短碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能的宏微觀實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、碳纖維樹脂基復(fù)合材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域，研究碳纖維復(fù)合材料的破壞機(jī)理有重要的理論和實(shí)際意義。本文從宏觀和微觀兩方面實(shí)驗(yàn)研究了短碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)行為。首先制備了復(fù)合材料樣品，研究了短碳纖維的含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并分別通過纖維表面氧化處理和加入碳納米管協(xié)同增強(qiáng)等方式進(jìn)一步改善了復(fù)合材料的力學(xué)性能。然后，為了將同步輻射CT技術(shù)(SR-CT)應(yīng)用于復(fù)合材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)破壞過程的實(shí)驗(yàn)觀察，本文成功

2、構(gòu)建了一套適用于同步輻射實(shí)驗(yàn)室線站的SR-CT材料微力加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。基于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展了短碳纖維復(fù)合材料樣品靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的SR-CT觀察實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合短纖維復(fù)合材料應(yīng)力傳遞理論，分析了微結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響和作用。本文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新之處是:
　　一、制備了短碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的樣品，研究了短碳纖維的含量對(duì)復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能的影響，并通過碳纖維表面處理和加入碳納米管等方法進(jìn)一步改善了復(fù)合材料的力學(xué)性能

3、。目前關(guān)于碳納米管和碳纖維協(xié)同增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的報(bào)道是比較少見的。
　　1)分別通過三輥法和超聲分散法制備了短纖維和碳納米管單獨(dú)和協(xié)同增強(qiáng)復(fù)合材料的樣品，研究了不同制備工藝對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。;
　　2)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同組分復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能。研究了短纖維含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并利用細(xì)觀力學(xué)理論模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。通過碳纖維的表面氧化處理和加入碳納米管的方法進(jìn)一步改善了復(fù)合材料的力學(xué)性能。
　　

4、二、從實(shí)驗(yàn)硬件和軟件兩方面構(gòu)建了一套復(fù)合材料動(dòng)態(tài)破壞過程SR-CT實(shí)驗(yàn)觀察系統(tǒng)。目前尚未見到與該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有關(guān)的報(bào)道。
　　1)在實(shí)驗(yàn)硬件上，本文研究了同步輻射CT技術(shù)應(yīng)用于觀察復(fù)合材料動(dòng)態(tài)破壞過程的技術(shù)難點(diǎn)。通過對(duì)技術(shù)難點(diǎn)的分析，提出了相應(yīng)的解決方案。設(shè)計(jì)了微力加載實(shí)驗(yàn)裝置的驅(qū)動(dòng)、夾持、力測(cè)量和支撐系統(tǒng)。并對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了精度標(biāo)定和測(cè)試。
　　2)在實(shí)驗(yàn)軟件上，本文運(yùn)用圖像處理的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)纖維結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取。根據(jù)樣品纖維

5、結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可以將纖維信息的提取問題轉(zhuǎn)化為求三維纖維結(jié)構(gòu)最小外接圓柱的問題。將三維纖維投影至二維圖像時(shí)，還可將求三維實(shí)體最小外接圓柱的問題轉(zhuǎn)化為求二維圖形最小外接圓的問題。基于以上分析，利用編程方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)纖維結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取。
　　三、利用同軸相襯成像技術(shù)，首次得到了短碳纖維復(fù)合材料動(dòng)態(tài)破壞過程的亞微米分辨率三維圖像。這對(duì)進(jìn)一步理論研究復(fù)合材料中的應(yīng)力傳遞機(jī)制提供了實(shí)驗(yàn)支持。
　　1)研究了在x射線弱吸收物質(zhì)中應(yīng)用較廣泛的相

6、襯成像技術(shù)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的分析，得到了相襯成像實(shí)驗(yàn)中樣品與CCD之間的最佳成像距離。進(jìn)行了復(fù)合材料微小樣品靜態(tài)SR-CT觀察實(shí)驗(yàn)，為觀察復(fù)合材料動(dòng)態(tài)破壞過程的SR-CT觀察實(shí)驗(yàn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
　　2)進(jìn)行了復(fù)合材料動(dòng)態(tài)破壞過程的SR-CT觀察實(shí)驗(yàn)，首次得到了亞微米分辨率下的短纖維樹脂基復(fù)合材料動(dòng)態(tài)破壞過程的三維形貌圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，纖維的無效長(zhǎng)度越短，則復(fù)合材料破壞時(shí)斷裂纖維所占的比重越高，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度越高，這與理論分