树脂基复合材料界面残余应力的实验研究

发布时间：2020-08-13 07:41

【摘要】：树脂基复合材料是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料,在航空、汽车、海洋工业中都有广泛应用,基体树脂和填充物的性能是决定树脂基复合材料性能优劣的关键因素。但由于树脂基复合材料在制备过程中,基体和填充物的热膨胀系数不同,且树脂固化会发生收缩变形,导致填充物/基体界面产生残余应力。环氧树脂是一种常见的树脂基复合材料基体,可以利用其包覆电极进行电子封装,也可以将自修复微胶囊置于其中形成具有自修复功能的微胶囊/环氧树脂复合材料。在金属/环氧树脂界面和微胶囊/环氧树脂界面上存在的残余应力会严重影响其服役过程中的力学行为。因此测试其界面残余应力分布规律、大小、及其影响因素具有重要意义,本文主要从以下几个方面对环氧树脂基复合材料的界面残余应力进行了研究:1.对常温固化环氧树脂在固化收缩过程中的温度变化进行监测,结果表明常温固化环氧树脂固化过程中温度变化较小;利用数字图像相关方法(Digital image correlation,DIC)监测了纯环氧树脂的局部固化收缩变形,结果表明环氧树脂变形速率与温度变化相对应,升温速率大则膨胀应变值大,降温速率大则收缩应变值大。2.对于微胶囊/环氧树脂复合材料同样监测了其局部固化收缩变形,得到整个过程中在环氧树脂发生交联反应的作用下微胶囊直径的变化趋势,并与纯环氧树脂的局部收缩变形进行比较,得到环氧树脂的局部变形对微胶囊尺寸产生的影响。环氧树脂固化后,微胶囊是受压的,直径减小。并且,微胶囊直径越大,存在的应变集中越明显。3.用不同弹性模量和尺寸的金属圆柱体夹杂于环氧树脂基体,利用显微光弹性法测试其光弹条纹,用平面光弹性应力定律和光补偿原理计算出界面径向残余应力值,结果表明:对于不同材料,相同半径的圆柱体,随着圆柱体弹性模量的增大,残余应力值增大;对于同种材料,不同尺寸的圆柱体,随着圆柱体尺寸的增大,残余应力值减小。这是由于尺寸效应的存在,同种材料尺寸越小弹性模量越大。4.最后为了进一步验证界面残余应力的主要影响因素,本文还用平均直径为180μm的多醚化密胺微胶囊填充环氧树脂中,得到微胶囊/环氧树脂复合材料,利用球面应力-光学等式计算出不同大小微胶囊/环氧树脂界面的残余应力。结果表明:不管填充物是圆柱体还是微胶囊,十字等倾线均表明界面为均布残余压应力;与圆柱体夹杂不同,微胶囊尺寸越大残余应力越大,这是由于微胶囊尺寸越大而其弹性模量越大所致。
【学位授予单位】：天津商业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB332
【图文】：

平面偏振光,双折射,主应力平面

图 2-2 平面偏振光的双折射Fig2-2 Birefringence of planar polarized light根据暂时双折射性质，如果在弹性范围内加载，那么通过模型的光将会遵循以下两个规律：1.当光波垂直通过平面受力模型内任一点时，它只沿这点的两个主应力1σ 和2σ 方向分解并振动，并且只在主应力平面内通过。2.由于两光波在两个主应力平面内通过的速度不相等，因而其折射率发生了改变，其变化量与主应力大小成线性关系。这就是卢布斯定律： =++ =++()()2023110123σσσσσσnnABnnAB(2-8)在平面应力状态下，3σ = 0，根据 2-8 式可得：

条纹,平面偏振光,光路

式（2-10b）为平面光弹性应力-光学定律，式中的 C、d、λ 为常数。有式（2-10b）可知，只要将光程差或相对光程差求出，就可以计算出平面模型内各点的主应力差。然后，便能够将一个求主应力值的力学问题转化为求光程差的光学问题，使问题得到简化。将式（2-10b）改写为：dnf012σ σ=（2-11）其中，0f = λ/C，称为材料条纹值，单位是 N/mm，它能够反映出模型材料的灵敏度，0f 越小，那么材料越灵敏。本文中，所用的材料为环氧树脂板材，0f 约为 11N/mm。2.1.4 等倾线与等差线在平面偏振光场中，会得到两种条纹，分别为等倾线条纹和等差线条纹。起偏镜的偏振轴和分析镜的偏振方向正交，并且其中之一的偏振方向为水平方向。平面偏振光光路简图如图 2-3 所示，

示意图,数字图像相关,子区,方法

将其分割成许多个小网格，每个小网格作为后的各幅散斑灰度图像，通常将变形前的图较的一系列变形后的图像叫做“目标图像”目标图像的灰度分布函数分别表示为 f ( x,y (,)00f xy为所选子区 m×n 像素区域的中心，后按照预先定义的相关函数进行相关运算，值，分别为最大值或最小值目标图像子区。的点 (',')00g xy，从而确定了 f ( x,y)分别在方形作为子区的目的是：正方形子区与单独，更容易与其它子区相区别

【参考文献】