一种测试纤维增强复合材料界面脱粘温度和滑移温度的方法技术

一种测试纤维增强复合材料界面脱粘温度和滑移温度的方法，本发明专利技术涉及复合材料界面脱粘和界面滑移的检测方法。本发明专利技术是要解决现有的复合材料界面脱粘缺陷检测方法只能事后检测，无法实时检测和预测的技术问题。本方法：一、从增强复合材料上取出试样；二、将试样垂直放置装卡于热膨胀仪的石英支架上，匀速升温至破坏温度T，得到温度‑时间和应变‑时间变化曲线；三、数据处理得到试样的应变‑温度变化曲线；应变‑温度变化曲线上进入中温平台区的拐点所对应的温度T1为界面脱粘温度，出中温平台区的拐点T2为界面滑移温度。本法可快速测定复合材料在热循环过程中发生界面脱粘和滑移的过程，适于连续纤维增强的金属基、陶瓷基和树脂基复合材料。

A method for testing the interfacial debonding temperature and slip temperature of fiber reinforced composites

A method for testing interfacial debonding temperature and slipping temperature of fiber reinforced composite material is presented, which relates to the detection method for interfacial debonding and interfacial slip of composite materials. The present invention is to solve the technical problem that the existing method of detecting the interfacial debonding defect of the composite material can only be detected after the event, and can not be detected and predicted in real time. This method is: first, from the reinforced composite material on the specimen is removed; two, the sample is placed vertically installed in thermal expansion instrument quartz holder, uniform heating to destroy the temperature of T, get the temperature curve time and strain time; three, the data processing strain temperature curve of sample temperature; T1 the corresponding curve inflection point temperature strain into the middle temperature region of the platform for interfacial temperature, T2 temperature in the platform area as a turning point of interface slip temperature. This method can quickly determine the process of interfacial debonding and slippage of composites during thermal cycling, which is suitable for continuous fiber reinforced metal matrix, Tao Ciji and resin matrix composites.

