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《中国工程物理研究院》 2019年
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基于同步辐射原位相衬CT技术的PMI泡沫变形机理研究

柴海伟  
【摘要】:多孔材料可由多种材料制成,包括金属、陶瓷和聚合物,并具有优异的物理、机械和生物性能。它们正越来越多地应用于缓冲吸能、催化、夹层结构和组织修复等各种工程领域中。刚性聚甲基丙烯酰胺(polymethacrylimide,PMI)泡沫塑料在力学性能上明显优于传统聚合物泡沫塑料,已被广泛应用于航空航天、运载火箭、军用/民用飞机的夹层结构。了解这种多孔材料的微观结构与其力学性能(特别是变形和破坏)之间的关系具有重要意义。然而,在胞元尺度上探索变形机制始终存在实验技术上的挑战。本文将基于同步辐射的同轴相衬CT技术与自主研发的加载装置相结合,对准静态压缩下的聚甲基丙烯酰亚胺(polymethacrylimide,PMI)泡沫材料进行原位实时的CT表征。量化胞元结构的演化过程,并与宏观力学行为相关联,揭示其结构性能关系。同时强调闭孔泡沫材料的胞壁屈曲与变形带之间的相关性,这可能为根据胞壁形态调整胞壁材料的局部强度和能量吸收提供了依据。本文的主要工作如下:(一)CT实验:利用上海同步辐射源BL13W1线站的大视野优势对两种密度的PMI泡沫大试样进行静态CT表征,获取PMI泡沫准确的微结构统计信息。而后,依靠美国先进光子源2BM线站的高精度优势对两种密度的PMI泡沫小试样进行准静态压缩下的原位实时CT表征。初始表征证明胞元主要为类多面体形状,整体几乎呈各向同性,无明显首选方向。(二)数据分析:开发出基于数字图像处理和数值计算的变形测量方法,即数字体图像相关(Digital Volume Correlation,DVC)技术,依托原位实时CT扫描数据即可获取试样在两组CT扫描间的三维位移场及应变场;开发出专用于PMI泡沫结构的图像处理新方法,骨架分离技术,将闭孔PMI泡沫这样的类多面体结构完美地分割为骨架、胞壁两部分,进而为更进一步挖掘泡沫结构的力学信息打下基础。(三)变形机理:选取胞元内的褶皱来表征变形条带。通过平面拟合,计算了带角和方位角。CT断层图像显示,胞元崩溃之前通常是(弹性)胞壁屈曲。然后根据胞壁形态计算抗屈曲强度指标。胞壁强度指标的概率分布服从对数正态分布。最弱强度指数的胞壁空间分布可以用来预测变形带的位置和成核顺序。
【学位授予单位】:中国工程物理研究院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:O434.1;TQ328

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