基于激光拉曼光譜儀的復合材料界面剪切強度檢測裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型基于激光拉曼光譜儀的復合材料界面剪切強度檢測裝置，包括激光拉曼光譜儀、試樣承載機構和拉伸機構；試樣承載機構包括承載框架、試樣固定端頭Ⅰ、試樣固定端頭Ⅱ、應力傳感器、千分計量尺和應力讀數顯示器；承載框架為矩形且垂直安裝在激光束的正下方，其矩形框架的一端內側固定安裝有試樣固定端頭Ⅰ，另一端活動安裝有試樣固定端頭Ⅱ，由此構成固定待測試樣的固定機構；試樣固定端頭Ⅰ的一端固定在承載框架內側，另一端通過應力傳感器與待測試樣固定連接；試樣固定端頭Ⅱ的一端與待測試樣固定連接，另一端穿過矩形框架且通過千分計量尺與拉伸機構連接；應力讀數顯示器與應力傳感器電連接。本實用新型能精確檢測，計算出界面剪切強度。
【專利說明】
基于激光拉曼光譜儀的復合材料界面剪切強度檢測裝置
技術領域
[0001] 本實用新型涉及到纖維增強樹脂基復合材料界面剪切強度檢測技術，特別涉及到 一種基于激光拉曼光譜儀的復合材料界面剪切強度檢測裝置。
【背景技術】
[0002] 纖維增強樹脂基復合材料以獨特的輕量化效果（高比強度和比模量)成為眾多技 術領域(汽車工業(yè)、風力發(fā)電、軌道交通、體育休閑、家電、建筑和航空航天等技術領域)的主 流技術趨勢。其在國民經濟中占有重要地位，是國家產業(yè)政策重點鼓勵發(fā)展的行業(yè)，發(fā)展空 間巨大。尤其當前汽車輕量化技術是節(jié)省能源、提高行駛性能的有效方法之一，也是國內外 汽車制造商追求的關鍵技術目標之一。然而，由于復合材料中增強纖維與基體樹脂熱膨脹 系數的差異，導致了復合材料在生產固化過程中，或后期使用過程中隨環(huán)境溫度的變化，導 致復合材料內部產生內應力。沿纖維軸向的應力對復合材料的拉伸性能和疲勞性能會產生 很大的影響，沿纖維軸向的應力對復合材料的拉伸性能和疲勞性能會產生很大的影響，而 纖維增強樹脂基復合材料的界面剪切強度直接影響到復合材料的強度和韌性。因此，精確 測量纖維增強樹脂基復合材料的界面剪切強度，對于提升纖維增強樹脂基復合材料的綜合 力學性能及其在各種復雜環(huán)境下的使用安全性意義重大。
[0003] 目前，現有技術纖維增強樹脂基復合材料界面剪切強度的檢測方法，主要有纖維 拔出、纖維壓入、纖維斷裂和微珠脫粘等四種測試方法，其特點都是讓單纖維界面承受剪 力，根據界面脫粘載荷計算得出界面剪切強度，其差別僅在于所用試件的外形和加載方式 不同。然而，由于忽略了界面楔形角不同，導致各種測試方法對于同種纖維和樹脂的檢測， 通常得出不同的界面剪切強度。另外，這些方法只能測量臨界界面剪切強度，對于未發(fā)生界 面破壞的剪切應力則無法測量。
[0004] 顯然，現有技術纖維增強樹脂基復合材料界面剪切強度的檢測方法存在著界面剪 切強度測量不準確和只能測量臨界界面剪切強度等問題。

【發(fā)明內容】

[0005] 為解決現有技術纖維增強樹脂基復合材料界面剪切強度的檢測方法存在的界面 剪切強度測量不準確和只能測量臨界界面剪切強度等問題，本實用新型提出一種基于激光 拉曼光譜儀的復合材料界面剪切強度檢測裝置。
