【摘 要】
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纤维增强树脂基复合材料具有机械性能好、耐腐蚀、抗疲劳、可设计性强等优点,已被广泛应用于航空航天、汽车工业、海洋工程等领域。复合材料界面是增强纤维与基体树脂之间应力传递的纽带,从本质上直接影响复合材料整体对载荷的响应,并控制复合材料的性能和服役行为。因此,对树脂/纤维界面状态进行准确检测和评价,是研发高性能复合材料的有效途径和必备手段。微滴脱粘法是一种应用较为广泛的复合材料界面性能评价手段,具有制样
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纤维增强树脂基复合材料具有机械性能好、耐腐蚀、抗疲劳、可设计性强等优点,已被广泛应用于航空航天、汽车工业、海洋工程等领域。复合材料界面是增强纤维与基体树脂之间应力传递的纽带,从本质上直接影响复合材料整体对载荷的响应,并控制复合材料的性能和服役行为。因此,对树脂/纤维界面状态进行准确检测和评价,是研发高性能复合材料的有效途径和必备手段。微滴脱粘法是一种应用较为广泛的复合材料界面性能评价手段,具有制样方便、测试效率高、数据离散程度相对较小等特点。现有基于微滴脱粘法评价复合材料界面性能的商品化装置存在装样时纤维松弛或倾斜导致测试数据不准确、高温下刀具变形无法调节、手动测量微滴嵌入长度(le)误差大以及不具备表征低温下界面性能的功能等问题,难以满足对高低温等苛刻环境中复合材料界面性能评价研究的最新需求。因此,开发可高效装样、刀具变形实时微调、自动识别微滴长度以及具有高低温测试等功能的先进复合材料界面性能评价装置,对深入开展高性能复合材料界面科学研究以及推动该装置国产化具有重要的意义。本文通过对机械结构、电气控制系统以及数据采集系统进行优化设计,开发出可实现高低温下复合材料界面性能精确评价的装置原理样机;进一步采用自研装置与进口装置对比测试了多种复合材料体系在不同温度下的界面性能及仪器操作性能,验证该自研装置的可靠性以及可满足高低温下复合材料界面性能测试评价的要求,且与进口装置相比,自研装置在测试精度、操作简便性、高低温测试环境等方面均具有较好的先进性。主要内容如下:(1)对界面力学性能评价装置总体方案进行优化设计,重点包括机械结构、电气控制、数据采集三个部分。在机械结构方面,采用样品夹具-纤维丝夹具组合的滑动分离式方案,设计了一种新型样品安装夹具,确保纤维在测试过程中保持拉直状态,解决了纤维倾斜造成的测试误差;设计了新型刀具微调模块,实现刀具因高温变形时可进行实时精密微调的功能,解决了刀具变形错位难以准确测试的问题;设计了高低温环境模块,可以进行-80℃~200℃温度环境的界面力学性能评价,高温和低温模块控制精度分别为±1℃和±3℃。在电气控制方面,重点采用PLC、触摸屏、步进电机及驱动器等搭建样品加载控制系统,在WPLSoft与DOPSoft软件中分别编写PLC梯形图程序、设计触摸屏的人机界面,并设计了高温试验箱温度控制系统。(2)对数据采集系统进行设计,主要包括力数据采集和机器视觉测量le的图像采集。由力传感器、传感器指示器、数据采集上位机搭建出力数据采集系统,精度为1m N;基于C#开发数据采集上位机,对串口数据进行采集、处理,实现数据实时显示、界面剪切强度(IFSS)计算、实验数据保存等功能。使用CMOS相机、3倍显微镜、平行背光源搭建视觉采集系统,图像的像素精度为0.55μm;通过在Quick Build中依次调用Vision Pro视觉库中的线性滤波、灰度形态学计算、斑点识别工具进行图像的处理与分析,实现微滴自动识别与le自动测量的功能,可以提高测试效率,减小人为因素造成的误差,降低测试结果离散程度。(3)对搭建完成的装置进行校准,使用自研装置与进口装置在不同温度下对典型复合材料体系进行对比测试验证。实验表明自研装置测试数据稳定可靠且两种仪器测试结果一致性较高,常温和高温下最大偏差分别为3.6%和6.8%,在合理误差范围内,且自研装置的测试数据离散程度更低;设备平均故障时间大于100小时,有较好的可靠性;使用自研装置在高温下(从25℃至120℃)和低温下(从25℃至-60℃)对T700 CF/PA6、T700 CF/E51复合材料界面性能进行了评价,与文献报道的变化趋势一致,进一步说明了测量数据的可靠性,也验证了自研装置可准确评价高低温下复合材料界面性能;在测试效率方面,自研装置的单次微滴脱粘测试效率较进口装置可提高33%,同时在高温测试过程中可进行实时的刀具微调,避免了进口设备繁琐耗时的刀具变形调节过程,这些均大幅度提升了测试效率,降低了对操作人员的经验依赖性。通过以上实验验证,说明本文研发的新型界面性能评价仪器满足复合材料常温及高低温环境下的界面力学性能准确测试要求,且具有较好的先进性。
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