基于激光拉曼光谱仪的复合材料界面剪切强度检测装置及方法

摘要

本发明基于激光拉曼光谱仪的复合材料界面剪切强度检测装置，包括，激光拉曼光谱仪、试样承载机构和拉伸机构；试样承载机构，包括，承载框架、试样固定端头Ⅰ、试样固定端头Ⅱ、应力传感器、千分计量尺和应力读数显示器；承载框架为矩形且垂直安装在激光束的正下方，其矩形框架的一端内侧固定安装有试样固定端头Ⅰ，另一端活动安装有试样固定端头Ⅱ，由此构成固定待测试样的固定机构；试样固定端头Ⅰ的一端固定在承载框架内侧，另一端通过应力传感器与待测试样固定连接；试样固定端头Ⅱ的一端与待测试样固定连接，另一端穿过矩形框架且通过千分计量尺与拉伸机构连接；应力读数显示器与应力传感器电连接。本发明检测精确，为计算纤维表面微观区域的残余应力提供基础数据。

说明书

技术领域

本发明涉及到纤维增强树脂基复合材料界面剪切强度检测技术，特别涉及到一种基于激光拉曼光谱仪的复合材料界面剪切强度检测装置及方法。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料以独特的轻量化效果(高比强度和比模量)成为众多技术领域(汽车工业、风力发电、轨道交通、体育休闲、家电、建筑和航空航天等技术领域)的主流技术趋势。其在国民经济中占有重要地位,是国家产业政策重点鼓励发展的行业，发展空间巨大。尤其当前汽车轻量化技术是节省能源、提高行驶性能的有效方法之一，也是国内外汽车制造商追求的关键技术目标之一。然而，由于复合材料中增强纤维与基体树脂热膨胀系数的差异，导致了复合材料在生产固化过程中，或后期使用过程中随环境温度的变化，导致复合材料内部产生内应力。沿纤维轴向的应力对复合材料的拉伸性能和疲劳性能会产生很大的影响，沿纤维轴向的应力对复合材料的拉伸性能和疲劳性能会产生很大的影响，而纤维增强树脂基复合材料的界面剪切强度直接影响到复合材料的强度和韧性。因此，精确测量纤维增强树脂基复合材料的界面剪切强度，对于提升纤维增强树脂基复合材料的综合力学性能及其在各种复杂环境下的使用安全性意义重大。

目前，现有技术纤维增强树脂基复合材料界面剪切强度的检测方法，主要有纤维拔出、纤维压入、纤维断裂和微珠脱粘等四种测试方法，其特点都是让单纤维界面承受剪力，根据界面脱粘载荷计算得出界面剪切强度，其差别仅在于所用试件的外形和加载方式不同。然而，由于忽略了界面楔形角不同，导致各种测试方法对于同种纤维和树脂的检测，通常得出不同的界面剪切强度。另外，这些方法只能测量临界界面剪切强度，对于未发生界面破坏的剪切应力则无法测量。

显然，现有技术纤维增强树脂基复合材料界面剪切强度的检测方法存在着界面剪切强度测量不准确和只能测量临界界面剪切强度等问题。

发明内容

为解决现有技术纤维增强树脂基复合材料界面剪切强度的检测方法存在的界面剪切强度测量不准确和只能测量临界界面剪切强度等问题，本发明提出一种基于激光拉曼光谱仪的复合材料界面剪切强度检测装置及方法。

本发明基于激光拉曼光谱仪的复合材料界面剪切强度检测装置，包括，激光拉曼光谱仪、试样承载机构和拉伸机构；所述试样承载机构，包括，承载框架、试样固定端头Ⅰ、试样固定端头Ⅱ、应力传感器、千分计量尺和应力读数显示器；所述承载框架为矩形且垂直安装在激光束的正下方，其矩形框架的一端内侧固定安装有试样固定端头Ⅰ，另一端活动安装有试样固定端头Ⅱ，由此构成固定待测试样的固定机构；所述试样固定端头Ⅰ的一端固定在承载框架内侧，另一端通过应力传感器与待测试样固定连接；所述试样固定端头Ⅱ的一端与待测试样固定连接，另一端穿过矩形框架且通过千分计量尺与拉伸机构连接；所述应力读数显示器与应力传感器电连接。

