一种连续纤维增强复合材料中纤维取向度的测试方法技术

一种连续纤维增强复合材料中纤维取向度的测试方法，步骤如下：对连续纤维增强复合材料试样，沿与纤维名义0°方向呈一定夹角β切割试样，获得纤维椭圆形截面；将试样截面制备金相显微镜样品，打磨抛光后拍摄光学显微照片；采用matlab编写纤维截面面积读取程序，获得纤维椭圆形截面面积数据，从而计算获得纤维截面长轴尺寸；根据几何关系，获得纤维轴向相对于切割面的取向角α，获得纤维相对于名义0°的取向角度λ；统计纤维取向角度γ，得到取向角度均值、标准差等信息，从而获得纤维取向度信息。本发明专利技术采用金相分析结合matlab数字图像处理技术，可快速、准确获得大量纤维单丝的取向角度数据，用于统计分析，作为评价复合材料相关性能的重要参数。

【技术实现步骤摘要】
一种连续纤维增强复合材料中纤维取向度的测试方法
本专利技术涉及一种纤维取向度的测试方法，属于纤维增强复合材料性能评价

技术介绍
纤维增强树脂基复合材料具有优异的比强度、比模量、耐腐蚀、耐疲劳等性能特点，已经在航空航天、交通、风电、体育休闲等领域作为轻质结构材料获得广泛应用。先进树脂基复合材料主要由增强纤维和树脂基体组成，常用的增强纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，树脂基体包括环氧、双马、氰酸酯等。纤维增强体的应用形式通常为预浸料，或织物与液态树脂进行复合，在一定的温度和压力条件下成型，制备成复合材料才能获得应用。由于中间材料裁切及铺放时难以避免的取向误差，以及在压力下成型时，树脂流动引起纤维扰动等因素，纤维取向角度会发生偏转，纤维的取向程度可能受到影响。当纤维的取向程度下降后，其沿名义纤维方向的力学性能，将受到明显影响，因此，纤维的取向度是考察复合材料制备质量，评估复合材料性能的重要参考指标之一。当前，定量评价纤维取向度的方法很少，主要是采用金相或扫描电镜观察的方法进行定性评价，而且研究对象多以短纤维为主。对于连续纤维增强复合材料，如何制备合理的试样、如何快速获得大量的纤维取向角度数据等方面是连续纤维增强复合材料取向度评价需要重点解决的问题。目前，国内研究本技术问题的相关文献较少，部分文献报道了采用数字图像处理技术分析纤维取向度的问题，但研究对象多为无纺布或短纤维，其分析方法不适用于连续纤维增强复合材料；此外，部分文献提及采用纤维椭圆形截面考虑纤维取向的问题，但未提及具体的试样制备及测试数据的处理方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：克服现有技术的不足，本专利技术提供一种连续纤维增强复合材料中纤维取向度的测试方法；采用数字图像处理的方法，能快速获得大量纤维取向角度数据，进行统计分析，为连续纤维增强复合材料中纤维取向度提供一个定量的评价方法，也可用于复合材料成型质量及相关力学性能的分析与评价参考。本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：一种连续纤维增强复合材料中纤维取向度的测试方法，包括如下步骤：步骤一、对连续纤维增强复合材料试样，沿与纤维名义0°方向呈一定夹角β，切割试样获得试样截面；步骤二、将试样截面制备成金相显微镜样品，打磨抛光后拍摄光学显微照片并放大；采用matlab数字图像处理方法，获得纤维椭圆形截面面积，计算纤维椭圆形截面长轴尺寸；步骤三、根据几何关系换算，获得纤维轴向相对于切割面的取向角α，并计算获得到纤维相对于名义0°方向的取向角度λ；步骤四、统计纤维取向角度γ，得到取向角度均值、标准差，并获得纤维取向角度的分布情况图像；步骤五、在被测材料不同部位切割获得多个试样，重复步骤一～步骤四。所述连续纤维增强复合材料中纤维截面为圆形或近似圆形，对近似圆形纤维截面，在测试精度允许范围内，根据纤维截面面积计算纤维等效直径，将等效直径作为后续计算用到的直径d。所述试样截面与纤维名义0°方向的夹角β为3°～7°，所述试样厚度与复合材料板厚度相同。所述试样的宽度的取值范围为10～30mm。所述步骤二中，照片放大倍数为100～500倍。所述步骤二中，采用matlab编程并读取获得一组纤维椭圆形截面面积S，通过截面面积计算长轴尺寸l，计算公式为l＝4S/πd，其中，d为纤维截面直径。所述取向角α的计算公式为α＝arcsin(l/d)，其中，l为纤维切割截面长轴长度。所述纤维相对于名义0°方向的取向角γ的计算公式为γ＝α-β。所述步骤五的重复次数大于等于3次。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术提供了一种复合材料中纤维取向度的测试方法，为复合材料中纤维取向度测量提供了定量的方法途径；作为复合材料纤维取向度定性表述方法的补充及支撑，能为复合材料成型质量及性能分析提供有力的参考；(2)本专利技术涉及的试验过程仅须切割复合材料平板并制备金相试样，测试方法简单，过程简洁，无须复杂的试验设备及条件，易在大多数实验室条件下实现；(3)本专利技术结合数字图像处理技术，能快速获得大量测试数据进行统计分析，数据获取效率高，大大降低了数据获取的时间成本；且较大量的数据结果具有统计意义，使测试结果更具可比性与参考性。附图说明图1是用于拍摄金相显微照片的试样截面切割方法示意图；图2是用于取向角度测量的典型复合材料截面金相照片。图3是T800H/环氧复合材料纤维取向角度分布情况图；图4是T700S/双马复合材料纤维取向角度分布情况图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术一种连续纤维增强复合材料中纤维取向度的测试方法，具体包括如下步骤：步骤一、对连续纤维增强复合材料试样，沿与纤维名义0°方向呈一定夹角β，如图1所示，切割试样获得试样截面；步骤二、将试样截面制备金相显微镜样品，打磨抛光后拍摄光学显微照片，照片放大倍数为100～500倍，如图2所示；采用matlab数字图像处理技术，获得纤维椭圆形截面面积，从而计算获得纤维截面长轴尺寸；步骤三、根据几何关系换算，可获得纤维轴向相对于切割面的取向角α，将此角度减去切割面相对于名义0°的角度β，得到纤维相对于名义0°的取向角度λ；步骤四、统计纤维取向角度γ，得到取向角度均值、标准差等信息，并获得纤维取向角度的分布情况；步骤五、在被测材料不同部位切割以获得试样，重复步骤一～步骤四，重复次数大于等于3次。纤维取向度测试主要是考察纤维的面内取向角度变化。用于拍摄金相显微镜照片的复合材料试样截面(切割面)与纤维名义0°夹角为3～7°，试样厚度与复合材料板厚度相同，试样宽度为10～30mm。Matlab数字图像处理技术为采用matlab软件进行编程，从金相显微镜照片中读取获得一组纤维椭圆形截面面积S，通过截面面积计算长轴尺寸l，计算公式为l＝4S/πd，其中d为纤维直径。每根纤维轴向相对于切割面的取向角α，计算公式为α＝arcsin(l/d)，其中l为该纤维椭圆形切割截面长轴长度，d为纤维直径。每根纤维相对于名义0°的取向角γ，计算公式为γ＝α-β，其中β为试样切割方向与名义0°的夹角。本专利技术的实施例1：从T800H碳纤维增强环氧树脂复合材料单向板上随机选取三处位置，沿与纤维名义0°方向呈一定角度β切割三个试样，实测切割角度β分别为6.1°、5.9°、4.1°，将切割获得的试样截面打磨平整后，固定于金相试样制备仪器中，加入电木粉镶嵌试样，将观测面打磨抛光，在200倍放大倍数下拍摄金相显微镜照片；采用matlab编写数字图像处理程序，读取所拍摄的金相照片，获得该照片中一组纤维椭圆形截面面积S，根据计算公式，纤维椭圆形截面长轴l＝4S/πd，纤维轴向相对于切割面的取向角α＝arcsin(l/d)，纤维轴向相对于名义0°的取向角γ＝α-β，其中d为纤维直径，T800H碳纤维直径取值为5μm。根据上述测试步骤，在三块试样上总计获得600个纤维取向角度数据，其平均值为-0.608°，标准差为1.094°，绘制纤维取向角的分布柱状图，如图3所示，得到该T800H碳纤维增强环氧树脂复合材料的纤维取向度结果。本专利技术的实施例2：从T700S碳纤维增强双马树脂复合材料单向板上随机选取三处位置，沿与纤维名义0°方向呈一定角度β切割三个试样，实测切本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续纤维增强复合材料中纤维取向度的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、对连续纤维增强复合材料试样，沿与纤维名义0°方向呈一定夹角β，切割试样获得试样截面；步骤二、将试样截面制备成金相显微镜样品，打磨抛光后拍摄光学显微照片并放大；采用matlab数字图像处理方法，获得纤维椭圆形截面面积，计算纤维椭圆形截面长轴尺寸；步骤三、根据几何关系换算，获得纤维轴向相对于切割面的取向角α，并计算获得到纤维相对于名义0°方向的取向角度λ；步骤四、统计纤维取向角度γ，得到取向角度均值、标准差，并获得纤维取向角度的分布情况图像；步骤五、在被测材料不同部位切割获得多个试样，重复步骤一～步骤四。