【技术实现步骤摘要】
一种测试纤维增强复合材料界面脱粘温度和滑移温度的方法
本专利技术涉及复合材料界面脱粘和界面滑移的检测方法。
技术介绍
碳纤维增强镁(Cf/Mg)复合材料，作为比强度和比刚度最高的结构材料，以其近似零膨胀的特性被应用于高精度空间航天器系统中。航天器在轨运行期间，由环境温度交替变化引起的，热应力以及材料本身热膨胀系数的连续变化，使Cf/Mg复合材料的热膨胀过程存在明显的应变滞后。并导致热膨胀结束时，复合材料形成大量残余塑性变形，进而造成元器件的精度下降。界面性能对复合材料的力学性能和物理性能有着显著影响。界面脱粘和界面滑移对复合材料各种疲劳迟滞回线、力学迟滞和应力-应变特性等都有显著的影响。基体的开裂应变一般小于纤维的断裂应变，因此裂纹首先在基体萌生，然后扩展至纤维/基体界面引发界面脱粘。界面脱粘过程是界面层在基体裂纹尖端应力场作用下发生破坏而形成裂纹的过程。当已发生脱粘的界面处承受剪应力大于界面最大摩擦剪应力时，纤维与基体将发生相对滑动，此过程被称为界面滑移。需要指出的是，界面脱粘是界面滑移的前提条件。两者的判据在数学形式上是一致的，从数学角度来看，界面脱粘可视为界面滑移之特例。以往对Cf/Mg复合材料热膨胀行为的研究中，常常忽略界面反应、界面脱粘、界面滑移和基体合金蠕变等因素的影响。但是当Cf/Mg复合材料中的应力超过镁合金屈服强度时，基体将发生塑性变形；热应力超过界面剪切强度时，C-Mg界面将发生脱粘或滑移；同时在较高温度下基体合金还会发生蠕变。此时对复合材料热膨胀性能的理论模拟结果偏离实际情况，而用于计算复合材料热膨胀系数的A.Kelly模型和Schapery模型也失效，导致理论计算值与实验测量值之间存在较大误差。为避免以上情况发生，复合材料在设计、制备、性能预测和使用过程中应该明确其界面发生脱粘和滑移的情况。申请号为201410128432.0的中国专利《一种复合材料界面脱粘的相控阵超声波检测方法》提出了一种复合材料界面脱粘缺陷的相控阵超声波检测方法，但是该方法只能检测材料内部已经存在脱粘缺陷。而对于复合材料在经历动态热温度循环时，界面发生脱粘和滑移的实时情况却无法检测。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有的纤维增强复合材料界面脱粘缺陷检测方法只能事后检测，无法实时检测和预测的技术问题，而提供一种测试纤维增强复合材料界面脱粘温度和滑移温度的方法。本专利技术的测试纤维增强复合材料界面脱粘温度和滑移温度的方法，包括以下步骤:一、沿着增强体纤维长度方向从复合材料上取出长方体试样；所述的复合材料为纤维增强金属基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料或纤维增强树脂基复合材料；二、将试样垂直放置并装卡于热膨胀仪的石英支架上，通入He气保护，He气导热系数高，能保证热交换良好，并防止试样氧化；再以2～5℃/min的升温速率从室温匀速升温至破坏温度T，其中金属基复合材料的破坏温度T＝450～550℃，陶瓷基复合材料的破坏温度T＝900～1100℃，树脂基复合材料的破坏温度T＝250～300℃；测试的温度和应变随时间的变化情况，得到试样的温度-时间变化曲线和应变-时间变化曲线；三、对步骤二得到的温度-时间变化曲线和应变-时间变化曲线进行处理，得到试样的应变-温度变化曲线；从应变-温度变化曲线上的进入中温平台区的拐点所对应的温度T1和出中温平台区的拐点T2，T1即为纤维增强复合材料界面脱粘温度，T2即为纤维增强复合材料界面滑移温度。本专利技术通过热膨胀仪对纤维增强复合材料测试得到的温度-时间和应变-时间曲线进行数据处理，得到应变-温度曲线，找到应变-温度曲线上中温区的两个曲线拐点，第一个拐点所对应的温度即为增强复合材料的基体发生界面脱粘的温度；第二个拐点所对应的温度即为复合材料发生界面滑移的温度。纤维增强复合材料在热膨胀测试的升温过程中，首先在膨胀开始时，由于受到材料制备时热残余应力的影响，基体受到拉应力的作用。在随后升温过程中，由于增强体纤维热膨胀系数低，基体在膨胀时还将受到来自纤维的热压缩应力的作用，此时压缩应力将与残余拉应力相互抵消。当由制备产生的残余拉应力完全被由温度升高形成的热压缩应力消耗掉后，基体所承受的来自纤维的压应力开始随着温度升高逐渐增大，当热压缩应力达到基体的屈服强度时，基体将在压应力的作用下，发生压缩屈服变形；另一方面，基体受到温度的影响而发生膨胀，二者相互作用的结果是压缩变形与热膨胀相互抵消，复合材料的热应变随温度升高变化不明显，因此导致了复合材料热膨胀曲线在中温区出现平台。当温度继续升高，由热错配引起的应力超过界面剪切强度时，纤维与基体的界面将通过位错的运动发生滑移，此时纤维对基体膨胀的制约能力下降，复合材料的热应变主要受到基体自由正膨胀的影响，随着温度升高而增加，在高温区复合材料的热应变将随着温度升高而急剧增加。中温区平台区的第一个拐点所对应的温度即为纤维增强复合材料的基体发生界面脱粘的温度；第二个拐点所对应的温度即为纤维增强复合材料发生界面滑移的温度。