声速模量法测量原理

声速法是通过对声波在材料中传播速度的测定，来计算材料的取向度和模量的。其原理是由于纤维材料中大分子链取向而导致声波传播的各向异性。在理想的取向情况下，在声波沿纤维轴方向传播时，其传播方向与纤维大分子链平行，此时声波是通过大分子内的主价键的振动传播的，其声速值最大。而当声波传播方向与纤维分子链垂直时，依靠大分子间次价键的振动而传播，此时声速最小。实际上大分子键总不是沿纤维轴成理想的取向袄态，因此各种纤维的实际声速值总是小于理想的声速值。图为声波在纤维中传播的示意图。

国内碳纤维的生产发展很快，质量不稳定是个关键性的问题，所以在生产过程中，在线实时进行质量监控和检测成为迫切需要解决的课题。一般是在生产过程中或生产结束后抽样进行测定，测试方法麻烦，费时间，不能及时反应问题，而且还影响连续化生产。文献中曾试图用.碳纤维生产过程中密度的变化进行检测，但这种方法不能用于在线监控。

由于模量是碳纤维质量的重要标志，也是检测的重要指标，采用声速法测定模量，可以实时观测碳纤维生产过程中的结构变化，以利于确定最佳工艺条件，制出优质碳纤维，也有助于研究碳纤维的制造过程及其机理。

声速测定仪包括样品支架和电气控制箱两部分组成。图为样品支架示意图。样品支架的两端分别装有发射晶体和接收晶体换能器，被测纤维试样的一端被固定夹持，另一端通过小滑轮挂一个夹持法码，形成一定的张力，然后将试样轻轻地放在发射晶体和接收晶体换能器上，使其接触良好。接收晶体换能器可通过直流电机的转动以改变测试距离。

环形振荡器输出具有一定幅度和宽度的脉冲，分成两路。一路经功放电路后去推动发射晶体，另一路去控制单稳电路，使之输出宽度固定的脉冲。当试样支架上放上纤维试样时，由发射晶体产生的声脉冲经试样立即传递到接收晶体换能器并转换成电信号，经放大以后来控制单稳电路，使单稳电路按照测试要求提前恢复到稳定状态。单稳电路从进入暂态到提前恢复到稳定状态时间T就是所测的试样声速值。此试样声速值经单片机计算处理以后，显示和打印出来。 2100433B

由于应力导前应变一个相位角，使得应变分成了两个部分，第一部分为弹性贡献，与应变成线性关系，第二部分为粘性贡献，与应变速率成线性关系。即弹性响应与粘性响应分别造成各自的应力，其线性加和就是材料的总应力。

公式：E(t)=|σ(t)|/|ε(t)|=σ/ε(1)

式中:E(t)为动态模量;σ(t)、ε(t)为应力和应变时间函数;σ、ε分别为应力和应变的振幅。

由于相位差的存在，动态模量是一个复数，G=G’ iG’’，G’是弹性响应的系数，称为储能模量；G’’/ω为黏性响应的系数，故称为损耗模量。G’和G’’合称动态模量

tangentmodulus

在静态应力-应变曲线上每点的斜率，称为正切模量。通常塑性材料应力-应变曲线是非线性的，一般来说某点的正切模量是由该点附近应力变化量与应变变化量之比进行计算。塑性材料不同于金属材性，它具有黏弹性，这就导致力与形变关系不是线性关系。工程上希望知道其相关模量，从而提出正切模量。该模量只能看作是非弹性极限范围内的宏观的模量的一种表述，为设计提供一种参考。