[發明專利]基于同步輻射CT的碳纖維/環氧樹脂三維機織復合材料拉-拉疲勞損傷演化研究試驗方法

有效

• 申請號: 202010821919.2
• 申請日: 2020-08-15
• 公開（公告）號: CN111948050B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 果立成;黃金釗;張莉;孫新楊;李志興;郝留磊
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/10;G01N3/32;G01N3/06;G01N23/046;G01N1/28;G01N1/32
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

本發明公開了一種基于同步輻射CT的碳纖維/環氧樹脂三維機織復合材料拉?拉疲勞損傷演化研究試驗方法，所述方法從宏觀和細觀兩個尺度分析三維機織復合材料疲勞損傷特性。通過在疲勞加載過程中原位實時觀測試驗件的動態剛度以及試驗件表面溫度，得到此時材料所處的疲勞退化階段。將不同的試驗件疲勞加載至不同的退化階段后停止試驗，將帶有損傷的試驗件切割、打磨、拋光，然后送至同步輻射CT進行損傷檢測。通過分析CT重構后的三維圖像，獲得碳纖維/環氧樹脂三維機織復合材料疲勞損傷演化歷程和損傷機理。本發明解決了傳統CT無法清楚區分碳纖維和環氧樹脂的問題，同時解決了三維機織復合材料疲勞損傷機理觀測困難的問題。

技術領域

本發明涉及一種結合力學測試、紅外熱成像和同步輻射CT(SRCT)的研究碳纖維/環氧樹脂三維機織復合材料疲勞損傷的宏細觀試驗方法。

背景技術

三維機織復合材料最早是在1960年代被開發，其克服了二維層合板的缺點。與層合板和二維編織復合材料相比，三維機織復合材料具有較高的抗分層性、較高的斷裂韌性、更高的損傷容限和良好的形狀可設計性，因此這種材料受到越來越多的關注。此外，在存在多向機械應力和熱應力的情況下，三維機織復合材料也能夠很好的勝任。該種材料已被廣泛應用于許多領域，例如民用建筑、航空航天領域、風力渦輪機和人體假肢等。然而，由于三維機織復合材料具有復雜微觀結構，在研究其微觀損傷行為方面，尤其是在疲勞損傷演化方面，人們仍然面臨著許多挑戰。疲勞失效是一種十分重要失效模式，疲勞會導致結構退化和承載結構在遠低于強度下失效。因此，理解三維機織復合材料的疲勞損傷演化及其對材料性能退化的影響對于評估結構的長期安全性至關重要。

復合材料在疲勞過程中的剛度退化已被廣泛用于表征疲勞損傷。但是，對于三維機織復合材料，由于其復雜的編織結構，導致剛度退化的因素也非常復雜。迄今為止，相關研究中采用了一系列無損檢測技術以及原位觀測技術來研究機織復合材料的損傷行為。例如，一些研究者采用數字圖像相關技術(DIC)來獲取被測試件表面應變場，并依此確定損傷較大的位置。聲發射(AE)已被廣泛用于測量損傷，其聲學特性可用于檢測復合材料內部的損傷模式，例如基體開裂，分層和纖維斷裂。紅外熱成像(IRT)是一種非接觸式溫度測量技術，已被應用于獲取試驗件表面溫度分布圖，研究表明材料的溫升與材料內部疲勞損傷的發展有關。但是，以上技術無法直觀反映三維機織復合材料內部的復雜破壞模式。另一種無損檢測技術——X射線計算機斷層掃描(CT)技術，能夠可視化觀測被測復合材料內部的三維變形和疲勞損傷行為。近年來，有相關研究提出了用于研究復合材料疲勞損傷演化的原位CT檢測技術。這種方法可以獲得更真實、連續的疲勞損傷演化過程。然而CT技術在碳纖維/環氧樹脂三維機織復合材料疲勞損傷演化中的應用仍然非常有限。原因之一是，碳纖維和環氧樹脂都屬于弱X射線吸收材料，并且具有相似的X射線吸收系數，這使得常規的吸收成像方法難以獲得清晰的碳纖維/環氧樹脂樣品的重構圖像。與傳統的X射線CT相比，同步輻射CT(SRCT)是一種用于損傷檢測的先進技術，由于它具有更高的能量和更好的相襯，已被用于環氧樹脂基碳纖維增強復合材料的損傷研究當中。但是，SRCT設備是世界范圍內的稀缺資源。此外，SRCT的大多數應用都集中在靜態損傷檢測上，尚未發現使用SRCT來研究碳纖維/環氧樹脂基三維機織復合材料的疲勞損傷演化的相關報導。

發明內容

為了研究碳纖維/環氧樹脂基三維機織復合材料拉-拉疲勞性能和疲勞損傷演化，本發明提供了一種基于同步輻射CT的碳纖維/環氧樹脂三維機織復合材料拉-拉疲勞損傷演化研究試驗方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種基于同步輻射CT的碳纖維/環氧樹脂三維機織復合材料拉-拉疲勞損傷演化研究試驗方法，包括如下步驟：

步驟一、準備待測三維機織復合材料平板，通過測量獲取該復合材料編織結構最小單胞尺寸信息，包括單胞經向長度、單胞緯向長度；

步驟二、根據步驟一獲得的待測三維機織復合材料單胞尺寸信息，設計試驗件，試驗件的設計應遵循如下原則：