进一步的，所述试样承载机构还设置有推动承载框架按照设定的距离沿水平或纤维轴线方向移动的步进机构。

进一步的，所述步进机构皮带轮步进机构、齿轮齿条步进机构或蜗轮蜗杆步进机构，其设定的距离为0.01mm－2.00mm。

进一步的，所述激光拉曼光谱仪激光束的波长为514nm或633nm；所述激光拉曼光谱仪的空间分辨率≤2μm。

进一步的，所述拉伸机构设置有拉伸变量调节装置，所述拉伸变量的调节范围为0.05％－100％。

本发明基于激光拉曼光谱仪的复合材料界面剪切强度检测方法，采用本发明基于激光拉曼光谱仪的复合材料界面剪切强度检测装置对复合材料界面剪切强度进行检测，包括以下步骤；

S101、对于非碳增强纤维采用石墨烯纤维表面处理剂对增强纤维进行表面处理，使非碳增强纤维表面附着有碳原子，对于碳增强纤维则不作任何处理；

S102、将单根纤维粘于纸片作为样品，对增强纤维固定连接在试样固定端头Ⅰ和试样固定端头Ⅱ上，且将激光拉曼光谱仪的激光束垂直照射在增强纤维表面上；

S103、设定不同的拉伸变量并启动拉伸机构，可检测到被测纤维单丝在不同形变量ε情况下的拉曼吸收峰波数ν；绘制ε与ν的关系曲线，线性拟合后标定出斜率s；

S104、采用步骤S101处理后的增强纤维与热固性树脂或热塑性树脂复合制备纤维增强树脂基复合材料，并取条形复合材料试样；

S105、将条形复合材料试样固定端头Ⅰ和试样固定端头Ⅱ上，在拉曼光谱仪光学显微镜下找到复合材料样品中的纤维，并将激光拉曼光谱仪的激光束聚焦垂直照射在增强纤维微区上，获得相应微区的拉曼吸收峰波数；

S106、开启试样承载机构的步进机构，使复合材料试样沿水平或纤维轴线方向有序移动设定距离，将激光拉曼光谱仪的激光束聚焦在增强纤维的不同微区上，获得相应微区的拉曼吸收峰波数；

S107、设定不同的拉伸变量并启动拉伸机构，对复合材料施加设定的拉伸变量，重复步骤S106和S107，得到复合材料在不同形变量的条件下，沿纤维轴线不同位置微区的拉曼吸收峰波数；

S108、采用下式计算复合材料中纤维表面不同位置的微区应变ε_x，

$>{ϵ}_x=\frac{(v_o-v_x)}{s}$>

式中，v_x为步骤S105、S106和S>0为纤维表面应力为零时获得的拉曼吸收峰波数，s为步骤S103获得的斜率；由此，得到复合材料在不同应变量的情况下，其内部增强纤维沿纤维轴线不同位置的微区应变；

S109、按照纤维应力应变的关系，求得复合材料在不同形变量的情况下，内部碳纤维沿纤维轴线不同位置的微区应力，并用曲线进行表述，所述曲线即为位置-应力曲线；

当外界对复合材料施加的应力为零时，得到的纤维表面不同微区的应力即为增强纤维与基体树脂复合过程中所产生的残留应力；当外界对复合材料施加的应力为某设定值时，得到的纤维表面不同位置的微区应变即为该复合材料受到该应力后该微区纤维与基体树脂间的应变；

S110、采用下式对位置-应力曲线的数据进行拟合，

$>{\sigma }_f=E_f{ϵ}_m\left[1-\frac{\cosh \beta (\frac{l}{2}-x)}{\cosh \beta \frac{l}{2}}\right]$>

式中，E_f为增强纤维的杨氏模量，ε_m为树脂的应变，l为复合材料中所测纤维的长度，β采用以下公式求得：

$>\beta ={\left\{\frac{2}{r_1^2{E}_f{E}_m}\left[\frac{E_f{V}_f+E_m{V}_m}{\frac{V_m}{4G_f}+\frac{1}{2G_m}\left(\right(\frac{1}{V_m})ln\left(\frac{1}{V_f}\right)-1-\frac{V_m}{2}}\right]\right\}}^{\frac{1}{2}}$>

式中，r₁为增强纤维的直径，E_m为树脂基体的杨氏模量，V_m和V_f分别为复合材料中树脂基体和增强纤维的体积含量，G_m和G_f分别为树脂基体和增强纤维的剪切模量。