[0006] 本實用新型基于激光拉曼光譜儀的復合材料界面剪切強度檢測裝置，包括，激光 拉曼光譜儀、試樣承載機構和拉伸機構;所述試樣承載機構，包括，承載框架、試樣固定端頭 I、試樣固定端頭Π 、應力傳感器、千分計量尺和應力讀數顯示器;所述承載框架為矩形且垂 直安裝在激光束的正下方，其矩形框架的一端內側固定安裝有試樣固定端頭I，另一端活動 安裝有試樣固定端頭Π ，由此構成固定待測試樣的固定機構;所述試樣固定端頭I的一端固 定在承載框架內側，另一端通過應力傳感器與待測試樣固定連接;所述試樣固定端頭Π 的 一端與待測試樣固定連接，另一端穿過矩形框架且通過千分計量尺與拉伸機構連接;所述 應力讀數顯示器與應力傳感器電連接。
[0007] 進一步的，所述試樣承載機構還設置有推動承載框架按照設定的距離沿水平或纖 維軸線方向移動的步進機構。
[0008] 進一步的，所述步進機構皮帶輪步進機構、齒輪齒條步進機構或蝸輪蝸桿步進機 構，其設定的距離為0.01mm-2.00mm。
[0009] 進一步的，所述激光拉曼光譜儀激光束的波長為514nm或633nm;所述激光拉曼光 譜儀的空間分辨率彡2μπι。
[0010]進一步的，所述拉伸機構設置有拉伸變量調節(jié)裝置，所述拉伸變量的調節(jié)范圍為 0.05% -100%〇
[0011] 本實用新型基于激光拉曼光譜儀的復合材料界面剪切強度檢測裝置有益技術效 果是能夠對增強纖維單絲或復合材料內部的增強纖維單絲拉曼吸收峰的波數和纖維單絲 的應變進行精確檢測，為計算纖維表面微觀區(qū)域的殘余應力提供基礎數據，并由此計算出 界面剪切強度。
【附圖說明】
[0012] 附圖1為本實用新型檢測裝置對纖維單絲試樣進行拉伸檢測的示意圖；
[0013] 附圖2為本實用新型檢測裝置對復合材料試樣進行拉伸檢測的示意圖；
[0014] 附圖3為本實用新型檢測裝置實際檢測實施例￡與￥的關系曲線；
[0015] 附圖4為本實用新型檢測裝置實際檢測實施例沿纖維軸線不同位置微區(qū)的拉曼吸 收峰波數關系；
[0016] 附圖5為本實用新型檢測裝置實際檢測實施例內部增強纖維沿纖維軸線不同位置 的微區(qū)應變關系；
[0017] 附圖6為本實用新型檢測裝置實際檢測實施例復合材料形變量為0%、0.3%、 0·6%、0·9%的位置-應力曲線；
[0018] 附圖7為本實用新型檢測裝置實際檢測實施例復合材料形變量為1.5%和1.8%的 位置-應力曲線；
[0019] 附圖8為本實用新型檢測裝置實際檢測實施例復合材料應變量為0.3%、0.6%、 0.9%和1.2%的沿纖維軸線不同位置的微區(qū)界面剪切強度的關系；
[0020]附圖9為本發(fā)明檢測方法復合材料應變量為1.5%的沿纖維軸線不同位置的微區(qū) 界面剪切強度的關系；
[0021] 附圖10為本實用新型檢測裝置實際檢測實施例復合材料應變量為1.8%的沿纖維 軸線不同位置的微區(qū)界面剪切強度的關系。
[0022] 下面結合附圖和具體實施例對本實用新型基于激光拉曼光譜儀的復合材料界面 剪切強度檢測裝置作進一步的說明。
【具體實施方式】
[0023] 附圖1為本實用新型檢測裝置對增強纖維單絲進行拉伸檢測的示意圖，附圖2為本 實用新型檢測裝置對復合材料樣品進行拉伸檢測的示意圖，圖中，11為承載框架，12為試樣 固定端頭I，13為試樣固定端頭Π ，14為應力傳感器，15為千分計量尺，16為應力讀數顯示 器，21為激光頭，22為激光束，A為纖維單絲試樣，B為復合材料試樣，箭頭方向為拉伸方向。 