短碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的宏微观实验研究

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1、中国科学技术大学博士学位论又短碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的宏微观实验研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：王罗斌固体力学胡小方教授许峰副教授二O一三年十一月㈣㈣UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’SdegreeExperimentalresearchonthemechanicalpropertiesofshortcarbonfiberreinforcedepoxycompositesonmacroandmicroscalesAuthor’SName：Luobinwan

2、gSpeciality：SolidMechanicsSupervisor：Prof．XiaofangHu，FengXuFinishedtime：November,2013中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：签字日期：中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校

3、有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。口公开口保密(——年)作者签名：签字日期：导师签名：签字日期：摘要摘要碳纤维树脂基复合材料以其优异的力学性能被广泛应用于各工业领域，研究碳纤维复合材料的破坏机理有重要的理论和实际意义。本文从宏观和微观两方面实验研究了短碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学行为。首先制备了复合材料样品，研究了

4、短碳纤维的含量对复合材料力学性能的影响，并分别通过纤维表面氧化处理和加入碳纳米管协同增强等方式进一步改善了复合材料的力学性能。然后，为了将同步辐射CT技术(SR—CT)应用于复合材料内部微结构动态破坏过程的实验观察，本文成功构建了一套适用于同步辐射实验室线站的SR—CT材料微力加载实验系统。基于该实验系统，开展了短碳纤维复合材料样品静态和动态的SR—CT观察实验。由实验结果并结合短纤维复合材料应力传递理论，分析了微结构对复合材料力学性能的影响和作用。本文的主要研究内容和创新之处是：一、制备了短碳纤维增强环氧树脂复合材料的样品，研究了短碳纤维的含量对复合材料拉伸力学性

5、能的影响，并通过碳纤维表面处理和加入碳纳米管等方法进一步改善了复合材料的力学性能。目前关于碳纳米管和碳纤维协同增强树脂基复合材料的报道是比较少见的。1)分别通过三辊法和超声分散法制备了短纤维和碳纳米管单独和协同增强复合材料的样品，研究了不同制备工艺对复合材料力学性能的影响。；2)实验测定了不同组分复合材料的宏观力学性能。研究了短纤维含量对复合材料力学性能的影响，并利用细观力学理论模型对实验结果进行了分析。通过碳纤维的表面氧化处理和加入碳纳米管的方法进一步改善了复合材料的力学性能。二、从实验硬件和软件两方面构建了一套复合材料动态破坏过程SR-CT实验观察系统。目前尚未

6、见到与该实验系统有关的报道。1)在实验硬件上，本文研究了同步辐射CT技术应用于观察复合材料动态破坏过程的技术难点。通过对技术难点的分析，提出了相应的解决方案。设计了微力加载实验装置的驱动、夹持、力测量和支撑系统。并对该实验装置进行了精度标定和测试。2)在实验软件上，本文运用图像处理的方法实现了对纤维结构参数的提取。根据样品纤维结构的特点，可以将纤维信息的提取问题转化为求三维纤维结构最小外接圆柱的问题。将三维纤维投影至二维图像时，还可将求三维实体最小外接圆柱的问题转化为求二维图形最小外接圆的问题。基摘要于以上分析，利用编程方法实现了对纤维结构参数的提取。三、利用同轴相

7、衬成像技术，首次得到了短碳纤维复合材料动态破坏过程的亚微米分辨率三维图像。这对进一步理论研究复合材料中的应力传递机制提供了实验支持。1)研究了在X射线弱吸收物质中应用较广泛的相衬成像技术，通过对实验条件的分析，得到了相衬成像实验中样品与CCD之间的最佳成像距离。进行了复合材料微小样品静态SR—CT观察实验，为观察复合材料动态破坏过程的SR-CT观察实验奠定了技术基础。2)进行了复合材料动态破坏过程的SR-CT观察实验，首次得到了亚微米分辨率下的短纤维树脂基复合材料动态破坏过程的三维形貌图像。实验结果表明，纤维的无效长度越短，则复合材料破坏时断裂纤维所占的比重越高