单轴应力下碳纤维复合材料的X射线谱

1、单轴应力下碳纤维复合材料的X射线谱实验研究单轴应力下碳纤维复合材料的X射线谱实验研究摘 要碳纤维复合材料是一种力学性能优异的新材料，它是由有机纤维通过一系列热处理制作转化形成的，其不仅保留了碳纤维固有的力学特性以及特征，而且新具备了纺织纤维的柔软性和可加工性，碳纤维复合材料在不同方向或大小的应力下性能会有所变化，因此，分析碳纤维复合材料在单轴拉压载荷下的应力变化会对无损检测行业有着重要的意义。文章论述了X射线衍射原理以及测定应力常数，利用电子万能材料试验机对碳纤维层合板进行拉伸试验，使用试验机施加足够单轴拉应力使碳纤维层合板断裂形成断面，再利用X射线衍射衍射仪检测断面的残余应力变化，结合知识分析结果数据和衍射谱与晶面间距之间的关系，并推广 X 射线衍射仪在无损检测技术中的应用以及未来发展的展望。关键词：碳纤维复合材料；单轴应力；X射线衍射；残余应力Experimental study on X-ray spectrum of carbon fiber composite under uniaxial stressAbstractCarbon fiber composite materi

2、al is a kind of excellent mechanical properties of new materials, it is made into organic fiber through a series of heat treatment, it not only retains the inherent mechanical properties and characteristics of carbon fiber, and the new have the softness and machinability of textile fiber, carbon fiber composite material under different directions or the size of the stress performance varies, as a result, the analysis of carbon fiber composite materials under uniaxial tension and compression load

3、 stress changes on nondestructive testing industry has important significance. Article discusses the principle of X-ray diffraction (XRD) and the determination of the stress constant, using electronic universal material testing machine for carbon fiber laminated plate tensile test, use machine applying uniaxial tensile stress enough to form carbon fiber laminated plate fracture section, using XRD diffraction residual stress distribution in the cross section of the test changes, combined with kno

4、wledge analysis data and diffraction spectrum and the relationship between the spacing, and promotion of X-ray diffractometer in the application of nondestructive testing technology and the prospect of future development.Keywords: Carbon fiber composite;Uniaxial stress;X-ray diffraction; Residual stress目录1前言11.1研究背景及其目的和意义12实验原理32.1 X射线衍射原理32.2 测定应力常数63实验材料及方法过程73.1 实验材料73.2 实验方法过程73.2.1 制作试验材料73.2.2 拉伸试验83.2.3 X射线衍射试验104结论12参考文献14致 谢161前言1.1研究背景及其目的和意义近年来，科技讯速发展，使用复合材料来替代铝合金等材料被应用在许多行业领域，例如航空、汽

5、车、电子等行业。飞机、汽车通过减轻自身重量来减少燃料消耗，电子产品则使自身轻盈便捷更受消费者喜欢。20世纪70年代，复合材料在军用飞机的制作使用上只占飞机总质量的5%，但直至目前，某些军用飞机的制作中，其总质量的50%都是应用的复合材料。在大型民用飞机中，复合材料的重量占比从20世纪80年代的不足5%到现在超过了50%。目前，一些无人机和直升机使用的复合材料比例约为80%左右1。复合材料是一种新材料，是由一种以上的不同材料经过化学、物理方法处理制作而成的，由于不同的材料成分之间不融合且会有界面，所以复合处理后，每种材料组分都会保留了自己原有的特性。因此与单一材料相比，复合材料的各方面性能都有了显著的提高。复合材料的制备工艺和复合材料的后处理加工工艺越来越先进，其发展也越来越成熟。因为制备的工艺发展越来越好，制作出来的碳纤维复合材料的性能也有很大的提升，复合材料比传统常规的金属材料具有更好的力学性能，能更好的适应困难和复杂的环境，甚至可以将复合材料加工成各种复杂的结构工件2。复合材料目前广泛应用于各领域方面，碳纤维复合材料便是多种高性能复合材料中应用较广泛的复合材料。碳纤维是从1960年

6、经过科学家们几十年技术研究和市场培育发展起来的，因为碳纤维自身具有优异的力学性能和纺织性，所以是当今较常见的增强材料。碳纤维复合材料是一种新型的含碳高性能无机纤维，其不仅具有极好的力学性能和碳材料固有特性，而且还具备纺织纤维的柔软可加工行，广泛应用于航空航天行业。随着一系列碳纤维及其复合材料的成功开发研究，碳纤维的应用已从航空和航天的应用扩大到许多特定行业部门，如风电行业、铁路运输和汽车行业等3。碳纤维可分为三类，碳纤维类型的不同取决于其制备时所用的主要原丝的不同。碳纤维本身是有很强的刚性，主要用作陶瓷、树脂等基体的增强材料，以获得具有性能更优异的碳纤维复合材料4。制备和使用此材料时会有外界因素的干扰，因为材料内部具有不一致的力学性能以及内部的分层和裂纹等缺陷，残余应力不可避免地由多个因素产生，在使用碳纤维复合材料时，各种载荷的存在也会产生应力，从而加重损伤内部结构分层、裂纹等，导致大幅度减少复合材料的稳定性程度和结构强度。因此，在使用前非常重要的是要准确地测量确定残余应力，然后调整材料的残余应力分布对往后的工作也是很重要的，这样可以减少或消除工作中的风险。56在没有外部因素影响的情况

