[发明专利]基于同步辐射CT的碳纤维/环氧树脂三维机织复合材料拉-拉疲劳损伤演化研究试验方法

说明书

本发明公开了一种基于同步辐射CT的碳纤维/环氧树脂三维机织复合材料拉‑拉疲劳损伤演化研究试验方法，所述方法从宏观和细观两个尺度分析三维机织复合材料疲劳损伤特性。通过在疲劳加载过程中原位实时观测试验件的动态刚度以及试验件表面温度，得到此时材料所处的疲劳退化阶段。将不同的试验件疲劳加载至不同的退化阶段后停止试验，将带有损伤的试验件切割、打磨、抛光，然后送至同步辐射CT进行损伤检测。通过分析CT重构后的三维图像，获得碳纤维/环氧树脂三维机织复合材料疲劳损伤演化历程和损伤机理。本发明解决了传统CT无法清楚区分碳纤维和环氧树脂的问题，同时解决了三维机织复合材料疲劳损伤机理观测困难的问题。

技术领域

本发明涉及一种结合力学测试、红外热成像和同步辐射CT(SRCT)的研究碳纤维/环氧树脂三维机织复合材料疲劳损伤的宏细观试验方法。

背景技术

三维机织复合材料最早是在1960年代被开发，其克服了二维层合板的缺点。与层合板和二维编织复合材料相比，三维机织复合材料具有较高的抗分层性、较高的断裂韧性、更高的损伤容限和良好的形状可设计性，因此这种材料受到越来越多的关注。此外，在存在多向机械应力和热应力的情况下，三维机织复合材料也能够很好的胜任。该种材料已被广泛应用于许多领域，例如民用建筑、航空航天领域、风力涡轮机和人体假肢等。然而，由于三维机织复合材料具有复杂微观结构，在研究其微观损伤行为方面，尤其是在疲劳损伤演化方面，人们仍然面临着许多挑战。疲劳失效是一种十分重要失效模式，疲劳会导致结构退化和承载结构在远低于强度下失效。因此，理解三维机织复合材料的疲劳损伤演化及其对材料性能退化的影响对于评估结构的长期安全性至关重要。

复合材料在疲劳过程中的刚度退化已被广泛用于表征疲劳损伤。但是，对于三维机织复合材料，由于其复杂的编织结构，导致刚度退化的因素也非常复杂。迄今为止，相关研究中采用了一系列无损检测技术以及原位观测技术来研究机织复合材料的损伤行为。例如，一些研究者采用数字图像相关技术(DIC)来获取被测试件表面应变场，并依此确定损伤较大的位置。声发射(AE)已被广泛用于测量损伤，其声学特性可用于检测复合材料内部的损伤模式，例如基体开裂，分层和纤维断裂。红外热成像(IRT)是一种非接触式温度测量技术，已被应用于获取试验件表面温度分布图，研究表明材料的温升与材料内部疲劳损伤的发展有关。但是，以上技术无法直观反映三维机织复合材料内部的复杂破坏模式。另一种无损检测技术——X射线计算机断层扫描(CT)技术，能够可视化观测被测复合材料内部的三维变形和疲劳损伤行为。近年来，有相关研究提出了用于研究复合材料疲劳损伤演化的原位CT检测技术。这种方法可以获得更真实、连续的疲劳损伤演化过程。然而CT技术在碳纤维/环氧树脂三维机织复合材料疲劳损伤演化中的应用仍然非常有限。原因之一是，碳纤维和环氧树脂都属于弱X射线吸收材料，并且具有相似的X射线吸收系数，这使得常规的吸收成像方法难以获得清晰的碳纤维/环氧树脂样品的重构图像。与传统的X射线CT相比，同步辐射CT(SRCT)是一种用于损伤检测的先进技术，由于它具有更高的能量和更好的相衬，已被用于环氧树脂基碳纤维增强复合材料的损伤研究当中。但是，SRCT设备是世界范围内的稀缺资源。此外，SRCT的大多数应用都集中在静态损伤检测上，尚未发现使用SRCT来研究碳纤维/环氧树脂基三维机织复合材料的疲劳损伤演化的相关报导。

发明内容

为了研究碳纤维/环氧树脂基三维机织复合材料拉-拉疲劳性能和疲劳损伤演化，本发明提供了一种基于同步辐射CT的碳纤维/环氧树脂三维机织复合材料拉-拉疲劳损伤演化研究试验方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于同步辐射CT的碳纤维/环氧树脂三维机织复合材料拉-拉疲劳损伤演化研究试验方法，包括如下步骤：

步骤一、准备待测三维机织复合材料平板，通过测量获取该复合材料编织结构最小单胞尺寸信息，包括单胞经向长度、单胞纬向长度；

步骤二、根据步骤一获得的待测三维机织复合材料单胞尺寸信息，设计试验件，试验件的设计应遵循如下原则：