理后的試樣17置于真空罐內(nèi)，并將試樣17固定在石英測(cè)試件上，通過位移傳感器10記錄試樣17的初始長(zhǎng)度，通過載荷傳感器11記錄試樣17的初始質(zhì)量；

　　s3、密閉真空罐，抽真空，對(duì)試樣17進(jìn)行真空抽濕干燥處理；

　　s4、設(shè)定動(dòng)態(tài)采樣率，啟動(dòng)測(cè)量記錄程序，并通過濕度傳感器7、溫度傳感器8以及氣壓傳感器9分別采集所述真空罐內(nèi)的濕度、溫度以及氣壓數(shù)據(jù)，并通過位移傳感器10記錄試樣17的質(zhì)量變化量，通過載荷傳感器11記錄試樣17的長(zhǎng)度變化量；

　　s5、調(diào)節(jié)真空罐內(nèi)為常壓，停止測(cè)量與控制程序。

　　本發(fā)明實(shí)施例提供的抽濕條件下復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)的測(cè)試方法，將預(yù)先吸濕(可達(dá)到濕飽和)的試樣，采用逆向抽濕過程(也即在濕度降低過程中)來動(dòng)態(tài)檢測(cè)試樣質(zhì)量和長(zhǎng)度的變化，一方面，將試樣的吸濕過程提到測(cè)試前進(jìn)行，利用真空能顯著加速分子擴(kuò)散的基本原理，通過抽真空加快抽濕過程，使得試樣可快速達(dá)到干燥狀態(tài)，極大地縮短了測(cè)試時(shí)間，避免電測(cè)量?jī)x器由于測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)而引入固有時(shí)漂，導(dǎo)致測(cè)量出現(xiàn)偏差；另一方面，利用高精度的質(zhì)量傳感器和位移傳感器，可實(shí)現(xiàn)從0-95％間任定濕度條件下試樣的質(zhì)量和長(zhǎng)度變化的動(dòng)態(tài)測(cè)量，具有測(cè)試范圍寬、分辨率高等特點(diǎn)。

　　其中，測(cè)試試樣17的預(yù)處理過程具體為：將試樣17先在恒溫恒濕箱中進(jìn)行吸濕處理，使試樣17達(dá)到飽和濕度，經(jīng)預(yù)處理后的試樣17的相對(duì)濕度為95％。可以理解的是，試樣材料的不同，其吸濕處理時(shí)間不同，有的材料達(dá)到可能需要1周或幾周，在此，試樣預(yù)處理時(shí)間具體時(shí)間不做限定。相對(duì)于測(cè)試試樣吸濕過程中的濕膨脹系數(shù)，因?yàn)椴牧系脑颍沟糜锌赡茉谖鼭襁^程沒有達(dá)到平衡條件下測(cè)得試驗(yàn)結(jié)果，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不可靠。本發(fā)明實(shí)施例，通過將試樣的吸濕過程放在測(cè)試步驟之前，不僅有利于試樣在達(dá)到飽和濕度的情況下，進(jìn)行濕膨脹系數(shù)測(cè)量，同時(shí)減少了電測(cè)量?jī)x器的測(cè)量誤差，有效提高了測(cè)試準(zhǔn)確度。

　　本發(fā)明實(shí)施例提供的測(cè)試方法是基于抽濕條件下復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)的測(cè)試裝置來實(shí)現(xiàn)的。該測(cè)試裝置包括：真空罐及位于真空罐內(nèi)的石英測(cè)試件、濕度傳感器7、溫度傳感器8、氣壓傳感器9、位移傳感器10和載荷傳感器11，真空罐包括從上到下依次連接的第一測(cè)試室1、環(huán)境室2和第二測(cè)試室3，石英測(cè)試件貫穿環(huán)境室2，并在環(huán)境室2內(nèi)與試樣17可拆卸連接；石英測(cè)試件的頂端固定在第一測(cè)試室1內(nèi)并與載荷傳感器11連接，石英測(cè)試件的底端懸垂于第二測(cè)試室3內(nèi)；其中，石英測(cè)試件的頂端和石英測(cè)試件的底端在相對(duì)應(yīng)的位置分別設(shè)置有位移傳感器10。