7、下维持物体内部平衡的应力称为残余应力。在构件的制造过程中，工艺处理等不同因素或负荷的作用都有可能产生残余应力对材料构件有影响，对试件材料分布合理的残余应力是可以延长其使用寿命的。产生和存在残余应力会对结构物件有很大的影响，结构件的强度、刚度、断裂强度、损伤稳定性和耐腐蚀性都会有不同程度的影响，是结构完整性评价的重要指标。随着人们对残余应力的意识水平上升,人们采取一系列措施来检测残余应力，检测试件的各方面性能。超声检测技术、涡流检测技术、拉曼光谱技术、X射线检测技术等，这几种是目前较常用来检测碳纤维的无损检测技术。易增博7等利用硝酸-超声协同处理方法对T-300型PAN基碳纤维做检测试验，研究超声技术对碳纤维的润湿性、分散性、拉伸强度和弯曲强度等力学性能，得出的最佳的处理条件是通过在温度60和时间为2个小时里，采用65%的浓硝酸作为检测的辅助材料，利用超声协同的方法处理碳纤维。经过处理后的碳纤维力学性能会有所改变，其拉伸强度下降了8.5%左右，但对碳纤维的性能影响不大。郭建光8等运用涡流无损方法对单轴、双轴碳纤维增强塑料进行感应热成像研究，在检测时可以预料会产生感应电流在远离感应器的地方

8、流动，单轴碳纤维增强塑料具有较好的热稳定性激烈的电感。冯炎青9等使用633nm波长的激光作拉曼光谱对碳纤维复合材料作受压测量，结论可了解到碳纤维的各个峰值会与应力之间存在一定的正比关系，因此可以了解到利用拉曼光谱技术测量碳纤维复合材料可以获取一定的力学性能信息。在碳纤维复合材料这方面，利用X射线检测技术检测是正在迅速的发展，X射线检测技术适合于检测大多数复合材料的缺陷和特性。检测的结果是挺准确和直观可靠的，还可以对材料密度的分布进行定性描述，并对材料的密度值进行定量测量10。X射线检测技术是目前无损检测研究或工作领域应用较广泛的一种方法。目前国内外，X射线检测技术对碳纤维复合材料的检测研究有较为成熟的发展。在X射线检测技术发展过程中，朱延霆11等用X射线CT成像检测技术作为检测方法，将碳纤维复合材料气瓶作为实验材料，不仅具有良好的表面检测效果，还能准确检测到纤维层内部的孔隙缺陷。Pejryd12等采用工业X射线CT技术检测被钻孔的碳纤维增强复合材料的表面及表面下的缺陷，表面的粗糙度和脱粘程度可在检测结果中看到，还能观察到样品表面下的纤维裂缝。Sanheecareddy13等利用X射线散

9、射技术（康普顿背散射成像检测技术）对航空航天复合材料进行X射线检测，运用高能的X射线源对样品做了相关的实验，验证了该技术对复合材料的适用性。此技术不仅可以检测出材料性能的微小变化，而且可检测低密度的材料。X射线检测技术包括多种不同的检测方法，其中一种X射线无损检测方法因其严谨的理论,成熟的方法,效率高和方便测试而被广泛应用于各个领域的科学研究和工业生产，这种无损检测技术就是X射线衍射技术14。从X射线的发现到利用X射线衍射检测的发展过程中，是因为历来优秀的科学家辛苦付出努力才会有如今较成熟的发展，物理学家们不仅发现穿透力强的X射线，而且发现X射线能在晶体中能产生衍射现象并通过设计X射线分光计而发现特征X射线15。用X射线衍射法检测对材料是无损伤的，可用于检测表面的残余应力，是一种较成熟、无损伤、精度高的无损检测方法。X射线衍射技术提供了一种衡量无应力损失、非接触式的高空间分辨率、光谱范围大且频率不受激光光源频率限制的测试方法，可以分别测量轴向、切向和径向残余应力，测试曲面和球面试样的残余应力16。在1950年之前，记录晶体的X射线衍射数据结果和分析晶体结构都是采用照相法利用底片来记录的，采用这种方式记录数据，不但消耗的时间多而且精确度并不高，但随着计算机和人工智能的高速发展，X射线衍射仪的功能越来越齐全，其操作越来越简便，数据结果分析采集也越来越快，精确度在持续提高。X射线衍射仪测量碳纤维材料时能获得其材料特定的力学性能，在微器件检测、界面或表面检测以及要求更高精度的检测方面具有独特的优势。王泽若17等将钛白粉作为实验材料，结论可得X射线衍射仪可以对钛白粉表面改性物质的晶型结构、钛白粉中二氧化钛晶型和比例能快速准确的测定。陈子羿1等采用介质粘贴在碳纤维复合材料表面上，然后利用X射线衍射法检测表面介质的残余应力，再对材料施加不同的载荷，通过检测施加载荷过程中应力值的变化，按照碳纤

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