由圖可知，本實用新型基于激光拉曼光譜儀的復合材料界面剪切強度檢測裝置，包括，激光 拉曼光譜儀(未圖示）、試樣承載機構和拉伸機構(未圖示）；所述試樣承載機構，包括，承載 框架11、試樣固定端頭112、試樣固定端頭Π 13、應力傳感器15、千分計量尺14和應力讀數顯 示器16;所述承載框架11為矩形且垂直安裝在激光束22的正下方，其矩形框架的一端內側 固定安裝有試樣固定端頭112,另一端活動安裝有試樣固定端頭Π 13,由此構成固定待測試 樣(A或B)的固定機構;所述試樣固定端頭112的一端固定在承載框架11內側，另一端通過應 力傳感器15與待測試樣(A或B)固定連接;所述試樣固定端頭Π 13的一端與待測試樣(A或B) 固定連接，另一端穿過矩形框架且通過千分計量尺14與拉伸機構連接;所述應力讀數顯示 器16與應力傳感器15電連接。在具體檢測時，對于纖維單絲試樣，可采用將單根纖維粘于紙 片后進行固定連接，使被檢測纖維單絲分別與試樣固定端頭I和試樣固定端頭Π 固定連接。 由于承載框架垂直安裝在激光束的正下方，通過調整可以保證激光束與纖維軸線垂直。根 據檢測需要設定拉伸機構的拉伸變量，開啟激光拉曼光譜儀，即可測得纖維單絲在不同形 變量的條件下，所受應力與拉曼吸收峰波數的對應關系。
[0024] 為檢測纖維單絲在同一形變量的情況下，不同軸線位置所受應力與拉曼吸收峰波 數的對應關系，本實用新型復合材料界面剪切強度檢測裝置的試樣承載機構還設置有推動 承載框架按照設定的距離沿水平或纖維軸線方向移動的步進機構。通?？刹捎贸Ｒ姷牟竭M 機構，包括皮帶輪步進機構、齒輪齒條步進機構或蝸輪蝸桿步進機構，其設定的距離為 0.01mm-2.00mm。通過設定可以使承載框架按照設定的距離沿水平或纖維軸線方向移動， 由此，可以檢測到同一形變量的情況下，不同軸線位置所受應力與拉曼吸收峰波數的對應 關系。
[0025] 作為優(yōu)選，本實用新型復合材料界面剪切強度檢測裝置，所述激光拉曼光譜儀激 光束的波長為514nm或633nm;所述激光拉曼光譜儀的空間分辨率<2μπι。所述拉伸機構設置 有拉伸變量調節(jié)裝置，所述拉伸變量的調節(jié)范圍為〇. 05% -100%。。
[0026] 當對復合材料樣品進行拉伸檢測，將復合材料條形樣品的兩端分別固定連接在試 樣固定端頭I和試樣固定端頭Π 上，在拉曼光譜儀光學顯微鏡下找到復合材料樣品中的纖 維，然后，將激光拉曼光譜儀的激光束聚焦垂直照射在增強纖維微區(qū)上。如前所述，采用設 定的拉伸變量和設定的距離，即可檢測到復合材料樣品中的纖維在同一拉伸變量的情況 下，不同軸線位置所受應力與拉曼吸收峰波數的對應關系。
[0027] 具體而言，本實用新型基于激光拉曼光譜儀的復合材料界面剪切強度檢測裝置， 在對復合材料界面剪切強度檢測時。包括以下步驟：
[0028] S101、對于非碳增強纖維采用石墨烯纖維表面處理劑對增強纖維進行表面處理， 使非碳增強纖維表面附著有碳原子，對于碳增強纖維則不作任何處理；
[0029] S102、將單根纖維粘于紙片作為樣品，對增強纖維固定連接在試樣固定端頭I和試 樣固定端頭Π 上，且將激光拉曼光譜儀的激光束垂直照射在增強纖維表面上（如附圖1所 示）；
[0030] S103、設定不同的拉伸變量并啟動拉伸機構，可檢測到被測纖維單絲在不同形變 量ε情況下的拉曼吸收峰波數ν;繪制￡與^的關系曲線，線性擬合后標定出斜率s;本實施例ε 與ν的關系曲線如附圖3所示，被測纖維單絲的形變量ε分別0%、0.4%、0.8%、1.2%和 1.8%，線性擬合后標定出斜率S為-25. lcnf1/% ;圖中，橫坐標為形纖維變量Fiber Strain， 縱坐標為拉曼吸收峰波數Raman wavenumber，Linear fit slope為線性擬合斜率；
