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基于CNTs拉曼力传感介质的碳纤维复合材料微区应力及其研究

全海宇  
【摘要】:显微拉曼光谱技术在微尺度测量方面具备无损、无接触、空间分辨率高的优势。微/纳米结构材料的力学测量是力学领域研究的一个重点。论文利用多壁碳纳米管的拉曼活性特性及其拉曼特征峰的频移与所受应变/应力成线性关系,将碳纳米管作为拉曼力学传感介质来分析碳纤维复合材料的微区应力分布情况。 论文主要内容及结论如下: (1)考察了拉曼激光参数对多壁碳纳米管拉曼特征光谱的影响;确定了使用785nm拉曼激发光波长来检测多壁碳纳米管,能够有效避免荧光效应;选择小于5%的激光功率,能够有效避免热效应。 (2)具体研究了碳纤维复合材料中纤维周边微区的应力分布;发现微区内应力分布并不是一个定值,通过垂直于纤维和平行于纤维两个方向上拉曼点扫描的考察,发现距离纤维越远其应力越小,在距离纤维8倍直径距离以外的范围内,应力基本不变。论文成功对材料微区进行拉曼面扫描,并获得了基体各个位置的碳管拉曼G’峰频移增量分布图,从而计算出了距离纤维不同距离处的应力分布。发现基体本身的残余应力为压应力,随着外载拉伸应变增大到1.0%,材料本身克服了残余压应力,表现为拉应力。 (3)进一步通过拉曼点扫描模式,对圆孔缺陷周边微区域进行了拉曼研究;发现圆孔周边不同位置处的校正应力满足经验理论关系。通过0°和90°两个偏振拉曼研究获得了碳纳米管/环氧树脂薄片的力学传感介质应变-频移因子,并证明了碳纳米管/环氧树脂薄片在1.0%应变范围内,碳管的拉曼G’峰频移增量与应变之间有较好的线性关系,从而进一步表明碳纳米管/环氧树脂薄片具备作为力学传感介质的性能要求。通过拉曼面扫描模式,对圆孔缺陷周边的四分之一区域进行了检测,对比0%应变和0.1%应变时的碳纳米管G’峰峰位频移分布图,揭示了有无外力作用下缺陷周边的应力分布情况的变化。


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