聲速模量法測(cè)量原理

聲速法是通過(guò)對(duì)聲波在材料中傳播速度的測(cè)定，來(lái)計(jì)算材料的取向度和模量的。其原理是由于纖維材料中大分子鏈取向而導(dǎo)致聲波傳播的各向異性。在理想的取向情況下，在聲波沿纖維軸方向傳播時(shí)，其傳播方向與纖維大分子鏈平行，此時(shí)聲波是通過(guò)大分子內(nèi)的主價(jià)鍵的振動(dòng)傳播的，其聲速值最大。而當(dāng)聲波傳播方向與纖維分子鏈垂直時(shí)，依靠大分子間次價(jià)鍵的振動(dòng)而傳播，此時(shí)聲速最小。實(shí)際上大分子鍵總不是沿纖維軸成理想的取向襖態(tài)，因此各種纖維的實(shí)際聲速值總是小于理想的聲速值。圖為聲波在纖維中傳播的示意圖。

國(guó)內(nèi)碳纖維的生產(chǎn)發(fā)展很快，質(zhì)量不穩(wěn)定是個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題，所以在生產(chǎn)過(guò)程中，在線實(shí)時(shí)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控和檢測(cè)成為迫切需要解決的課題。一般是在生產(chǎn)過(guò)程中或生產(chǎn)結(jié)束后抽樣進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試方法麻煩，費(fèi)時(shí)間，不能及時(shí)反應(yīng)問(wèn)題，而且還影響連續(xù)化生產(chǎn)。文獻(xiàn)中曾試圖用.碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中密度的變化進(jìn)行檢測(cè)，但這種方法不能用于在線監(jiān)控。

由于模量是碳纖維質(zhì)量的重要標(biāo)志，也是檢測(cè)的重要指標(biāo)，采用聲速法測(cè)定模量，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化，以利于確定最佳工藝條件，制出優(yōu)質(zhì)碳纖維，也有助于研究碳纖維的制造過(guò)程及其機(jī)理。

聲速測(cè)定儀包括樣品支架和電氣控制箱兩部分組成。圖為樣品支架示意圖。樣品支架的兩端分別裝有發(fā)射晶體和接收晶體換能器，被測(cè)纖維試樣的一端被固定夾持，另一端通過(guò)小滑輪掛一個(gè)夾持法碼，形成一定的張力，然后將試樣輕輕地放在發(fā)射晶體和接收晶體換能器上，使其接觸良好。接收晶體換能器可通過(guò)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以改變測(cè)試距離。

環(huán)形振蕩器輸出具有一定幅度和寬度的脈沖，分成兩路。一路經(jīng)功放電路后去推動(dòng)發(fā)射晶體，另一路去控制單穩(wěn)電路，使之輸出寬度固定的脈沖。當(dāng)試樣支架上放上纖維試樣時(shí)，由發(fā)射晶體產(chǎn)生的聲脈沖經(jīng)試樣立即傳遞到接收晶體換能器并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大以后來(lái)控制單穩(wěn)電路，使單穩(wěn)電路按照測(cè)試要求提前恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。單穩(wěn)電路從進(jìn)入暫態(tài)到提前恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間T就是所測(cè)的試樣聲速值。此試樣聲速值經(jīng)單片機(jī)計(jì)算處理以后，顯示和打印出來(lái)。 2100433B

由于應(yīng)力導(dǎo)前應(yīng)變一個(gè)相位角，使得應(yīng)變分成了兩個(gè)部分，第一部分為彈性貢獻(xiàn)，與應(yīng)變成線性關(guān)系，第二部分為粘性貢獻(xiàn)，與應(yīng)變速率成線性關(guān)系。即彈性響應(yīng)與粘性響應(yīng)分別造成各自的應(yīng)力，其線性加和就是材料的總應(yīng)力。

公式：E(t)=|σ(t)|/|ε(t)|=σ/ε(1)

式中:E(t)為動(dòng)態(tài)模量;σ(t)、ε(t)為應(yīng)力和應(yīng)變時(shí)間函數(shù);σ、ε分別為應(yīng)力和應(yīng)變的振幅。

由于相位差的存在，動(dòng)態(tài)模量是一個(gè)復(fù)數(shù)，G=G’ iG’’，G’是彈性響應(yīng)的系數(shù)，稱為儲(chǔ)能模量；G’’/ω為黏性響應(yīng)的系數(shù)，故稱為損耗模量。G’和G’’合稱動(dòng)態(tài)模量

tangentmodulus

在靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上每點(diǎn)的斜率，稱為正切模量。通常塑性材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線是非線性的，一般來(lái)說(shuō)某點(diǎn)的正切模量是由該點(diǎn)附近應(yīng)力變化量與應(yīng)變變化量之比進(jìn)行計(jì)算。塑性材料不同于金屬材性，它具有黏彈性，這就導(dǎo)致力與形變關(guān)系不是線性關(guān)系。工程上希望知道其相關(guān)模量，從而提出正切模量。該模量只能看作是非彈性極限范圍內(nèi)的宏觀的模量的一種表述，為設(shè)計(jì)提供一種參考。