[0031] S104、采用步驟S101處理后的增強纖維與熱固性樹脂或熱塑性樹脂復合制備纖維 增強樹脂基復合材料，并取條形復合材料試樣；
[0032] S105、將條形復合材料試樣固定端頭I和試樣固定端頭Π 上，在拉曼光譜儀光學顯 微鏡下找到復合材料樣品中的纖維，并將激光拉曼光譜儀的激光束聚焦垂直照射在增強纖 維微區(qū)上，獲得相應微區(qū)的拉曼吸收峰波數;本實施例中，所述拉曼光譜儀光學顯微鏡采用 X 50倍目鏡；
[0033] S106、開啟試樣承載機構的步進機構，使復合材料試樣沿水平或纖維軸線方向有 序移動設定距離，將激光拉曼光譜儀的激光束聚焦在增強纖維的不同微區(qū)上，獲得相應微 區(qū)的拉曼吸收峰波數;本實施例中，所述設定距離為0.05mm;
[0034] S107、設定不同的拉伸變量并啟動拉伸機構，對復合材料施加設定的拉伸變量，重 復步驟S106和S107,得到復合材料在不同形變量的條件下，增強纖維沿軸線方向不同微區(qū) 的拉曼吸收峰波數;本實施例的檢測結果如附圖4所示，圖中，橫坐標為增強纖維軸線不同 微區(qū)的位置Position along the fiber，縱坐標為拉曼吸收峰波數Raman wavenumber， Matrix Strain為復合材料形變；
[0035] S108、采用下式計算復合材料中纖維表面不同位置的微區(qū)應變εχ，
[0036]
[0037] 式中，νχ為步驟S105、S106和S 107獲得的拉曼吸收峰波數，νο為纖維表面應力為零 時獲得的拉曼吸收峰波數，s為步驟S103獲得的斜率；由此，得到不同應變量的復合材料，其 內部增強纖維在各個位置的微區(qū)應變;本實施例的計算結果如附圖5所示，圖中，橫坐標為 增強纖維長度方向不同微區(qū)的位置Distance along the fiber，縱坐標為增強纖維表面的 微區(qū)應變Local strain，Matrix Strain為復合材料形變；
[0038] S109、按照纖維應力應變的關系，求得復合材料受到不同形變量的情況下，內部碳 纖維在纖維軸線不同位置的微區(qū)應力，并用曲線進行表述，所述曲線即為位置-應力曲線； 本實施例的位置-應力曲線如附圖6和附圖7所示；圖中，橫坐標為纖維軸線不同微區(qū)的位置 Position along the fiber，縱坐標為復合材料受到的應力Stress，Stress fit為應力擬 合，Matrix Strain為復合材料形變量;附圖6的復合材料形變量為0%、0.3%、0.6%、0.9% 和1.2 %，附圖7的復合材料形變量為1.5 %和1.8 % ;
[0039] 從對以上計算得到的復合材料中纖維表面不同位置微區(qū)應變的分析可知，當外界 對復合材料施加的應力為零時，得到的纖維表面不同微區(qū)的應力即為增強纖維與基體樹脂 復合過程中所產生的殘留應力;該殘留應力包括復合材料在成型固化過程中所產生的熱應 力、復合材料受外界溫度變化的影響纖維與樹脂因膨脹系數不同而產生的內應力和復合材 料吸收環(huán)境中的水份后膨脹形變所產生的纖維與樹脂之間的內應力；當外界對復合材料施 加的應力為某設定值時，得到的纖維表面不同位置的微區(qū)應變即為該復合材料受到該應力 后該微區(qū)纖維與基體樹脂間的應變；