　　此外，第一測(cè)試室1與環(huán)境室2之間、環(huán)境室2與第二測(cè)試室3之間均設(shè)置有流量閥，流量閥用以調(diào)節(jié)所述第一測(cè)試室1、環(huán)境室2和第二測(cè)試室3內(nèi)的氣壓；石英測(cè)試件與第一測(cè)試室1固定連接，且懸垂貫穿環(huán)境室2和第二測(cè)試室3，第一測(cè)試室1、環(huán)境室2和第二測(cè)試室3通過石英測(cè)試件連通；濕度傳感器7、溫度傳感器8和氣壓傳感器9均設(shè)置在環(huán)境室2內(nèi)；載荷傳感器11石英測(cè)試件頂端表面連接，用以測(cè)試試樣17的質(zhì)量變化；位移傳感器10固定在石英測(cè)試件的上下兩端，用以測(cè)試試樣17的長(zhǎng)度變化；其中，位移傳感器10和載荷傳感器11均與計(jì)算機(jī)控制與分析系統(tǒng)電連接。

　　通過將真空罐設(shè)置為分隔的三個(gè)腔體，可將放置位移傳感器10和載荷傳感器11的環(huán)境與測(cè)試試樣17的環(huán)境分隔開，避免測(cè)試環(huán)境的變化影響移傳感器10和載荷傳感器11的精密度，甚至由于濕度較大對(duì)損壞儀器造成損壞。

　　結(jié)合圖2所示，具體地，真空罐為可密閉抽真空的罐狀結(jié)構(gòu)，且從上到下，真空罐分為第一測(cè)試室1、環(huán)境室2和第二測(cè)試室3，第一測(cè)試室1和第二測(cè)試室3用于放置測(cè)量?jī)x器，環(huán)境室2用于放置試樣17，由于測(cè)量?jī)x器對(duì)環(huán)境溫度、濕度要求較高，而測(cè)試時(shí)需要調(diào)整環(huán)境濕度來檢測(cè)試樣17的質(zhì)量和長(zhǎng)度變化量，因此，環(huán)境室2的溫度、濕度以及壓力是需要可控的。為了同時(shí)滿足試樣17的測(cè)量和測(cè)量?jī)x器對(duì)環(huán)境的需求，第一測(cè)試室1、環(huán)境室2和第二測(cè)試室3之間通過密閉隔熱層6分隔開，這樣使得，在對(duì)環(huán)境室2進(jìn)行抽濕、保溫過程中，不會(huì)對(duì)第一測(cè)試室1和第二測(cè)試室3內(nèi)的環(huán)境產(chǎn)生影響，避免降低測(cè)量?jī)x器的精度。

　　為了便于對(duì)設(shè)置在環(huán)境室2內(nèi)的試樣17進(jìn)行測(cè)量，且提高測(cè)量準(zhǔn)確度，第一測(cè)試室1、環(huán)境室2和第二測(cè)試室3又必須在試樣17的測(cè)試處是連通的，因此，設(shè)置貫穿第一測(cè)試室1、環(huán)境室2和第二測(cè)試室3的石英測(cè)試件，且第一測(cè)試室1、環(huán)境室2和第二測(cè)試室3通過石英測(cè)試件連通，測(cè)量?jī)x器固定在石英測(cè)試件位于第一測(cè)試室1或第二測(cè)試室3的部位，將試樣17固定在石英測(cè)試件位于環(huán)境室2的部位上，在此情況下，就可以通過改變環(huán)境室2的濕度、溫度條件，測(cè)試試樣17在濕度下降過程中的質(zhì)量和長(zhǎng)度變化量，且環(huán)境室2模擬的抽濕過程時(shí)不會(huì)對(duì)測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生不利影響。可以理解的是，采用利用石英測(cè)試件是利用石英晶體對(duì)溫度、濕度的膨脹系數(shù)較小，可以作為尺寸測(cè)試標(biāo)度，保證了復(fù)合材料的濕膨脹性能測(cè)試的準(zhǔn)確性。