G可由以下公式求得：

$>G=\frac{E}{2(1+v)}$>

式中，E为杨氏模量，v为材料的泊松比；

S111、对步骤S110所得的拟合数据按照以下公式相对于位置x求导，即可得到界面的剪切强度τ；

$>\tau =\frac{r_1}{2}\frac{{\mathrm{d\sigma }}_f}{dx}$>

式中，r₁为增强纤维的直径。

进一步的，所述激光拉曼光谱仪激光束的波长为514nm或633nm；所述激光拉曼光谱仪的空间分辨率≤2μm。

进一步的，步骤S103中，所述拉伸变量的设定范围为0.05％－100％。

进一步的，步骤106中，所述设定距离为0.01mm－2.00mm。

本发明基于激光拉曼光谱仪的复合材料界面剪切强度检测装置及方法有益技术效果是能够对增强纤维单丝或复合材料内部的增强纤维单丝拉曼吸收峰的波数和纤维单丝的应变进行精确检测，为计算纤维表面微观区域的残余应力提供基础数据，并由此计算出界面剪切强度。

附图说明

附图1为本发明检测装置对纤维单丝试样进行拉伸检测的示意图；

附图2为本发明检测装置对复合材料试样进行拉伸检测的示意图；

附图3为本发明检测方法实施例ε与ν的关系曲线；

附图4为本发明检测方法实施例沿纤维轴线不同位置微区的拉曼吸收峰波数关系；

附图5为本发明检测方法实施例内部增强纤维沿纤维轴线不同位置的微区应变关系；

附图6为本发明检测方法实施例复合材料形变量为0％、0.3％、0.6％、0.9％的位置-应力曲线；

附图7为本发明检测方法实施例复合材料形变量为1.5％和1.8％的位置-应力曲线；

附图8为本发明检测方法实施例复合材料应变量为0.3％、0.6％、0.9％和1.2％的沿纤维轴线不同位置的微区界面剪切强度的关系；

附图9为本发明检测方法实施例复合材料应变量为1.5％的沿纤维轴线不同位置的微区界面剪切强度的关系；

附图10为本发明检测方法实施例复合材料应变量为1.8％的沿纤维轴线不同位置的微区界面剪切强度的关系。

下面结合附图和具体实施例对本发明基于激光拉曼光谱仪的复合材料界面剪切强度检测装置及方法作进一步的说明。

具体实施方式

附图1为本发明检测装置对增强纤维单丝进行拉伸检测的示意图，附图2为本发明检测装置对复合材料样品进行拉伸检测的示意图，图中，11为承载框架，12为试样固定端头Ⅰ，13为试样固定端头Ⅱ，14为应力传感器，15为千分计量尺，16为应力读数显示器，21为激光头，22为激光束，A为纤维单丝试样，B为复合材料试样，箭头方向为拉伸方向。由图可知，本发明基于激光拉曼光谱仪的复合材料界面剪切强度检测装置，包括，激光拉曼光谱仪(未图示)、试样承载机构和拉伸机构(未图示)；所述试样承载机构，包括，承载框架11、试样固定端头Ⅰ12、试样固定端头Ⅱ13、应力传感器15、千分计量尺14和应力读数显示器16；所述承载框架11为矩形且垂直安装在激光束22的正下方，其矩形框架的一端内侧固定安装有试样固定端头Ⅰ12，另一端活动安装有试样固定端头Ⅱ13，由此构成固定待测试样(A或B)的固定机构；所述试样固定端头Ⅰ12的一端固定在承载框架11内侧，另一端通过应力传感器15与待测试样(A或B)固定连接；所述试样固定端头Ⅱ13的一端与待测试样(A或B)固定连接，另一端穿过矩形框架且通过千分计量尺14与拉伸机构连接；所述应力读数显示器16与应力传感器15电连接。在具体检测时，对于纤维单丝试样，可采用将单根纤维粘于纸片后进行固定连接，使被检测纤维单丝分别与试样固定端头Ⅰ和试样固定端头Ⅱ固定连接。由于承载框架垂直安装在激光束的正下方，通过调整可以保证激光束与纤维轴线垂直。根据检测需要设定拉伸机构的拉伸变量，开启激光拉曼光谱仪，即可测得纤维单丝在不同形变量的条件下，所受应力与拉曼吸收峰波数的对应关系。

