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原文传递一种金属基复合材料中界面力学行为的分析方法

专利名称：	一种金属基复合材料中界面力学行为的分析方法
摘要：	本发明提供一种金属基复合材料中界面力学行为的分析方法，所述分析方法是通过对比金属基复合材料中的增强体原位拉曼测试得到的系数与增强体原位拉曼测试得到的系数，得到金属基复合材料中界面应力转移效率。该方法是一种无损测试方法，试验的重复性好、可靠度高，相比于传统的力学方法，其操作简单、可实现性高，并且不会对试样造成不可逆损伤。本发明提供的金属基复合材料中界面力行为的分析方法是一种定量分析方法，相对于传统的断口分析方法，能够提供界面力学的定量数据，能够有效地推动界面力学分析的发展，有助于建立微观应力检测方法，对复合材料结构件的在线检测提供技术手段。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	中国航发北京航空材料研究院
发明人：	陈翔;燕绍九;李秀辉;王楠;洪起虎
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-26T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-06T00:00:00+0800
申请号：	CN201910348711.0
公开号：	CN110095449A
代理机构：	中国航空专利中心
代理人：	陈宏林
分类号：	G01N21/65(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	100095 北京市海淀区北京市81号信箱科技发展部
主权项：	1.一种金属基复合材料中界面力行为的分析方法，其中，所述金属基复合材料包括基体和增强体，所述方法包括如下步骤： 1)测定权利要求7所述方法制备得到的增强体试件或权利要求8所述的增强体试件的拉曼峰波数ω相对应变ε的函数关系，得到系数； 2)测定权利要求1-5任一项所述方法制备得到的金属基复合材料试件或权利要求6所述的金属基复合材料试件中增强体的拉曼峰波数ω相对应变ε的函数关系，得到系数； 3)对比上述测试得到的系数与系数，金属基复合材料中增强体的有效杨氏模量Eeffective按照如下公式计算得到：其中，Ebase为增强体的杨氏模量，实现金属基复合材料界面力学行为的定量分析。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中包括如下步骤：将增强体试件置于力学试验装置台上，在增强体试件表面的增强体附近粘贴应变片，通过力学试验装置对增强体试件施加形变，检测增强体的应变情况；同时，利用拉曼光谱仪收集形变后的增强体的光谱信息，针对在不同应变下拉曼峰发生位移的特征峰，利用线性拟合软件，得到增强体的特征拉曼峰波数ω相对应变ε的函数关系，得到系数。步骤2)中包括如下步骤：将金属基复合材料试件置于力学试验装置台上，在金属基复合材料试件表面粘贴应变片，利用光学显微镜在应变片周围的试件上定位增强体，通过力学试验装置对金属基复合材料试件施加形变，检测金属基复合材料中增强体的应变情况；同时，利用拉曼光谱仪收集形变后的金属基复合材料中增强体的光谱信息，针对在不同应变下拉曼峰发生位移的特征峰，利用线性拟合软件，得到增强体的特征拉曼峰波数ω相对应变ε的函数关系，得到系数。 3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤1)和步骤2)中，拉曼测试条件相同，均是采用波长514nm的氩激光，激光功率设置1％(<0.1mW)，测试范围1000-3000cm-1，测试时间为20s；步骤1)和步骤2)是通过力学试验装置对试件施加形变，利用力学装置对试件加载可控形变，变形量不超过5％；步骤1)和步骤2)中，采用四点弯曲方式，检测增强体的应变情况。 4.