　　可以理解的是，動(dòng)態(tài)測(cè)量是指由傳感器測(cè)得非電物理信號(hào)，然后轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過放大、濾波等適調(diào)環(huán)節(jié)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理顯示。在本發(fā)明實(shí)施例中，位移傳感器10和載荷傳感器11均與計(jì)算機(jī)控制與分析系統(tǒng)電連接，計(jì)算機(jī)控制與分析系統(tǒng)是將動(dòng)態(tài)信號(hào)采集、顯示、存貯、分析集成一體的儀器設(shè)備，一般有2-4個(gè)輸入通道，一個(gè)信號(hào)源輸出，且每個(gè)輸入通道由程控放大器、抗混濾波器、采樣/保持器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成；通過計(jì)算機(jī)控制與分析系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確獲取預(yù)設(shè)的每一時(shí)間采樣點(diǎn)的質(zhì)量變化量和位移變化量結(jié)果。

　　此外，載荷傳感器11為日本島津公司生產(chǎn)的auw-d系列天平，其最大量程為80g，質(zhì)量分辨率為0.01mg。位移傳感器10為日本基恩士公司生產(chǎn)的激光位移傳感器10lk-g10，此位移傳感器10為非接觸式，通過接收反射光的大小來確定位移，最大量程為2000μm，長(zhǎng)度分辨率為0.05μm。利用高精度的載荷和位移傳感器，可以極大提高抽濕條件下復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)的測(cè)試精確度，提高對(duì)復(fù)合材料濕穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)可靠度。

　　結(jié)合圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的測(cè)試裝置，通過在真空罐中分別設(shè)置檢測(cè)室和環(huán)境室2，且設(shè)置貫穿連通上述三室的石英測(cè)試件，將試樣17模擬抽濕環(huán)境與對(duì)試樣17的檢測(cè)環(huán)境分開，這樣不僅可以利用高精度的位移傳感器10和載荷傳感器11對(duì)試樣17的質(zhì)量和長(zhǎng)度變化量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，且測(cè)試過程中不會(huì)影響測(cè)量?jī)x器的精度，滿足復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)精度的測(cè)試要求，得到的試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，利于分析和研究，滿足工程設(shè)計(jì)使用要求。

　　其中，石英測(cè)試件包括石英管式基準(zhǔn)架4和石英桿5，石英管式基準(zhǔn)架4為中空結(jié)構(gòu)，石英桿5頂端在第一測(cè)試室1內(nèi)與石英管式基準(zhǔn)架4固定連接且位于石英管式基準(zhǔn)架4的中空腔內(nèi)；石英桿5包括貫穿第一測(cè)試室1和環(huán)境室2的第一連接段以及貫穿環(huán)境室2和第二測(cè)試室3的第二連接段，第一連接段和第二連接段之間留有容置試樣17的距離。

　　具體地，由于石英測(cè)試件用于固定試樣17，且貫穿連通第一測(cè)試室1、環(huán)境室2和第二測(cè)試室3，在本發(fā)明實(shí)施例中，將石英測(cè)試件設(shè)置為頂端固定在第一測(cè)試室1上的石英管式基準(zhǔn)架4和活動(dòng)連接在石英管式基準(zhǔn)架4內(nèi)部的石英桿5，石英管式基準(zhǔn)架4為呈“i”型的中空的管式結(jié)構(gòu)，且“i”型結(jié)構(gòu)的橫段分別位于第一測(cè)試室1和第二測(cè)試室3內(nèi)，“i”型結(jié)構(gòu)的豎段位于環(huán)境室2內(nèi)。相應(yīng)地，石英桿5為分離的兩段式結(jié)構(gòu)，第一連接段跨越第一測(cè)試室1和環(huán)境室2的上部分，第二連接段跨越環(huán)境室2的下部分和第二測(cè)試室3，第一連接段與第二連接段的距離小于或等于試樣17的長(zhǎng)度，這樣就可以將試樣17的兩端分別與第一連接段和第二連接段固定，將試樣17的長(zhǎng)度變化量轉(zhuǎn)移到石英桿5的位移變化上，以此對(duì)試樣17的長(zhǎng)度變化量進(jìn)行測(cè)量。

