СПОСОБ ФИКСАЦИИ КЕРАМИЧЕСКОГО ВОЛОКНА В ЗАЖИМАХ РАЗРЫВНОЙ МАШИНЫ И ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CERAMIC FIBRE FIXATION IN PULL-TEST MACHINE GRIPS AND DEVICE FOR METHOD IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам испытаний волокон на прочность при растяжении, в частности к способам захвата волокна в зажимах разрывной машины, и к приспособлениям для осуществления таких способов, и может быть использовано в химической, авиационной промышленности.
Известен способ крепления тонких волокон с помощью зажимного устройства, устанавливаемого на разрывной машине. Зажимное устройство включает верхнюю и нижнюю полые иглы, закрепленные в зажимах разрывной машины. Волокно, приклеенное к направляющей проволоке, пропускают через полость совмещенных полых игл, после чего с помощью клея крепят концы волокна к ведущим иглам (Заявка на изобретение JP 2010145343, опубл. 01.07.2010 г.).
Недостатком этого способа крепления является то, что клей может ненадежно фиксировать концы керамического волокна, такого как монокристаллическое волокно оксида алюминия, борное или волокно карбида кремния. Это приведет к получению некорректных результатов испытаний, как модуля упругости, который рассчитывают из кривой «напряжение-деформация», если волокно будет вытягиваться из игл по клею, так и прочности, если волокно будет рваться внутри иглы или на выходе из нее. При вытягивании (проскальзывании) волокна в местах склейки их концов кривая «напряжение-деформация» имеет другие характеристики (наклон), так как учитывает не только упругую деформацию волокна, но и усилие, возникающее при вытягивании волокна из иглы за счет пластической деформации клея, а разделить вклад каждого показателя невозможно.
Известен способ фиксации волокна в спиральных зажимах испытательной машины - волокно наматывают на цилиндрический барабан, на поверхность которого нанесена по спирали канавка, в которой размещено волокно (Патент РФ 2238536, опубл. 20.10.2004 г.).
Недостатком такого способа фиксации волокна является то, что высокомодульные волокна, такие как монокристаллические волокна оксида алюминия, несмотря на их высокую прочность, невозможно намотать на барабан приемлемого для разрывной машины диаметра из-за их ломкости.
В качестве ближайшего аналога предлагаемого изобретения выбран способ закрепления волокон с помощью приспособления для фиксации в виде картонных держателей. Приспособление для фиксации представляет собой рамку, состоящую из двух одинаковых частей из тонкого картона, имеющих прямоугольные отверстия длиной, равной базовой длине. Волокна в приспособлении фиксируют с помощью клея между двумя частями рамки таким образом, чтобы волокно простиралось вдоль прямоугольного отверстия, и закрепляют приспособление с волокном в зажимах разрывной машины (ГОСТ 10213.2-2002).
Недостатком данного способа является то, что гладкие и прочные керамические волокна ненадежно приклеиваются к картонной рамке, в результате чего происходит выскальзывание волокна из рамки, либо его ломка на границе или в зоне приклеивания при закреплении рамки в зажимах разрывной машины, что ведет к низкой точности результатов испытаний волокна.
Технической задачей данного изобретения является разработка способа фиксации керамического волокна в зажимах разрывной машины и приспособления для его осуществления, обеспечивающих повышение надежности крепления волокна и повышение точности результатов испытаний.
Для решения поставленной задачи предложен способ фиксации керамического волокна, при котором фиксируют волокно в приспособлении для фиксации и закрепляют приспособление с волокном в зажимах разрывной машины, отличающийся тем, что перед фиксацией волокна в приспособлении на оба конца волокна прикрепляют стеклянные шарики диаметром больше диаметра волокна, используют пару втулок в качестве приспособления для фиксации, причем каждая втулка снабжена отверстием с конической частью.
Стеклянные шарики можно прикрепить на волокно и разместить волокно в приспособлении для фиксации в следующей последовательности: на один из концов волокна прикрепляют первый стеклянный шарик, волокно размещают в первой втулке таким образом, что шарик на конце волокна фиксируют в конической части ее отверстия, размещают волокно через свободный его конец во второй втулке, которую располагают зеркально по отношению к первой, прикрепляют к свободному концу волокна второй стеклянный шарик и размещают его в конической части отверстия второй втулки.
При фиксации волокна можно дополнительно использовать связующее, наносимое на поверхность конической части отверстия втулки. В качестве связующего может быть использована эпоксидная смола.
Волокно в приспособлении для фиксации можно центрировать на столе, имеющем ряд отверстий для размещения в них втулок с волокном, причем рабочая поверхность стола предварительно юстируется по уровням в двух направлениях.
Стеклянные шарики можно прикрепить к волокну путем приваривания с помощью газовой горелки.
Разработано также приспособление для фиксации волокна по вышеуказанному способу, которое включает первую и вторую втулки, каждая из которых содержит первую цилиндрическую часть с внутренним диаметром больше диаметра шарика, коническую часть с углом при вершине не менее 70 и не более 100 градусов и вторую цилиндрическую часть с внутренним диаметром больше диаметра волокна, но меньше диаметра стеклянного шарика.
На Рис.1 представлена первая (верхняя) втулка предлагаемого приспособления для фиксации волокна.
На Рис.2 схематично представлено волокно, размещенное в устройстве для фиксации согласно предлагаемому способу.
