环氧树脂基体中横向嵌入碳纤维在静载和循环载荷下的X射线纳米成像研究

摘要整理

碳纤维增强复合材料（CFRP）疲劳失效的初期阶段机制尚未充分阐明。虽然疲劳裂纹的萌生通常被认为源于碳纤维与聚合物基体间的界面脱粘，但由于碳纤维直径仅为7 µm，在众多纤维中检测界面脱粘极其困难。本研究将单根碳纤维横向嵌入哑铃形环氧树脂样品中，以重点研究界面脱粘现象，并采用同步辐射（SR）X射线计算机断层扫描（CT）进行观察。开发了由压电执行器驱动的台式疲劳测试机，可沿束线施加静载和循环载荷。采用吸收衬度投影法（微CT）和相位衬度X射线显微CT（纳米CT）相结合的多尺度成像方法进行SR X射线CT扫描。微CT完整捕获了碳纤维全貌，随后在自由表面两端进行放大观察。纳米CT清晰显示了30 MPa静拉伸载荷下的界面脱粘现象，以及50 MPa载荷下沿界面纳米孔隙聚合的迹象。在循环载荷作用下，8~40 MPa正弦应力循环10000次后，界面脱粘逐步扩展；而在30 MPa以下应力水平，界面脱粘未见扩展。研究结果为理解CFRP疲劳失效机制提供了关键的微观结构证据。

相关论文