　　由于石英桿5為兩段式結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地，本發(fā)明實(shí)施例的位移傳感器10設(shè)置有兩個(gè)，兩個(gè)位移傳感器10分別位于處于第一測(cè)試室1和第二測(cè)試室3內(nèi)的石英管式基準(zhǔn)架4的中空腔內(nèi)，并分別設(shè)置在第一連接段與第二連接段的兩端，兩個(gè)位移傳感器10置呈垂直布置，且安裝在相應(yīng)位置的固定板上。固定板為套設(shè)在石英桿5外壁，并沿外壁向垂直中心軸方向向外延伸的板狀結(jié)構(gòu)，這樣使兩個(gè)位移傳感器10相對(duì)設(shè)置，可以保證其檢測(cè)精度。

　　載荷傳感器11用于測(cè)量試樣17的質(zhì)量，其位于石英管式基準(zhǔn)架4的頂端，石英管式基準(zhǔn)架4的頂端還設(shè)置有容納石英桿5穿過的通孔，第一連接段上端穿過通孔與載荷傳感器11固定連接；第二連接段為可活動(dòng)段，當(dāng)試樣17固定在第一連接段和第二連接段之間后，三者形成一整體構(gòu)件，并懸垂在石英管式基準(zhǔn)架4的中空腔內(nèi)，此時(shí)，載荷傳感器11可以實(shí)時(shí)測(cè)量此整體構(gòu)件的質(zhì)量變化，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣17的質(zhì)量變化量的測(cè)量。

　　為了提高試樣17的連接穩(wěn)定性，第一連接段位于環(huán)境室2內(nèi)的一端和第二連接段位于環(huán)境室2內(nèi)的一端均設(shè)有u形槽和連接孔，u形槽適于與試樣17卡接，連接孔適于通過銷釘與試樣17可拆卸連接。當(dāng)然，試樣17在相應(yīng)位置也設(shè)置有與銷釘匹配的連接孔，在安裝過程中，先將試樣17的兩端分別卡在第一連接段和第二連接段上的u形槽內(nèi)，然后將銷釘穿過試樣17和石英桿5上的連接孔，并固定。這樣在卡接和銷釘連接的共同作用下，提高了試樣17的連接穩(wěn)定性，避免在測(cè)試過程中試樣17出現(xiàn)晃動(dòng)甚至脫落，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)誤差。

　　可以理解的是，為了調(diào)控真空罐內(nèi)的濕度、溫度以及氣壓，使之達(dá)到測(cè)試條件，在第一測(cè)試室1的外壁設(shè)置有真空閥13、干燥氣閥14，真空閥13可以調(diào)節(jié)真空罐內(nèi)的真空度，干燥氣閥14保證第一測(cè)試室1內(nèi)處于干燥環(huán)境；環(huán)境室2的外壁上設(shè)置有恒濕空氣閥15，通過恒濕空氣閥15可以調(diào)節(jié)環(huán)境室2的濕度，模擬試樣17的抽濕過程；第二測(cè)試室3的外壁上設(shè)置有干燥氣閥14，該干燥氣閥14同樣用于保證第二測(cè)試室3內(nèi)處于干燥環(huán)境。其中，第一測(cè)試室1與環(huán)境室2之間、環(huán)境室2與第二測(cè)試室3之間均設(shè)置有流量閥16，流量閥16與干燥氣閥14連接，調(diào)節(jié)流量閥16，可以使得3個(gè)室的氣壓相等。

　　此外，環(huán)境室2內(nèi)設(shè)有濕度傳感器7、溫度傳感器8和氣壓傳感器9，用于檢測(cè)環(huán)境室2內(nèi)的溫度、濕度以及空氣壓力，且濕度傳感器7、溫度傳感器8和氣壓傳感器9均與計(jì)算機(jī)控制與分析系統(tǒng)電連接，便于計(jì)算機(jī)控制與分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄和調(diào)控試樣17的模擬抽濕環(huán)境，提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度。同時(shí)，環(huán)境室2內(nèi)還設(shè)有紅外熱源12，紅外熱源12與溫度傳感器8電連接，用以控制環(huán)境室2內(nèi)的溫度。

　　在本發(fā)明提供的一種抽濕條件下復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)的測(cè)試方法中，步驟s1，所述的將所述真空罐內(nèi)的濕度調(diào)節(jié)至飽和濕度，具體過程包括：向第一測(cè)試室1和第二測(cè)試室3注入干燥空氣，向環(huán)境室2注入恒濕空氣，并通過設(shè)置在第一測(cè)試室1與環(huán)境室2之間、環(huán)境室2與第二測(cè)試室3之間的流量閥16，調(diào)節(jié)環(huán)境室2內(nèi)的濕度至飽和濕度。