Каждая втулка (см. Рис.1) снабжена отверстием, имеющим первую цилиндрическую часть отверстия втулки (1) с внутренним диаметром больше диаметра шарика, коническую часть отверстия втулки с углом при вершине не менее 80 и не более 90 градусов (2) и вторую цилиндрическую часть отверстия втулки диаметром больше диаметра волокна, но меньше диаметра стеклянного шарика (3).
Для фиксации волокна в устройстве втулки располагают зеркально одну относительно другой (см. Рис.2). Волокно (6) (l - базовая длина волокна) зафиксировано в устройстве таким образом, что первый стеклянный шарик (5), прикрепленный на одном конце волокна, расположен в конической части отверстия первой втулки (4), а второй стеклянный шарик (7), прикрепленный ко второму концу волокна, расположен в конической части отверстия второй втулки (8). Закрепленное таким образом волокно дополнительно фиксируют связующим и центрируют на столе с юстированной поверхностью, имеющем ряд отверстий под втулки. Приспособление с зафиксированным волокном закрепляют в зажимном устройстве с крепежными отверстиями под размеры втулок, которое устанавливают в стандартные держатели на разрывной машине для проведения испытаний.
Благодаря тому, что волокно предварительно закреплено в приспособлении и зафиксировано в нем с помощью связующего, обеспечено прецизионное центрирование волокна в зажимах разрывной машины и его надежная фиксация, что в результате обеспечивает повышение точности результатов испытаний.
Примеры осуществления
Пример 1
Были изготовлены металлические втулки, имеющие размеры и геометрию, представленные на Рис.1. На торцы образцов монокристаллического волокна оксида алюминия диаметром 250 мм и длиной 300 мм приваривали стеклянные шарики и размещали волокно в приспособлении для фиксации в следующей последовательности:
- сначала на один из концов волокна с помощью газовой горелки приварили стеклянный шарик,
- затем размещали волокно в первой втулке таким образом, чтобы шарик на конце волокна оказался в конической части ее отверстия,
- надевали на волокно вторую втулку зеркально относительно первой втулки через свободный его конец и приварили с помощью газовой горелки к свободному концу волокна стеклянный шарик,
- размещали стеклянный шарик в конической части отверстия второй втулки.
Прецизионное центрирование волокна в приспособлениях для фиксации осуществляли на специальном металлическом столике, имеющем ряд отверстий конической формы и прорези от края столика к отверстию для проводки волокна. Для этого разместили в отверстиях столика первые втулки приспособления для фиксации таким образом, чтобы размещенные в них волокна с подвешенными снизу вторыми втулками оказались с нижней стороны столика, и нанесли под каждый шарик подготовленную эпоксидную смолу. После этого прикрепили ко вторым втулкам отвесы и дали связующему затвердеть. Затем извлекли приспособления с фиксированным волокном из отверстий столика для центрирования и разместили их по очереди в зажимное устройство для испытаний в разрывной машине.
Результаты испытаний представлены в таблице.
Пример 2
Образцы волокон карбида кремния закрепляли в приспособлении для фиксации и испытывали аналогично примеру 1.
Пример 3
Образцы борных волокон закрепляли в приспособлении для фиксации и испытывали аналогично примеру 1.
Пример 4 (по ближайшему аналогу)
Монокристаллическое волокно оксида алюминия закрепили в картонных рамках-держателях с помощью клея «Момент». Испытания проводили на разрывной машине «Инстрон» при идентичных условиях.
Таблица
№ испытания
Диаметр волокна (d), мкм
Показания разрывной машины (Р), кгс
Прочность на разрыв (σ<sub>B</sub> при 20°C, МПа (σ<sub>B</sub>=P/(πd<sup>2</sup>/4))
Примечания
Пример 1. Волокно Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1
300
13,8
1940
Разрыв по волокну по испытаниям 1-8.
2
300
13,7
1930
3
300
13,4
1890
4
300
14,1
1980
5
300
14,3
2010
6
460
10,5
1980
7
460
10,3
1940
8
460
10,6
2000
Пример 2. Волокно SiC
1
6,0
3720
Разрыв по волокну по испытаниям 1-8.
2
6,0
3720
3
6,9
3720
4
140
6,2
3830
5
6,2
3800
6
5,9
3690
7
5,9
3695
8
6,1
3790
Пример 3. Борное волокно
1
136
5,1
3500
Разрыв по волокну по испытаниям 1-8.
2
135
5,0
3510
3
138
5,3
3520
4
137
5,2
3530
5
138
5,3
3540
6
137
5,2
3550
7
137
5,2
3550
8
135
5,1
3510
Пример 4. (по прототипу) Волокно Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1
460
7,70
1045
Волокно выскользнуло из зажима. Волокно оторвалось по границе рамки. Волокно выскользнуло из зажима.Волокно оторвалось на расстоянии <1 мм от границы рамки.
2
460
8,40
555
3
460
7,90
505
4
460
8,10
520
5
250
6,25
1250
6
250
6,70
1340
7
250
4,50
900
8
250
5,80
1160
Из таблицы видно, что результаты испытаний монокристаллических волокон по примерам 1-3 имеют малый разброс значений и не имеют результатов, не учитываемых из-за выскальзывания из картонных держателей или обрыва менее 1 мм от зажима, тогда как результаты испытаний по примеру 4 (прототипу) имеют до 50% не учитываемых результатов, а остальные показывают большой разброс данных.
Таким образом, предложенные способ и приспособление для фиксации керамических волокон в зажимах разрывной машины обеспечивают повышение надежности фиксации волокон и точности полученных результатов испытаний на разрывной машине.