为检测纤维单丝在同一形变量的情况下，不同轴线位置所受应力与拉曼吸收峰波数的对应关系，本发明复合材料界面剪切强度检测装置的试样承载机构还设置有推动承载框架按照设定的距离沿水平或纤维轴线方向移动的步进机构。通常可采用常见的步进机构，包括皮带轮步进机构、齿轮齿条步进机构或蜗轮蜗杆步进机构，其设定的距离为0.01mm－2.00mm。通过设定可以使承载框架按照设定的距离沿水平或纤维轴线方向移动，由此，可以检测到同一形变量的情况下，不同轴线位置所受应力与拉曼吸收峰波数的对应关系。

作为优选，本发明复合材料界面剪切强度检测装置，所述激光拉曼光谱仪激光束的波长为514nm或633nm；所述激光拉曼光谱仪的空间分辨率≤2μm。所述拉伸机构设置有拉伸变量调节装置，所述拉伸变量的调节范围为0.05％－100％。。

当对复合材料样品进行拉伸检测，将复合材料条形样品的两端分别固定连接在试样固定端头Ⅰ和试样固定端头Ⅱ上，在拉曼光谱仪光学显微镜下找到复合材料样品中的纤维，然后，将激光拉曼光谱仪的激光束聚焦垂直照射在增强纤维微区上。如前所述，采用设定的拉伸变量和设定的距离，即可检测到复合材料样品中的纤维在同一拉伸变量的情况下，不同轴线位置所受应力与拉曼吸收峰波数的对应关系。

本发明基于激光拉曼光谱仪的复合材料界面剪切强度检测，采用本发明基于激光拉曼光谱仪的复合材料界面剪切强度检测装置对复合材料界面剪切强度检测，包括以下步骤：

S101、对于非碳增强纤维采用石墨烯纤维表面处理剂对增强纤维进行表面处理，使非碳增强纤维表面附着有碳原子，对于碳增强纤维则不作任何处理；

S102、将单根纤维粘于纸片作为样品，对增强纤维固定连接在试样固定端头Ⅰ和试样固定端头Ⅱ上，且将激光拉曼光谱仪的激光束垂直照射在增强纤维表面上(如附图1所示)；

S103、设定不同的拉伸变量并启动拉伸机构，可检测到被测纤维单丝在不同形变量ε情况下的拉曼吸收峰波数ν；绘制ε与ν的关系曲线，线性拟合后标定出斜率s；本实施例ε与ν的关系曲线如附图3所示，被测纤维单丝的形变量ε分别0％、0.4％、0.8％、1.2％和1.8％，线性拟合后标定出斜率s为-25.1cm^-1/％；图中，横坐标为形纤维变量Fiber>

S104、采用步骤S101处理后的增强纤维与热固性树脂或热塑性树脂复合制备纤维增强树脂基复合材料，并取条形复合材料试样；

S105、将条形复合材料试样固定端头Ⅰ和试样固定端头Ⅱ上(如附图2所示)，在拉曼光谱仪光学显微镜下找到复合材料样品中的纤维，并将激光拉曼光谱仪的激光束聚焦垂直照射在增强纤维微区上，获得相应微区的拉曼吸收峰波数；本实施例中，所述拉曼光谱仪光学显微镜采用×50倍目镜；

S106、开启试样承载机构的步进机构，使复合材料试样沿水平或纤维轴线方向有序移动设定距离，将激光拉曼光谱仪的激光束聚焦在增强纤维的不同微区上，获得相应微区的拉曼吸收峰波数；本实施例中，所述设定距离为0.05mm；

S107、设定不同的拉伸变量并启动拉伸机构，对复合材料施加设定的拉伸变量，重复步骤S106和S107，得到复合材料在不同形变量的条件下，沿纤维轴线不同位置微区的拉曼吸收峰波数；本实施例的检测结果如附图4所示，图中，横坐标为沿纤维轴线不同微区的位置Position along the fiber，纵坐标为拉曼吸收峰波数Raman wavenumber，MatrixStrain为复合材料形变；

S108、采用下式计算复合材料中纤维表面不同位置的微区应变ε_x，

$>{ϵ}_x=\frac{(v_o-v_x)}{s}$>

式中，v_x为步骤S105、S106和S>0为纤维表面应力为零时获得的拉曼吸收峰波数，s为步骤S103获得的斜率；由此，得到复合材料在不同应变量的情况下，其内部增强纤维沿纤维轴线不同位置的微区应变；本实施例的计算结果如附图5所示，图中，横坐标为增强纤维长度方向不同微区的位置Distance>

