短碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的宏微观实验研究

摘要

碳纤维树脂基复合材料以其优异的力学性能被广泛应用于各工业领域，研究碳纤维复合材料的破坏机理有重要的理论和实际意义。本文从宏观和微观两方面实验研究了短碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学行为。首先制备了复合材料样品，研究了短碳纤维的含量对复合材料力学性能的影响，并分别通过纤维表面氧化处理和加入碳纳米管协同增强等方式进一步改善了复合材料的力学性能。然后，为了将同步辐射CT技术(SR-CT)应用于复合材料内部微结构动态破坏过程的实验观察，本文成功构建了一套适用于同步辐射实验室线站的SR-CT材料微力加载实验系统。基于该实验系统，开展了短碳纤维复合材料样品静态和动态的SR-CT观察实验。由实验结果并结合短纤维复合材料应力传递理论，分析了微结构对复合材料力学性能的影响和作用。本文的主要研究内容和创新之处是:
　　一、制备了短碳纤维增强环氧树脂复合材料的样品，研究了短碳纤维的含量对复合材料拉伸力学性能的影响，并通过碳纤维表面处理和加入碳纳米管等方法进一步改善了复合材料的力学性能。目前关于碳纳米管和碳纤维协同增强树脂基复合材料的报道是比较少见的。
　　1)分别通过三辊法和超声分散法制备了短纤维和碳纳米管单独和协同增强复合材料的样品，研究了不同制备工艺对复合材料力学性能的影响。;
　　2)实验测定了不同组分复合材料的宏观力学性能。研究了短纤维含量对复合材料力学性能的影响，并利用细观力学理论模型对实验结果进行了分析。通过碳纤维的表面氧化处理和加入碳纳米管的方法进一步改善了复合材料的力学性能。
　　二、从实验硬件和软件两方面构建了一套复合材料动态破坏过程SR-CT实验观察系统。目前尚未见到与该实验系统有关的报道。
　　1)在实验硬件上，本文研究了同步辐射CT技术应用于观察复合材料动态破坏过程的技术难点。通过对技术难点的分析，提出了相应的解决方案。设计了微力加载实验装置的驱动、夹持、力测量和支撑系统。并对该实验装置进行了精度标定和测试。
　　2)在实验软件上，本文运用图像处理的方法实现了对纤维结构参数的提取。根据样品纤维结构的特点，可以将纤维信息的提取问题转化为求三维纤维结构最小外接圆柱的问题。将三维纤维投影至二维图像时，还可将求三维实体最小外接圆柱的问题转化为求二维图形最小外接圆的问题。基于以上分析，利用编程方法实现了对纤维结构参数的提取。
　　三、利用同轴相衬成像技术，首次得到了短碳纤维复合材料动态破坏过程的亚微米分辨率三维图像。这对进一步理论研究复合材料中的应力传递机制提供了实验支持。
　　1)研究了在x射线弱吸收物质中应用较广泛的相衬成像技术，通过对实验条件的分析，得到了相衬成像实验中样品与CCD之间的最佳成像距离。进行了复合材料微小样品静态SR-CT观察实验，为观察复合材料动态破坏过程的SR-CT观察实验奠定了技术基础。
　　2)进行了复合材料动态破坏过程的SR-CT观察实验，首次得到了亚微米分辨率下的短纤维树脂基复合材料动态破坏过程的三维形貌图像。实验结果表明，纤维的无效长度越短，则复合材料破坏时断裂纤维所占的比重越高，复合材料的拉伸强度越高，这与理论分析的结果一致。
　　最后，对全文的工作进行了总结，展示了本文的主要研究内容和结果，并提出了未来工作的方向和研究思路。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本文选题背景及研究现状

1．1．1 碳纤维及其复合材料

1．1．2 复合材料微纳米实验力学

1．1．3 同步辐射技术CT技术的发展现状

1．3 本文的选题意义及主要内容

1．3．1 本文选题意义及存在的问题

1．3．2 本文的主要工作

第二章 复合材料宏观力学性能的实验研究

2．1 引言

2．2 复合材料的制备

2．2．1 三棍法制备复合材料样品

2．2．2 超声分散法制备复合材料样品

2．3 复合材料宏观力学性能的测试及分析

2．3．1 三辊法制备样品的力学性能及分析

2．3．2 超声分散法制备样品的力学性能及分析

2．4 复合材料力学性能的进一步改善研究

2．4．1 实验原材料、设备及制备工艺

2．4．2 力学性能实验结果及分析

2．5 本章小结

第三章 复合材料动态破坏过程实验观察系统的构建

3．1 引言

3．2 实验硬件的研制——构建基于SR-CT技术的材料微力加载系统

3．2．1 构建材料动态破坏过程观察实验系统的总体思路

3．2．2 建立基于SR-CT技术的材料微力加载系统的技术难点

3．2．3 一种适用于SR-CT成像实验的材料微力加载装置的研制

3．2．4 材料微力加载实验装置的标定与测试

3．3 实验软件的研究——实现对微结构特征参量的提取

3．3．1 分离三维样品中的纤维结构

3．3．2 实现对纤维参量的提取

3．4 本章小结

第四章 复合材料微结构对其力学性能影响的研究

4．1 引言

4．2 复合材料SR-CT观察实验过程及结果

4．2．1 x射线相位成像技术

4．2．2 SR-CT观察实验结果

4．3 短纤维复合材料力学性能的宏微观分析

4．3．1 短纤维复合材料应力传递理论模型

4．3．2 基于实验结果分析微观结构对复合材料力学性能的影响

4．4 本章小结

第五章 全文工作总结与未来展望

5．1 全文工作总结

5．2 本文的创新之处

5．3 未来工作展望

参考文献

致谢

博士在读期间已发论文目录