本方法可以对纤维增强复合材料的热性能进行定量检测，检测方法具有检测精度高、应用范围广泛、可以快速测定和预测复合材料在热循环过程中发生界面脱粘和界面滑移过程的特点。并且该方法适用于各类连续纤维增强的金属基、陶瓷基和树脂基的复合材料。是一种针对连续纤维增强复合材料的新的界面脱粘和界面滑移热分析检测技术。附图说明图1为实施例1中M40/AZ91复合材料的热应变-温度曲线；图2为实施例1中M40/AZ91复合材料经过热膨胀测试后的端面扫描照片；图3为实施例2中M40/ZM6复合材料的热应变-温度曲线；图4为实施例2中M40/ZM6复合材料经过热膨胀测试后的端面扫描照片。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的测试纤维增强复合材料界面脱粘温度和滑移温度的方法，包括以下步骤:一、沿着增强体纤维长度方向从复合材料上取出长方体试样；所述的复合材料为纤维增强金属基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料或纤维增强树脂基复合材料；二、将试样垂直放置并装卡于热膨胀仪的石英支架上，通入He气保护，He气导热系数高，能保证热交换良好，并防止试样氧化；再以2～5℃/min的升温速率从室温匀速升温至破坏温度T，其中金属基复合材料的破坏温度T＝450～550℃，陶瓷基复合材料的破坏温度T＝900～1100℃，树脂基复合材料的破坏温度T＝250～300℃；测试的温度和应变随时间的变化情况，得到试样的温度-时间变化曲线和应变-时间变化曲线；三、对步骤二得到的温度-时间变化曲线和应变-时间变化曲线进行处理，得到试样的应变-温度变化曲线；从应变-温度变化曲线上的进入中温平台区的拐点所对应的温度T1和出中温平台区的拐点T2，T1即为纤维增强复合材料界面脱粘温度，T2即为纤维增强复合材料界面滑移温度。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是纤维增强复合材料为连续纤维增强的复合材料；其它与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、氧化铝纤维或碳化硅纤维；其它与具体实施方式二相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是长方体试样的尺寸(4.3～5.6mm)×(4.3mm～5.6mm)×25mm；其它与具体实施方式一至三本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测试纤维增强复合材料界面脱粘温度和滑移温度的方法，其特征在于该方法包括以下步骤:一、沿着增强体纤维长度方向从复合材料上取出长方体试样；所述的复合材料为纤维增强金属基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料或纤维增强树脂基复合材料；二、将试样垂直放置并装卡于热膨胀仪的石英支架上，通入He气保护，He气导热系数高，能保证热交换良好，并防止试样氧化；再以2～5℃/min的升温速率从室温匀速升温至破坏温度T，其中金属基复合材料的破坏温度T＝450～550℃，陶瓷基复合材料的破坏温度T＝900～1100℃，树脂基复合材料的破坏温度T＝250～300℃；测试的温度和应变随时间的变化情况，得到试样的温度‑时间变化曲线和应变‑时间变化曲线；三、对步骤二得到的温度‑时间变化曲线和应变‑时间变化曲线进行处理，得到试样的应变‑温度变化曲线；从应变‑温度变化曲线上的进入中温平台区的拐点所对应的温度T1和出中温平台区的拐点T2，T1即为纤维增强复合材料界面脱粘温度，T2即为纤维增强复合材料界面滑移温度。

【技术特征摘要】
1.一种测试纤维增强复合材料界面脱粘温度和滑移温度的方法，其特征在于该方法包括以下步骤:一、沿着增强体纤维长度方向从复合材料上取出长方体试样；所述的复合材料为纤维增强金属基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料或纤维增强树脂基复合材料；二、将试样垂直放置并装卡于热膨胀仪的石英支架上，通入He气保护，He气导热系数高，能保证热交换良好，并防止试样氧化；再以2～5℃/min的升温速率从室温匀速升温至破坏温度T，其中金属基复合材料的破坏温度T＝450～550℃，陶瓷基复合材料的破坏温度T＝900～1100℃，树脂基复合材料的破坏温度T＝250～300℃；测试的温度和应变随时间的变化情况，得到试样的温度-时间变化曲线和应变-时间变化曲线；三、对步骤二得到的温度-时间变化曲线和应变...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋美慧，张晓臣，张煜，李艳春，李岩，苏桂明，刘洪成，王艳丽，
申请(专利权)人：黑龙江省科学院高技术研究院，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23