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《碳纖維復合材料界面殘余應力的x射線衍射分析》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、高技術通訊*$$$.*.碳纖維復合材料界面殘余應力的!射線衍射分析!"黃玉東劉玉文費維棟要智勇張志謙(哈爾濱工業(yè)大學應用化學系哈爾濱"#$$$")摘要根據(jù)碳纖維的晶體學特點,提出了利用!%射線衍射技術分析碳纖維/樹脂基復合材料界面殘余應力的新方法。通過在環(huán)氧樹脂基體中引入膨脹單體,改變界面殘余應力,對本文提出的方法進行了驗證。關鍵詞碳纖維復合材料,界面,殘余應力,!射線衍射軸向排列,結(jié)晶度在4$5以上。&’()界面處的殘$引言余應力使碳纖維晶體的晶面間距發(fā)生變化,這種變界面是復合材料極為重要的微結(jié)構(gòu),它作為增化可以通過!射線衍射峰的峰位變化而表現(xiàn)出來。強纖維與
2、基體連接的“紐帶”,對復合材料的物理、根據(jù)布拉格衍射方程*!672!"",通過測得的衍射化學及力學性能有著至關重要的影響["]。對于碳角*!可以計算出晶面間距,然后根據(jù)彈性力學原纖維/樹脂基復合材料(&’()),由于纖維與樹脂理,由應變計算出應力的大小。熱膨脹系數(shù)失配以及樹脂固化收縮會在材料界面處由于碳纖維單絲的直徑很小,而且具有較大的形成殘余應力,這種應力常導致材料超前的脫粘破長徑比,所以可將碳纖維受到的殘余應力作為軸對壞或嚴重脆化[*]。因此如何定量表征該界面殘余稱處理,其受力模型如圖"所示。應力,并通過控制該應力制得具有最佳綜合性能的&’()已經(jīng)成為目前
3、研究的熱點問題。以往人們主要采用光彈性法和電測法分析復合材料中的殘余應力。光彈性法盡管比較精確,但在計算應力過程中需要有嚴格的邊界條件或其它輔助條件來確定主應力中的一個應力,才能完全確定各點的應力狀態(tài)[+]。另外,對分析材料亦有一定要求,即必須透光,這就限制了其應用范圍。電測法一般只適用于材料表面應變測量[,],嵌入復合材料內(nèi)部應變絲一方面容易損壞,另一方面由于應變絲的加入,使復合材料測量區(qū)域應力分布受到影響而使測量結(jié)果失真。近年來,人們采用!射線和中子衍射技術成功地分析了金屬基復合材料中的內(nèi)應力。本文在圖"碳纖維中殘余應力分布示意圖[#]的基礎上,首次將!射
4、線衍射-./.&0123工作技術應用于&’()界面殘余應力的分析中;同時將假定碳纖維軸向為8方向,當測量垂直于纖膨脹單體引入樹脂體系以消除界面部分殘余應力,維軸方向的晶面衍射時,由該衍射峰位移得到的應驗證了該方法表征&’()界面殘余應力的可行性。變即是碳纖維8方向的應變(##):$!#$!#"測量原理##"$(")!#碳纖維是一種類石墨結(jié)構(gòu),晶體基本沿著纖維式中,!為垂直于碳纖維方向的晶面的面間距,!$##!國家自然科學基金資助項目(#:49+$$#)。"男,":;#年生,博士,教授;研究方向:樹脂基復合材料;聯(lián)系人。(收稿日期:":::%$+%$4;修訂日期
5、:":::%$;%*4)—9*—黃玉東等:碳纖維復合材料界面殘余應力的0射線衍射分析為無應力時這些晶面面間距(可由自由碳纖維測得誤差(均方差)達到最??;再利用近似函數(shù)法進定)。行線形分析,從而得到衍射峰峰位。在測量平行于纖維軸方向的晶面衍射時,由此表#為環(huán)氧樹脂基體中含有不同含量的膨脹單而得到的應變即是!,且有:體的8@A+衍射峰峰位,隨著引入膨脹單體的含量!##!變化,峰位也發(fā)生變化。由等式(#)!(’)可分!$!(")!!"!#!別計算出8@A+界面處沿碳纖維軸向和徑向的殘余根據(jù)等式(#)和(")便可計算碳纖維軸向和徑向各應力(如圖"所示)。其中%D!%#
6、)’#+,,#!*&%#應變分量。維D!%"#"#+,,#!D!%’’!!+,。!可以認為,$方向和!方向即為應力的主軸方向,有:表#碳纖維/環(huán)氧復合材料0射線衍射峰峰位&%["#!’!!((#$#!$)!’](&)膨脹單體"%"!)#!#)"!#$#!$$"#’!%#!’含量/GEH&!(!!(!’·#’!)軸向衍射"!"(’)峰位("$)’"I6!"#’"IJ66J’"I.#&"’"I.#&"’"I’&".#$#!$$"#!’%#’!式中,(為碳纖維的彈性模量;#為碳纖維的泊松比;徑向衍射"#I6!!’"!IK!J#"!IK!J#"!I.!!#"!I!!&
7、J峰位("$)&’""&)*+,,&!"#’!*+,,!!$"!%"),)’!"!%&),#!’"!%"#;將等式(#)、(")代入(&)、(’),即可得到碳纖維/基體界面在軸向和徑向的殘余應力"%和"!。"測試實例"%#實驗方法采用模壓成型工藝制備碳纖維/環(huán)氧單向復合材料,將尺寸為")-.%)-"http://的試樣放在0射線衍射儀(日本理學電機1//,2345型)的電子管筒內(nèi),轉(zhuǎn)靶范圍為&67!)!7和#)7!&)7。衍射條圖"引入不同含量膨脹單體時復合材料界面的件:89靶:"衍射,用;<濾波片濾波,操作電壓殘余應力)!=>,電流")/?。用階梯掃描方式測量各衍射峰
8、的峰形,步長為!%!"7。由于膨脹單體