　　具體地，通過計(jì)算機(jī)控制與分析系統(tǒng)，啟動(dòng)測(cè)量與控制程序，關(guān)閉設(shè)置在第一測(cè)試室1上的真空閥13，打開設(shè)置在第一測(cè)試室1和第二測(cè)試室3上的干燥氣閥14和設(shè)置在環(huán)境室2上的恒濕空氣閥15，并打開設(shè)置在第一測(cè)試室1與環(huán)境室2之間、環(huán)境室2與第二測(cè)試室3之間的流量閥16，調(diào)節(jié)環(huán)境室2內(nèi)的濕度至飽和濕度。

　　先將試樣17進(jìn)行吸濕處理，盡量增大試樣17的含水量至濕飽和狀態(tài)，增大了后續(xù)抽濕過程中試樣17的測(cè)試上限，擴(kuò)大濕度測(cè)試范圍，避免由于試樣17沒有達(dá)到濕度平衡，而影響測(cè)試精度。

　　且在本發(fā)明實(shí)施例中，流量閥16與恒濕空氣閥15(95％rh)和干燥氣閥3相連，調(diào)節(jié)流量閥16的閥門，使得3個(gè)腔室的氣壓相等，這樣第一測(cè)試室1和第二測(cè)試室3是干燥氣，而環(huán)境室2是等壓的設(shè)定濕度的空氣。通過流量控制使得環(huán)境室2達(dá)到所需要的恒定濕度，若流量過小會(huì)延長(zhǎng)環(huán)境室達(dá)到設(shè)定濕度所需要的時(shí)間，因此，在本發(fā)明實(shí)施例中，優(yōu)選地，流量閥16的流量控制為8-10ml/min。

　　在步驟s2中，在常壓常溫以及飽和濕度環(huán)境下，將達(dá)到濕飽和的試樣17置于上述測(cè)試裝置內(nèi)，具體的使試樣17的上下兩端分別于石英桿5的第一連接段和第二連接段固定連接，以保證試樣17的安裝穩(wěn)定性。通過設(shè)置在環(huán)境室2內(nèi)的濕度傳感器7、溫度傳感器8和氣壓傳感器9實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境室2內(nèi)的濕度、氣壓，以及試樣17表面的溫度，實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)會(huì)傳遞到計(jì)算機(jī)控制與分析系統(tǒng)，還通過位移傳感器10記錄試樣17的初始長(zhǎng)度l0，通過載荷傳感器11記錄試樣17的初始質(zhì)量m0，相應(yīng)地，記錄數(shù)據(jù)也會(huì)傳遞至計(jì)算機(jī)控制與分析系統(tǒng)。

　　在步驟s3中，啟動(dòng)測(cè)量記錄程序前，通常設(shè)定動(dòng)態(tài)采樣率，設(shè)定動(dòng)態(tài)采樣率可以細(xì)化抽濕過程中，每一采樣點(diǎn)的質(zhì)量和長(zhǎng)度變化量，而可以知道的是，采樣點(diǎn)越多，根據(jù)采樣點(diǎn)做出的變化曲線圖越準(zhǔn)確，也即越能反應(yīng)抽濕過程中，試樣17長(zhǎng)度與質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化。在本發(fā)明實(shí)施例中，優(yōu)選地，將動(dòng)態(tài)采樣率設(shè)置為1個(gè)/秒。

　　設(shè)定動(dòng)態(tài)采樣率，啟動(dòng)測(cè)量記錄程序，密閉所述真空罐，抽真空，對(duì)試樣17進(jìn)行真空抽濕干燥處理，具體過程包括：關(guān)閉干燥氣閥14、恒濕空氣閥15和流量閥16，以密閉真空罐，然后打開真空閥13，對(duì)真空罐進(jìn)行抽真空處理，抽真空至真空罐內(nèi)的氣壓小于1×10-1mpa，同時(shí)打開紅外熱源12對(duì)環(huán)境室2進(jìn)行升溫，控制環(huán)境室2溫度為25±1℃，且在溫度和壓力條件下，對(duì)試樣17進(jìn)行抽濕處理，抽濕處理的時(shí)間為7-8h。