【技术特征摘要】
1.一种连续纤维增强复合材料中纤维取向度的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、对连续纤维增强复合材料试样，沿与纤维名义0°方向呈一定夹角β，切割试样获得试样截面；步骤二、将试样截面制备成金相显微镜样品，打磨抛光后拍摄光学显微照片并放大；采用matlab数字图像处理方法，获得纤维椭圆形截面面积，计算纤维椭圆形截面长轴尺寸；步骤三、根据几何关系换算，获得纤维轴向相对于切割面的取向角α，并计算获得到纤维相对于名义0°方向的取向角度λ；步骤四、统计纤维取向角度γ，得到取向角度均值、标准差，并获得纤维取向角度的分布情况图像；步骤五、在被测材料不同部位切割获得多个试样，重复步骤一～步骤四。2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料中纤维取向度的测试方法，其特征在于：所述连续纤维增强复合材料中纤维截面为圆形或近似圆形，对近似圆形纤维截面，在测试精度允许范围内，根据纤维截面面积计算纤维等效直径，将等效直径作为后续计算用到的直径d。3.根据权利要求1或2所述的一种连续纤维增强复合材料中纤维取向度的测试方法，其特征在于：所述试样截面与纤维名义0°方向的夹角β为3°～7°。4.根据权利要求3所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙，杨云华，袁泽帅，朱世鹏，潘月秀，王凡文，
申请(专利权)人：航天材料及工艺研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11