[发明专利]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。

主权项

1.一种基于激光拉曼光谱仪的复合材料界面剪切强度检测方法，其特征在于，该检测方法使用的装置包括，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；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；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V；绘制ε与V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，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,式中，V_x为步骤S105、S106和S107获得的拉曼吸收峰波数，V₀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，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：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：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；式中，r₁为增强纤维的直径。