S109、按照纤维应力应变的关系，求得复合材料受到不同形变量的情况下，内部碳纤维沿纤维轴线不同位置的微区应力，并用曲线进行表述，所述曲线即为位置-应力曲线；本实施例的位置-应力曲线如附图6和附图7所示；图中，横坐标为沿纤维轴线不同微区的位置Position along the fiber，纵坐标为复合材料受到的应力Stress，Stress fit为应力拟合，Matrix Strain为复合材料形变量；附图6的复合材料形变量为0％、0.3％、0.6％、0.9％和1.2％，附图7的复合材料形变量为1.5％和1.8％；

从对以上计算得到的复合材料中纤维表面不同位置微区应变的分析可知，当外界对复合材料施加的应力为零时，得到的纤维表面不同微区的应力即为增强纤维与基体树脂复合过程中所产生的残留应力；该残留应力包括复合材料在成型固化过程中所产生的热应力、复合材料受外界温度变化的影响纤维与树脂因膨胀系数不同而产生的内应力和复合材料吸收环境中的水份后膨胀形变所产生的纤维与树脂之间的内应力；当外界对复合材料施加的应力为某设定值时，得到的纤维表面不同位置的微区应变即为该复合材料受到该应力后该微区纤维与基体树脂间的应变；

S110、采用下式对位置-应力曲线的数据进行拟合，

$>{\sigma }_f=E_f{ϵ}_m\left[1-\frac{\cosh \beta (\frac{l}{2}-x)}{\cosh \beta \frac{l}{2}}\right]$>

式中，E_f为增强纤维的杨氏模量，ε_m为树脂的应变，l为复合材料中所测纤维的长度，β采用以下公式求得：

$>\beta ={\left\{\frac{2}{r_1^2{E}_f{E}_m}\left[\frac{E_f{V}_f+E_m{V}_m}{\frac{V_m}{4G_f}+\frac{1}{2G_m}\left(\right(\frac{1}{V_m})ln\left(\frac{1}{V_f}\right)-1-\frac{V_m}{2}}\right]\right\}}^{\frac{1}{2}}$>

式中，r₁为增强纤维的直径，E_m为树脂基体的杨氏模量，V_m和V_f分别为复合材料中树脂基体和增强纤维的体积含量，G_m和G_f分别为树脂基体和增强纤维的剪切模量。

G可由以下公式求得：

$>G=\frac{E}{2(1+v)}$>

式中，E为杨氏模量，v为材料的泊松比；

S111、对步骤S110所得的拟合数据按照以下公式相对于位置x求导，即可得到界面的剪切强度τ；

$>\tau =\frac{r_1}{2}\frac{{\mathrm{d\sigma }}_f}{dx}$>

式中，r₁为增强纤维的直径。本实施例复合材料受到不同应变量时沿纤维轴线不同位置的微区界面剪切强度的关系如附图8、9和10所示，图中，横坐标为沿纤维轴线不同微区的位置Distance>

当复合材料受到外界应力后，其应力通过界面传递到增强纤维，对于界面粘结强度高的复合材料，其增强纤维的形变一定和基体树脂的形变一致或接近。然而，通常树脂基体的断裂伸长率远大于增强纤维，所以当复合材料的形变随着施加应力的增加达到一定程度时，其内部的增强纤维开始发生破坏断裂。并且纤维的断裂数随着外界应力的增加而增多，当断裂的纤维长度短到一定程度，其能够承受树脂界面传递的剪切力后，纤维不会再发生断裂，此时的纤维数量达到饱和。在这种状态下，由步骤S11所测得的最大界面剪切强度为该复合材料的临界界面剪切强度。

从以上描述可知，本发明方检测装置及法采用显微聚焦拉曼光谱仪，其激光束光斑直径小于2微米，测试分辨率高，能够深入测量纤维增强树脂基复合材料纤维与树脂基体界面微区，测试结果更准确，解决传统测试方法测试结果误差较大的问题。本发明方法不仅能够测量纤维和基体树脂间的残留应力，不仅能够测量纤维与基体树脂界面的临界剪切应力，同时还能测量复合材料在收到外界影响时，界面的临时微观应力。本发明方法属于无损检测，在不测量界面临界剪切应力时，对复合材料没有破坏性。

显然，本发明基于激光拉曼光谱仪的复合材料界面剪切强度检测装置及方法有益技术效果是能够对增强纤维单丝或复合材料内部的纤维单丝拉曼吸收峰波数和纤维单丝应变进行精确检测，为计算纤维表面微观区域的残余应力提供基础数据，并由此计算出界面剪切强度。