一种用于权利要求1所述金属基复合材料中界面力学行为的分析方法的金属基复合材料试件的制备方法，其特征在于：所述制备方法为以下二种之一：第一种制备方法包括如下步骤： i)将增强体的分散液涂覆在金属箔表面，制备得到表面负载增强体的金属箔片；任选地将表面负载增强体的金属箔片进行高温退火；或者， ii)将金属箔置入热处理炉中，高温下通入碳源气氛，得到表面原位生长增强体的金属箔片； iii)将步骤i)或步骤ii)制备的金属箔与表面清洁的金属箔进行叠片处理，通过轧制工艺将上述叠片的金属箔片复合成一体，得到金属复合材料板料；第二种制备方法包括如下步骤： a)对金属基复合材料进行变形处理，得到金属基复合材料板料或者棒料； b)将金属复合材料板料进一步加工成平板力学试样并对试样表面进行打磨抛光。 5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：第一种制备方法中，步骤i)中所述金属箔的厚度为1μm-1mm，所述金属箔为铝箔、镁箔、铜箔、镍箔、钛箔、铁箔、铜镍合金箔；步骤i)中所述增强体的分散液可以是将增强体分散在NMP、乙二醇、丙酮、四氢呋喃、蒸馏水、乙醇等溶剂中，利用超声设备或高压均质机将增强体进行分散，所述增强体的分散液的浓度小于10ppm；步骤i)中所述涂覆包括喷涂、流延涂布或蘸涂；步骤i)中所述高温退火可以是在真空条件下，或在惰性气氛下进行。所述惰性气氛为氢气，氮气或氩气。所述高温退火的温度为600-1000℃，所述高温退火的时间为1-10h；步骤ii)中所述碳源气氛为甲烷、乙炔、甲烷/氢气混合气、甲烷/氮气混合气、乙炔/氩气混合气。所述热处理炉中的温度为800-1100℃，所述通入碳源气氛的时间为10-120min；步骤iii)中，步骤i)或步骤ii)制备的金属箔即为表面负载/生长增强体的金属箔记为B；清洁的金属箔记为A，按照AB-(AB)n-A的次序进行叠片，n大于等于0，例如按照ABA、ABABABA等次序进行叠片；叠片总厚度超过20mm，例如为20-30mm；所述轧制工艺是采用多次热轧工艺，轧制温度为200℃，单次轧制变形量为5-10％，将叠片后的金属箔轧制厚度为1-3mm(例如为2mm)，总的轧制变形量超过90％。 6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于：第一种制备方法中还包括如下步骤： iv)将金属复合材料板料进一步加工成平板力学试样并对试样表面进行打磨抛光。步骤iv)中，采用电火花加工得到长方体结构的四点弯曲试样，表面积最大的平面平行于金属复合材料板的轧制面，在相对轧制面不大于2度的倾角下对试样轧制面进行砂纸打磨抛光，表面粗糙度Ra不超过0.4μm，对其余四个试样表面进行砂纸打磨和抛光，粗糙度Ra不超过2μm，得到试样。 7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：第二种制备方法中，步骤a)所述金属基复合材料包括基体和增强体，所述基体为金属材料，例如为铝、镁、铜、钛、镍、铁及其合金；所述增强体为碳纳米管，碳纤维、芳香族类纤维、PBO、ABPBO、PET、超高分子量聚乙烯纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、石墨烯，所述的变形处理为冷轧、热轧、冷拔、热挤压或热锻，可使得金属基复合材料基体中的增强体呈一定取向排列，所述取向与金属基复合材料基体变形延伸的方向一致；步骤a)中所述热挤压的温度为400-500℃，挤压比为20-8:1；步骤b)中采用电火花加工得到长方体结构的四点弯曲试样，表面积最大的平面平行于金属复合材料增强体的取向方向，对此上下两面进行砂纸打磨抛光，表面粗糙度Ra不超过0.4μm，对其余四个试样表面进行砂纸打磨和抛光，粗糙度Ra不超过2μm，得到试样。 8.一种用于权利要求1所述金属基复合材料中界面力学行为的分析方法的增强体试件的制备方法，其特征在于：该制备方法包括如下步骤： 1-a)配制增强体的分散液； 1-b)将步骤1-a)的增强体分散液滴加在基片上，基片上附着增强体； 1-c)将金属栅条涂覆在步骤1-b)的载有增强体的基片上，所述金属栅条用于固定增强体，制备得到增强体试件。 9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤1-a)中，增强体的分散液中增强体的含量为10-1000ppt。步骤1-b)中，所述基片为PDMS(聚二甲基硅氧烷)基片。步骤1-c)中，所述涂覆例如是蒸镀或磁控溅射等微加工手段。步骤1-c)中，所述金属栅条为钛栅条，所述金属栅条的间隔为15μm，所述金属栅条的宽度为2μm，所述金属栅条的厚度为50nm。
所属类别：	发明专利