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碳纤维丝束展开性测试方法

目 次

前 言 II

范围 1

原理 1

测试仪器及设备 1

试样要求 1

测试条件和测试步骤 5

数据分析步骤、计算结果与表示 5

测试报告 7

注意事项 7

I

II

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碳纤维丝束展开性测试方法

范围

本标准规定了碳纤维丝束展开性测试方法的试验原理、试验仪器与设备、试验条件、试验步骤、试验结果和测试报告记录要求、注意事项。

本标准适用于1K至12K碳纤维丝束展开性的测试，对于其他丝束大小的碳纤维也可参照执行。

原理

电机驱动碳纤维纱锭放卷，碳纤维丝束在一定牵引张力作用下，按照设定的速度依次通过3组控制温度和角度的展丝棒，然后经过图像采集装置，其展开宽度的实时图像被采集并传入计算机中，最后经过软件处理即可得到不同时刻碳纤维丝束展开宽度的实测值。

测试仪器及设备

碳纤维丝束展开性测试方法所用测试仪器分为五个部分：驱动纱架、展丝加热、图像采集、五辊驱动和收丝机。其中，驱动纱架用于碳纤维纱锭的放卷，展丝加热用来展开并加热纤维丝束，图像采集可以实时测量碳纤维丝束的展开宽度，五辊驱动在整线系统中为丝束运行提供动力，收丝机用于收卷展开后的碳纤维丝束。具体测试装置如图1所示。

图1碳纤维丝束展开性测试装置

其中，驱动纱架（如图2所示）的左侧有一人机操作界面HMI，可以给定电机频率（即整线走丝速度）和红外加热温度，如图3所示。此外，驱动纱架上还有张力调节及显示装置，如图4所示。在调节张力时，只需把扭簧组件拉出来旋转，再缩回面板凹槽即可。其中，顺时针旋转张力变大，逆时针旋转张力变小。

图2驱动纱架

图3人机操作界面

图4张力控制装置：(a)显示装置；(b)调节装置

展丝加热（如图5所示）可以用来加热碳纤维丝束并对其展开。在丝束经过展辊时，可以通过调节展辊与丝束之间的包角来调节丝束的展开宽度。具体操作步骤为：先把图6中的星型螺栓和M20的六角螺母拧松，然后双手握住双柄手柄，转动手柄到合适位置再锁紧即可。碳纤维丝束的实际温度则通过红外测温仪测量。其中，红外测温仪的探头必须对准碳纤维，以保证温度检测点能反映实际加热情况。

图5展丝加热装置

图6展辊方向调节装置

图像采集（如图7所示）主要由双远心成像系统、精密仪器三脚架和计算机组成。其中，双远心系统主要包括数字相机、双远心镜头、光学带通滤波片、单色环形光源和光源控制器，如图8所示。

图7图像采集装置

图8双远心成像系统

试样要求

碳纤维束，每个试样长度≥100m。

每组试验测3个试样。

测试条件和测试步骤

测试条件

试验环境条件：温度为（23±2）℃；相对湿度为（50±10）%。

试样状态条件：试验前，试样在实验室标准环境条件下至少放置24h。

测试步骤

将碳纤维纱锭放置在驱动纱架上，使其按顺时针方向放卷，并按照走丝方向依次通过展丝加热、图像采集、五辊驱动，最终缠绕在固定在收丝机的碳纤维卷筒上。

调整成像系统中镜头的位置、高度及光源亮度等参数，使纤维丝束的轮廓能在图像采集软件界面清晰显示，如图9所示。在本文所建立的非接触式图像采集系统中，镜头与试样表面的距离为（67±0.2）mm。

将检定过的刻度尺（其测量不确定度U=0.02mm）与碳纤维丝束放在同一高度，精确标定测量系统的测量比K，如图10所示。在本文所建立的非接触式图像采集系统中，K值一般为（101±1）像素/mm。

撤除刻度尺，调节牵引张力、丝束与展辊包角到设定值，并通过人机操作界面给定走丝速度和红外加热温度，使碳纤维丝束按规定走向平稳运行。其中，走丝速度所对应的电机频率优选10Hz，牵引张力不超过300g。此外，在本文所建立的展开性测试装置中，可以适当增加红外加热温度和丝束与展辊包角来增加丝束展开宽度。

待走丝速度和牵引张力稳定（即驱动纱架和收丝机上扭簧的位置固定不变）且展丝区温度达到测试温度后，启动图像采集装置，并按照设定的采样频率（30fps）进行碳纤维丝束展开宽度图像的采集，所采集图像的大小为2448×2048像素，其数量应该不少于30。

用计算机中的图像分析软件依次计算每张图像中丝束宽度所占的单位像素块数量，再根据测量比K计算碳纤维丝束的实际展开宽度，并求出其平均值。

图9图像采集软件界面碳纤维轮廓图

图10测量比K标定过程示意图

数据分析步骤、计算结果与表示

碳纤维丝束的展开宽度按照公式（1）计算：

W=d/K （1）

式中：W为展开宽度，单位为mm；d为测试系统给出的碳纤维丝束图像像素数；K为标

定系数，单位为像素/mm。

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