单向带与织物碳纤维增强树脂基复合材料中孔隙的细观特征

发布时间：2021-06-30 15:43

　　研究单向带与织物碳纤维增强树脂基复合材料中孔隙的细观特征,主要包括孔隙的分布特征、形貌、位置、面积和长宽比等。采用金相显微镜、扫描电镜和超声C-Scan检测对不同孔隙率（0～5.0%）的复合材料层压板进行观测和表征,比较单向带和织物层压板中层中孔隙和层间孔隙的细观特征,并采用统计分析的方法研究孔隙面积和孔隙长宽比随孔隙率的变化趋势。研究结果表明:受纤维分布的影响,单向带层压板和织物层压板中孔隙有其各自的细观特征,且随孔隙率的增加呈现一定的规律,从细观尺度上为孔隙率检测评估和性能预测提供了更客观、更符合实际的物理描述。 

【文章来源】：中南大学学报(自然科学版). 2020,51(03)北大核心EICSCD

【文章页数】：13 页

【部分图文】：

热压罐固化的层压板封装示意图

描述孔隙细观特征的参量主要包括分布、位置、形貌、长宽比、面积等。孔隙沿厚度方向的分布特征采用金相观测，沿水平方向的分布特征采用超声C-Scan成像检测；位置指孔隙与材料组分的相对位置关系；形貌指孔隙截面的几何形状；长度l定义为几何截面的最大尺寸，宽度w定义为垂直于长度方向的最大尺寸，长宽比定义为r=l/w，如图3(a)所示；面积定义为孔隙的截面面积Ai，在ImageJ图像处理软件中设置合适的灰度阈值，使孔隙的成像灰度低于该阈值，树脂和纤维等的成像灰度高于该阈值，从而将金相观察图转化为黑白二值图像，黑色的区域代表孔隙的面积，在100倍视场下设定标尺，将图像像素点与实际物理尺寸相对应，通过ImageJ软件计算每个黑色区域的像素点并自动转化为面积，即单个孔隙的截面面积Ai，如图3(b)所示，其中灰色和黑色仅为标识层间孔隙和层中孔隙，在实际的黑白二值图像中孔隙均表示为黑色区域；沿层压板厚度方向随机选取1列(如图2中C11～Cn1)，在1列×n行的观察结果中统计孔隙总数k，则孔隙平均面积为，分析孔隙率平均面积和长宽比r随孔隙率pv的变化趋势。当视场与纤维方向平行时，有可能观测到铺层中的柱状孔隙(如图3(b)所示)，因其对孔隙长宽比和面积的统计结果影响较大，所以在统计时不考虑柱状孔隙的轴向截面面积。图3 织物和单向带压板中孔隙的微观形貌截面示意图

图2 金相取样示意图为了比较相同孔隙率下单向带和织物层压板中孔隙面积的分布规律，在整个金相观察截面中沿厚度方向随机抽取1列×n行，以观察到的所有孔隙面积为统计样本，假设观察到k个孔隙，每个孔隙面积为Ai,(i=1,2,?,k)，计算孔隙面积样本数据的最大值max{Ai}和最小值min{Ai}，则样本数据取值范围R=max{Ai}-min{Ai}，选取组距为ΔA，所有样本数据分组组数，计算Ai落在每个分组内的频数kj′,(j=1,2,?,c)，则样本分组对应的频率。以孔隙面积Ai为横坐标，以频率与组距的比值为纵坐标，绘制孔隙面积的频率分布直方图；令ΔA→0，即增加分组数，使各组的频率fj趋近于总体在各组取值的概率(本文取组距ΔA=1μm2)，采用Gauss函数对孔隙面积Ai和频率与组距的比值进行拟合，即可得到孔隙面积的概率密度分布曲线，拟合公式为


本文编号：3258025