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纳米探针用于碳纤维复合材料微观应变检测 纳米探针用于碳纤维复合材料微观应变检测 王琦，郝立峰，何亚飞，曹振兴 (哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所，哈尔滨 150080) 摘要：碳纤维复合材料界面应力传递行为对宏观力学性能有很大影响，而界面应力的微尺度精细测量一直难以实现，近 年来显微拉曼光谱技术y6微g-度力学参数测量带来了希望。该方法的应用前提是被测材料具有应变一光谱频移特性，对不具 备拉曼活性的基体相而言，找到适合的应变探针成为不可逾越的f*-I题。在此，详细介绍了几种可用作应变探针的纳米材料，并 总结了这些材料用作碳纤维复合材料微观应变检测的可行性。 关键词：纳米探针；微观应变；碳纤维；复合材料 中图分类号：’FB332文献标识码：A 碳纤维复合材料已在航空航天领域得到广泛应 1碳纳米管 用，而材料设计和上艺加工过程等许多因素会使碳 1．1碳纳米管的应变一光谱频移特性 纤维复合材料存在大量界面相，这将导致材料服役 自从Wagner等¨3‘“1证明碳纳米管具有应变-光 期间出现纤维断裂和界面脱粘等问题，最终出现疲 谱频移特性之后，碳纳米管应变探针的研究便备受 劳、老化甚至损伤并破坏，给工程带来重大事故隐患 关注。最初，关于碳纳米管应变-光谱频移特性的实 以及不可估量的损失¨’21。因此，深入研究碳纤维 验研究都是将碳纳米管加入聚合物复合薄膜来实现 复合材料界面的应力传递行为对宏观力学性能的影 的，随着AFM技术的发展与碳纳米管制备工艺的成 响规律，并做定量描述，是提高性能的关键。 熟，已经有学者将AFM与拉曼技术结合，对碳纳米 采用拉曼共聚焦显微镜技术，可实现对透明／半 管应变．光谱频移特性进行了更加细致的研究。1””。， 透明物体内部确定深度位置的应力测试，具有无损、 由此碳纳米管自身应变一光谱频移关系的影响因素 13趋明了。例如，碳纳米管在应力作用下产生变形 非接触、空间分辨率高等优点‘3。J。1995年Young 等6。提出了用拉曼光谱解释基体中高性能纤维的应 后，由于内部化学键长度以及角度随之发生变化，而 力和应变分布，由此展开了拉曼光谱测定材料应力／ 导致拉曼光谱频移…1；碳纳米管手性发生改变时， 应变分布的实验研究。对于碳纤维增强聚合物复合 RBM峰位将发生变化，G峰的应变．光谱频移量也将 材料，通过检测纤维拉曼特征峰的频率移动，可以揭 发生变化¨“；碳纳米管的直径越大曲率半径越小， 示纤维应力／应变分布等信息。6“…。然而，大部分聚 因而大直径碳纳米管更加容易产生应变¨刮等。sai— 合物的拉曼峰对应变并不敏感¨1‘”J，因此难以研究 to【l引和Hwang¨如分别采用计算与实验研究表明，碳 纳米管特征光谱强度受碳纳米管取向的影响。随后 聚合物复合材料基体的应力／应变。 纳米材料的尺寸一般在几纳米到几百纳米之 Frogley等汹3研究表明碳纳米管拉曼光谱特征峰峰 位和强度主要与碳纳米管的取向、应变大小以及含 间，其中，碳纳米管、石墨烯以及二硫化物纳米片等 都具有拉曼活性，或可成为合适的应变探针，以应用 量有关。 以下是由文献[18～21]总结所得基体中碳纳米 于碳纤维复合材料界面应力检测。本文将对碳纳米 管随机分布时的应变一光谱频移计算公式，碳纳米管 管、石墨烯以及二硫化物纳米等材料的应变一光谱频 对光强的贡献由式(1)表示。 移特性做详细介绍，并讨论这几种纳米材料用于碳 纤维复合材