　　步驟s4中，通過采集的濕度、溫度以及氣壓數(shù)據(jù)，以及通過位移傳感器10記錄試樣17的質(zhì)量變化量δm，通過載荷傳感器11記錄試樣17的長(zhǎng)度變化量l0，并結(jié)合在步驟s3中記錄的試樣17的初始長(zhǎng)度和初始質(zhì)量m0，通過下式可以計(jì)算得到每一濕度下的濕膨脹系數(shù)cme：

　　cme＝(δl/l0)/(δm/m0)

　　根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，可形成如圖3所示的空氣壓力、濕度和時(shí)間關(guān)系曲線、圖4所示的空氣濕度、溫度和時(shí)間關(guān)系曲線、圖5所示的抽濕過程中長(zhǎng)度變化量與時(shí)間關(guān)系曲線、圖6所示的抽濕過程中質(zhì)量變化量與時(shí)間關(guān)系曲線。根據(jù)圖3-6的變化曲線圖，可以查詢計(jì)算出0-95％濕度范圍內(nèi)，任一濕度下的長(zhǎng)度和質(zhì)量變化，而根據(jù)這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)帶入上述濕膨脹系數(shù)cme計(jì)算公式，即可從0至95％間任定濕度條件下抽濕過程的質(zhì)量和長(zhǎng)度變化的動(dòng)態(tài)測(cè)量，以此表征各種纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)濕變形情況，為之后的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

　　為進(jìn)一步提高測(cè)試準(zhǔn)確性，在步驟s5停止測(cè)量與控制程序后，還包括步驟s6、將樣品更換為標(biāo)準(zhǔn)石英試樣，并重復(fù)步驟s1-s5，以測(cè)試與試樣相同測(cè)試環(huán)境下的背底信號(hào)。

　　且由于本發(fā)明實(shí)施例選擇質(zhì)量分辨率為0.01mg的載荷傳感器11，長(zhǎng)度分辨率為0.05μm的位移傳感器10，因此，在獲得動(dòng)態(tài)測(cè)量參數(shù)的同時(shí)，其測(cè)量精度較高，滿足工程設(shè)計(jì)使用要求。

　　可以理解的是，工程設(shè)計(jì)所需要的復(fù)合材料濕膨脹數(shù)據(jù)所用試樣17要盡量大，保證達(dá)到一定的抽濕表面積與質(zhì)量比，美標(biāo)通常為200mm＊40mm＊2mm,試樣17質(zhì)量達(dá)到幾十克，而目前現(xiàn)有的濕膨脹系數(shù)測(cè)試方法由于裝置和精度的限制，只能使用尺寸較小的試樣17，均達(dá)不到美標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。

　　而在本發(fā)明實(shí)施例中，通過采用自制的抽濕條件下復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)的測(cè)試裝置，且配合高精度的載荷和位移傳感器10，所測(cè)試的試樣17尺寸可以為200mm＊50mm＊2mm，充分滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。試樣17優(yōu)選為：碳纖維增強(qiáng)氰酸酯基復(fù)合材料層壓板，該復(fù)合材料的濕膨脹系數(shù)較小，是通用的較優(yōu)異的材料。

　　可以理解的是，本發(fā)明的初衷是提供一種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，而標(biāo)準(zhǔn)通常主要規(guī)范方法，其具體測(cè)試條件(如溫度、濕度)需要根據(jù)工程實(shí)際需求來定。因此，本發(fā)明實(shí)施例雖然提供了以碳纖維增強(qiáng)氰酸酯基復(fù)合材料層壓板為試樣17的測(cè)試裝置以及測(cè)試方法，但這只是為了更方便描述而采用的實(shí)施例，并不構(gòu)成對(duì)測(cè)試裝置以及測(cè)試方法的限定；在其他實(shí)施例中，可以根據(jù)選擇的試樣17的不同，對(duì)測(cè)試裝置以及測(cè)試條件進(jìn)行適應(yīng)性的調(diào)整。

　　雖然本公開披露如上，但本公開的保護(hù)范圍并非僅限于此。本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本公開的精神和范圍的前提下，可進(jìn)行各種變更與修改，這些變更與修改均將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。