[0040] S110、采用下式對位置-應力曲線的數據進行擬合，
[0041]
[0042] 式中，Ef為增強纖維的楊氏模量，^為樹脂的應變，1為復合材料中所測纖維的長 度，β采用以下公式求得：
[0043]
[0044] 式中，ri為增強纖維的直徑，Em為樹脂基體的楊氏模量，Vm和Vf分別為復合材料中 樹脂基體和增強纖維的體積含量，G4PG f分別為樹脂基體和增強纖維的剪切模量。
[0045] G可由以下公式求得：
[0046]
[0047] 式中，E為楊氏模量，v為材料的泊松比；
[0048] S111、對步驟S110所得的擬合數據按照以下公式相對于位置X求導，即可得到界面 的剪切強度τ:
[0049]
[0050] 式中，ri為增強纖維的直徑。本實施例復合材料受到不同應變量時沿纖維軸線不 同位置的微區(qū)界面剪切強度的關系如附圖8、9和10所示，圖中，橫坐標為沿增強纖維軸線不 同微區(qū)的位置Distance along the fiber，縱坐標為復合材料界面剪切強度ISS;Matrix Strain為復合材料應變量;附圖8的復合材料應變量為0.3%、0.6%、0.9%和1.2%，附圖9 的復合材料應變量為〇%，附圖10的復合材料應變量為1.8%。
[0051] 顯然，本實用新型基于激光拉曼光譜儀的復合材料界面剪切強度檢測裝置有益技 術效果是能夠對增強纖維單絲或復合材料內部的纖維單絲拉曼吸收峰波數和纖維單絲應 變進行精確檢測，為計算纖維表面微觀區(qū)域的殘余應力提供基礎數據，并由此計算出界面 剪切強度。
【主權項】
1. 一種基于激光拉曼光譜儀的復合材料界面剪切強度檢測裝置，其特征在于，該檢測 裝置包括，激光拉曼光譜儀、試樣承載機構和拉伸機構;所述試樣承載機構，包括，承載框 架、試樣固定端頭I、試樣固定端頭Π 、應力傳感器、千分計量尺和應力讀數顯示器;所述承 載框架為矩形且垂直安裝在激光束的正下方，其矩形框架的一端內側固定安裝有試樣固定 端頭I，另一端活動安裝有試樣固定端頭Π ，由此構成固定待測試樣的固定機構;所述試樣 固定端頭I的一端固定在承載框架內側，另一端通過應力傳感器與待測試樣固定連接;所述 試樣固定端頭Π 的一端與待測試樣固定連接，另一端穿過矩形框架且通過千分計量尺與拉 伸機構連接;所述應力讀數顯示器與應力傳感器電連接。2. 根據權利要求1所述基于激光拉曼光譜儀的復合材料界面剪切強度檢測裝置，其特 征在于，所述試樣承載機構還設置有推動承載框架按照設定的距離沿水平或纖維軸線方向 移動的步進機構。3. 根據權利要求2所述基于激光拉曼光譜儀的復合材料界面剪切強度檢測裝置，其特 征在于，所述步進機構皮帶輪步進機構、齒輪齒條步進機構或蝸輪蝸桿步進機構，其設定的 距離為 〇. 01mm-2.00mm。4. 根據權利要求1所述基于激光拉曼光譜儀的復合材料界面剪切強度檢測裝置，其特 征在于，所述激光拉曼光譜儀激光束的波長為514nm或633nm;所述激光拉曼光譜儀的空間 分辨率彡2μπι。5. 根據權利要求1所述基于激光拉曼光譜儀的復合材料界面剪切強度檢測裝置，其特 征在于，所述拉伸機構設置有拉伸變量調節(jié)裝置，所述拉伸變量的調節(jié)范圍為0.05% - 100%〇
【文檔編號】G01N3/06GK205607784SQ201620406612
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】金思宇
【申請人】金思宇