I,Tecnología de análisis de vanguardia de materiales de fibra de carbono

El análisis de vanguardia tiene como objetivo comprender la relación entre la composición, estructura y propiedades de la fibra de carbono y sus materiales compuestos a escala microscópica / nanométrica, proporcionando una base para el diseño de materiales, la optimización de procesos y el análisis de fallas.

1. caracterización de la microestructura

Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución: puede observar la disposición de microcristales de grafito, defectos, poros y estructuras de fase de interfaz en el interior de la fibra de carbono, y es la herramienta central para estudiar la estructura "piel - núcleo" y el grado de grafitización de la fibra de carbono.

Microscopía de fuerza atómica: se utiliza para caracterizar la morfología de la superficie de la fibra, la rugosidad y las propiedades mecánicas nanométricas de la región de la interfaz (como la distribución del módulo).

Dispersión de rayos X de ángulo pequeño / amplio: el análisis no destructivo del tamaño y la distribución de los microporos en la fibra de carbono y la orientación y el espaciamiento de las capas de los microcristales de grafito son esenciales para el estudio de los procesos de preoxidación y carbonización.

2. análisis de la composición y los Estados químicos

Espectro fotoelectrónico de rayos x: análisis preciso de la composición de los elementos y el Estado de unión química en la superficie de la fibra (como C - c, C - o, C = o), es el estándar de oro para evaluar el efecto del tratamiento de la superficie y la compatibilidad de la interfaz.

Espectro raman: grado de grafitización, tamaño de grano y tensión interna de las fibras de carbono características superficiales rápidas y no destructivas a través de la relación de intensidad del pico d (pico de defecto) y el pico g (pico de tinta de piedra).

Espectrometría de masas de iones secundarios en tiempo de vuelo: proporciona información elemental y molecular sobre la superficie polar (varias profundidades nanométricas) y es muy sensible para el estudio de la distribución del agente de dimensionamiento y la química de la interfaz.

3. análisis de interfaz y estructura tridimensional

Tomografía computarizada por microcomputadora: la obtención no destructiva de información estructural tridimensional sobre la dirección de la fibra, los poros, las grietas y las zonas ricas en resina en el interior de los materiales compuestos, con una resolución de hasta submicrones, es la clave para estudiar la evolución de los defectos de fabricación y los daños.

Sistema de doble haz de microscopía electrónica de barrido de haz de iones de enfoque: puede cortar y reconstruir tridimensionales con precisión nanométrica en áreas específicas, revelando intuitivamente los mecanismos de falla microscópica, como el desprendimiento de interfaz y la rotura de fibra.

4. tendencias de vanguardia: multiescala, in situ e inteligencia

Análisis de correlación multiescala: combinando las técnicas de las diferentes escalas anteriores, se establece una cadena completa de comprensión desde la disposición atómica hasta las propiedades macroscópicas.

Prueba in situ: en equipos de tem, Sem o μct, las muestras se estiran, se calientan, etc., se observa la evolución estructural y los cambios de rendimiento en tiempo real, y se conecta "proceso - estructura - rendimiento".

Inteligencia artificial y Big data: utilizar algoritmos de Aprendizaje automático para procesar una gran cantidad de imágenes microscópicas y datos espectrales, identificar rápidamente las características, predecir el rendimiento y optimizar los parámetros del proceso.

2. introducción a las pruebas mecánicas de materiales compuestos de fibra de carbono

Las pruebas mecánicas son la base para verificar las propiedades de los materiales y garantizar la seguridad de la ingeniería. Las pruebas de materiales compuestos de fibra de carbono son especiales debido a su heterogeneidad y complejidad.

1. pruebas de propiedades mecánicas básicas

Prueba de tracción: determinación de la resistencia a la tracción longitudinal / transversal, el módulo y la relación de amarre. La clave está en las pinzas especiales y la tecnología de medición de tensión.

Prueba de compresión: la dificultad es mayor que la tensión y es propensa a la inestabilidad. Los métodos comunes incluyen el método de fijación celanese y el método de carga de Corte para garantizar el soporte final y evitar el pandeo.

Prueba de flexión: flexión de tres o cuatro puntos, simple y fácil, pero el Estado de estrés es complejo, se utiliza principalmente para la comparación de la calidad del proceso.

Prueba de cizallamiento en plano: se utiliza comúnmente el método de tracción del eje sesgado de ± 45 ° o el método de cizallamiento orbital para obtener la curva de esfuerzo - tensión de cizallamiento.

Prueba de cizallamiento intercalar: método de cizallamiento de viga corta para evaluar rápidamente la resistencia de Unión de la interfaz entre la fibra y la matriz.

2. pruebas avanzadas y especiales

Prueba de resistencia a la fractura:

Resistencia a la fractura entre capas del modo i: se utilizan muestras de vigas en voladizo doble.

Resistencia a la fractura entre capas del modo ii: se utilizan muestras dobladas con aberturas finales o con ranuras finales.

Se utiliza para evaluar la resistencia de los materiales compuestos a la expansión estratificada.

Prueba de fatiga: estudiar la degradación del rendimiento, la acumulación de daños y la predicción de la vida útil de los materiales bajo carga cíclica. Hay que prestar atención a la frecuencia, la relación de carga y los factores ambientales (temperatura, humedad).

Prueba de compresión después del impacto: primero se realiza un impacto de martillo de caída de la energía prescrita en la muestra, causando daños internos invisibles, y luego se prueba su resistencia a la compresión restante. Este es el indicador central para evaluar la resiliencia de los materiales en el campo aeroespacial.

Prueba de tracción / compresión de agujeros abiertos: evaluar la sensibilidad de los materiales compuestos a la concentración de esfuerzo correspondiente (como los agujeros de perno) está directamente relacionado con el diseño de la conexión.

3. probar los desafíos clave y las fronteras

Estandarización y comparabilidad: diferentes estándares, tamaños de muestras y accesorios pueden causar diferencias en los resultados, y las pruebas deben seguir estrictamente los estándares.

Tecnología de medición de tensión:

Tecnología relacionada con imágenes digitales: la medición de tensión de campo completo sin contacto, que puede mostrar intuitivamente la concentración de tensión, el efecto de amarre y la deformación compleja, se ha convertido en la corriente principal de vanguardia.

Sensor de rejilla de fibra óptica: se puede enterrar en el interior del material compuesto para realizar el monitoreo de la salud estructural y las pruebas in situ.

Prueba de acoplamiento múltiple: mientras se carga mecánica, se aplican condiciones ambientales como calor, humedad, ultravioleta y medios químicos para simular el entorno de servicio real.

Pruebas de alto rendimiento y automatización: combinar robots, visión artificial y plataformas de análisis de datos para acelerar la evaluación del rendimiento y la selección de nuevos sistemas de materiales.