碳纤维复合材料界面残余应力的x射线衍射分析

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1、高技术通讯*$$$.*.碳纤维复合材料界面残余应力的!射线衍射分析!"黄玉东刘玉文费维栋要智勇张志谦（哈尔滨工业大学应用化学系哈尔滨"#$$$"）摘要根据碳纤维的晶体学特点，提出了利用!%射线衍射技术分析碳纤维／树脂基复合材料界面残余应力的新方法。通过在环氧树脂基体中引入膨胀单体，改变界面残余应力，对本文提出的方法进行了验证。关键词碳纤维复合材料，界面，残余应力，!射线衍射轴向排列，结晶度在4$5以上。&’()界面处的残$引言余应力使碳纤维晶体的晶面间距发生变化，这种变界面是复合材料极为重要的微结构，它作为增化可以通过!射线衍射峰的峰位变化而表现出来。强纤维与

2、基体连接的“纽带”，对复合材料的物理、根据布拉格衍射方程*!672!""，通过测得的衍射化学及力学性能有着至关重要的影响［"］。对于碳角*!可以计算出晶面间距，然后根据弹性力学原纤维／树脂基复合材料（&’()），由于纤维与树脂理，由应变计算出应力的大小。热膨胀系数失配以及树脂固化收缩会在材料界面处由于碳纤维单丝的直径很小，而且具有较大的形成残余应力，这种应力常导致材料超前的脱粘破长径比，所以可将碳纤维受到的残余应力作为轴对坏或严重脆化［*］。因此如何定量表征该界面残余称处理，其受力模型如图"所示。应力，并通过控制该应力制得具有最佳综合性能的&’()已经成为目前

3、研究的热点问题。以往人们主要采用光弹性法和电测法分析复合材料中的残余应力。光弹性法尽管比较精确，但在计算应力过程中需要有严格的边界条件或其它辅助条件来确定主应力中的一个应力，才能完全确定各点的应力状态［+］。另外，对分析材料亦有一定要求，即必须透光，这就限制了其应用范围。电测法一般只适用于材料表面应变测量［,］，嵌入复合材料内部应变丝一方面容易损坏，另一方面由于应变丝的加入，使复合材料测量区域应力分布受到影响而使测量结果失真。近年来，人们采用!射线和中子衍射技术成功地分析了金属基复合材料中的内应力。本文在图"碳纤维中残余应力分布示意图［#］的基础上，首次将!射

4、线衍射-./.&0123工作技术应用于&’()界面残余应力的分析中；同时将假定碳纤维轴向为8方向，当测量垂直于纤膨胀单体引入树脂体系以消除界面部分残余应力，维轴方向的晶面衍射时，由该衍射峰位移得到的应验证了该方法表征&’()界面残余应力的可行性。变即是碳纤维8方向的应变（##）：$!#$!#"测量原理##"$（"）!#碳纤维是一种类石墨结构，晶体基本沿着纤维式中，!为垂直于碳纤维方向的晶面的面间距，!$##!国家自然科学基金资助项目（#:49+$$#）。"男，":;#年生，博士，教授；研究方向：树脂基复合材料；联系人。（收稿日期：":::%$+%$4；修订日期

5、：":::%$;%*4）—9*—黄玉东等：碳纤维复合材料界面残余应力的0射线衍射分析为无应力时这些晶面面间距（可由自由碳纤维测得误差（均方差）达到最小；再利用近似函数法进定）。行线形分析，从而得到衍射峰峰位。在测量平行于纤维轴方向的晶面衍射时，由此表#为环氧树脂基体中含有不同含量的膨胀单而得到的应变即是!，且有：体的8@A+衍射峰峰位，随着引入膨胀单体的含量!##!变化，峰位也发生变化。由等式（#）!（’）可分!$!（"）!!"!#!别计算出8@A+界面处沿碳纤维轴向和径向的残余根据等式（#）和（"）便可计算碳纤维轴向和径向各应力（如图"所示）。其中%D!%#

6、)’#+,，#!*&%#应变分量。维D!%"#"#+,，#!D!%’’!!+,。!可以认为，$方向和!方向即为应力的主轴方向，有：表#碳纤维／环氧复合材料0射线衍射峰峰位&%［"#!’!!(（#$#!$）!’］（&）膨胀单体"%"!)#!#)"!#$#!$$"#’!%#!’含量／GEH&!（!!(!’·#’!）轴向衍射"!"（’）峰位（"$）’"I6!"#’"IJ66J’"I.#&"’"I.#&"’"I’&".#$#!$$"#!’%#’!式中，(为碳纤维的弹性模量；#为碳纤维的泊松比；径向衍射"#I6!!’"!IK!J#"!IK!J#"!I.!!#"!I!!&

7、J峰位（"$）&’""&)*+,，&!"#’!*+,，!!$"!%")，)’!"!%&)，#!’"!%"#；将等式（#）、（"）代入（&）、（’），即可得到碳纤维／基体界面在轴向和径向的残余应力"%和"!。"测试实例"%#实验方法采用模压成型工艺制备碳纤维／环氧单向复合材料，将尺寸为")-.%)-"//的试样放在0射线衍射仪（日本理学电机1／/,2345型）的电子管筒内，转靶范围为&67!)!7和#)7!&)7。衍射条图"引入不同含量膨胀单体时复合材料界面的件：89靶:"衍射，用;<滤波片滤波，操作电压残余应力)!=>，电流")/?。用阶梯扫描方式测量各衍射峰

8、的峰形，步长为!%!"7。由于膨胀单体