玄武巖纖維及其復(fù)合材料物理性能

周歧剛

摘 要：連續(xù)玄武巖纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度高、化學(xué)性能穩(wěn)定、電絕緣性好，廣泛用于航空航天、石油化工、建筑、汽車等領(lǐng)域，但目前面臨著生產(chǎn)成本高等困境。開發(fā)一套玄武巖纖維及其復(fù)合材料制品的性能測試系統(tǒng)無疑會對玄武巖纖維的工藝改善、降低生產(chǎn)成本起到促進(jìn)作用，從而最終推動玄武巖纖維及其增強(qiáng)的復(fù)合材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：連續(xù)玄武巖纖維； 虛擬儀器技術(shù)； Agilent VEE；物理性能測試

連續(xù)玄武巖纖維是玄武巖石料在1450℃～1500℃熔融后，通過拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維，其纖維本身以及其增強(qiáng)的復(fù)合材料由于力學(xué)強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、電絕緣性能優(yōu)秀，溫度適應(yīng)范圍寬廣，在航空航天、石油化工、建筑、汽車等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。玄武巖纖維生產(chǎn)原料是天然存在的，是唯一不添加任何其他原料的純天然的新型高技術(shù)纖維，其在熔化過程中沒有硼和其它堿金屬氧化物排出，使玄武巖連續(xù)纖維的制造過程對環(huán)境危害較小，是21世紀(jì)高新的“綠色工業(yè)材料”，而我國玄武巖資源又十分豐富， 因此研究開發(fā)和大力推廣應(yīng)用玄武巖資源具有重大的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義。但目前由于其制備技術(shù)工藝成本高使得產(chǎn)量不足，面臨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈還沒有培育起來的窘境。改善性能，降低工藝制造成本無疑會推動連續(xù)玄武巖纖維及其增強(qiáng)的復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。開發(fā)一套玄武巖纖維及其復(fù)合材料制品的性能測試系統(tǒng)無疑會對玄武巖纖維的工藝改善、降低生產(chǎn)成本起到促進(jìn)作用，從而最終推動玄武巖纖維及其增強(qiáng)的復(fù)合材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。本文采用虛擬儀器技術(shù)，通過軟件開發(fā)平臺Agilent VEE編寫的程序軟件，以通用的硬件為基礎(chǔ)，針對連續(xù)玄武巖纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料的電性能測試編寫的測試系統(tǒng)，使得自動化測試的形式代替了傳統(tǒng)的測試形式，從而大大提高了測試效率。

1 虛擬儀器、Agilent VEE以及阻抗分析儀Agilent E4980A簡介

虛擬儀器 （Virtual Instruments，即VI）是美國國家儀器公司（National Instruments 即NI）在1986 年提出的新的概念，它的核心思想是“軟件即儀器”。VI的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)儀器的測量方式，使得測試過程變得簡單，測試得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也更為精確，真正實(shí)現(xiàn)了測試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的真正融合，為儀器測試測量發(fā)展開辟了一條新通道。虛擬儀器技術(shù)迅速發(fā)展并興起，在自動測試、過程控制、儀器設(shè)計(jì)以及資料分析等諸多領(lǐng)域都涉及到了廣泛的應(yīng)用，它的核心思想就是在儀器設(shè)計(jì)中使硬件被軟件替代。

Visual Engineering Environment即VEE，是Agilent公司推出的圖形化可編程語言，是被廣泛應(yīng)用的圖形化編程語言之一，在自動控制以及虛擬儀器的發(fā)展中扮演著非常重要的角色。VEE的程序單元是一系列的功能控件，在VEE主菜單下選取所需的功能控件并創(chuàng)建，然后將各控件按照測試的需要連線形成一個完整的程序。另外，VEE內(nèi)置了大量的儀器設(shè)備驅(qū)動程序庫，使其在測試和測量方面能夠方便地通過各種儀器的控制端口，對設(shè)備進(jìn)行控制。VEE圖形化編程比傳統(tǒng)編程語言使用更方便且簡單易學(xué)，使得編程效率大大提高了。

圖1 虛擬儀器

本文中將以連續(xù)玄武巖纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料的介電性能測試為例設(shè)計(jì)自動測試系統(tǒng)平臺，所以，這里對所要用到的阻抗分析儀Agilent E4980A作介紹。Agilent E4980A是通用LCR表，主要用在元器件接收檢驗(yàn)以及質(zhì)量控制中使用。 Agilent E4980A能在20Hz ～20MHz寬的頻率范圍和很寬的測試信號電平中使用，利用選件001可以覆蓋更寬的測試信號電平，使其能夠?qū)CR元件、 材料和半導(dǎo)體器器件做出準(zhǔn)確的評估。它在任何頻率下所測的數(shù)據(jù)的精度都非常高，且在每個頻率范圍內(nèi)都具有七位數(shù)的分辨率。E4980A支持自動測試，它的標(biāo)準(zhǔn)接口有三個，分別是GPIB/LAN/USB接口。

圖2 阻抗分析儀

2 連續(xù)玄武巖纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料測試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖3 連續(xù)玄武巖纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料測試系統(tǒng)硬件組成示意圖

圖3 是連續(xù)玄武巖纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料測試系統(tǒng)硬件組成示意圖。該系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、測試儀器以及樣品臺（樣品夾具）三部分組成。計(jì)算機(jī)管理著虛擬儀器的軟件資源，這里即agilent VEE，是虛擬儀器硬件平臺的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)接口如GPIB/LAN/RS-232等與測試儀器相聯(lián)系。通過接口完成SCPI命令的發(fā)送和測試結(jié)果的接收。測試儀器通過信號線與測試臺樣品夾具相聯(lián)系，完成測試信號的輸出以及接收從材料對測試信號的響應(yīng)結(jié)果，通過數(shù)據(jù)采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等得到樣品的各種物理性能。

3 玄武巖纖維及其復(fù)合材料性電能測試系統(tǒng)工作過程

圖4 基于VEE的玄武巖纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料物理性能測試程序框圖

圖4是基于VEE的玄武巖纖維及其復(fù)合材料性電能測試系統(tǒng)程序框圖。該系統(tǒng)工作過程如下：VEE程序通過程序觸發(fā)，向測試儀器發(fā)出SCPI命令，并將所有測試到的 測試結(jié)果寫入文檔。同時，借助VEE對測試原始數(shù)據(jù)進(jìn)行強(qiáng)大的計(jì)算分析能力，可以在用戶交互程序面板上作出圖形實(shí)時顯示連續(xù)玄武巖纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料的各種物理性能。根據(jù)實(shí)時測試結(jié)果還可以及時判斷樣品性能的好壞，而傳統(tǒng)測試方法往往需要等到所有測試完成，再對繁雜的測試數(shù)據(jù)分析后才能判斷樣品的性能的好壞，新的測試方法無疑提高了分析樣品的效率。

4 結(jié)語

本文采用虛擬儀器技術(shù)，通過軟件開發(fā)平臺Agilent VEE編寫的程序軟件，以通用的硬件為基礎(chǔ)，針對連續(xù)玄武巖纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料的電性能測試編寫的測試系統(tǒng)，使得自動化測試的形式代替了傳統(tǒng)的測試形式，從而大大提高了測試效率。

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