【摘要】本论文对单轴压应力条件下的碳纤维材料进行了拉曼光谱实验探究，实验结果显示碳纤维的D峰和G峰对拉应变/应力存在响应，且它们的变化在一定范围内呈线性或正比关系，表明拉曼光谱法可用于碳纤维及其复合材料的检测，在工业无损检测领域很有发展潜能。
【关键词】单轴压应力；碳纤维材料；拉曼光谱实验
【中图分类号】TQ340 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2019）01-0016-03
1 引言
随着高新技术的发展，碳纤维复合材料由于其独特的强度和硬度，被越来越广泛地应用在航空航天、建筑桥梁、医学、汽车等诸多领域。然而复合材料在沉积、生长、改性、腐蚀、老化等一系列制备工艺过程引入的包括热失配应力、由材料成分、缺陷等因素引起的本征应力等残余应力缺陷，导致材料在使用期间出现内部的纤维断裂和脱粘，导致材料的失效。认识材料中残余应力的产生演化物理机制、实现对工艺过程中残余应力的调控，实时残余应力检测是近年来科学领域研究关注的热点。
近年来，由于探针和光纤技术的发展，拉曼光谱技术在维纳尺度力学实验的测定方面做出了杰出贡献。应用拉曼光谱技术测定应力的基本物理依据是材料的某些特征拉曼峰值对材料的应力/应变敏感，可从原子和分子层次反映材料的特征信息，在应力/应变情况下，频带峰值将产生移动，根据频带峰值的偏移情况可判断材料的应力情况。拉曼光谱测定复合材料应力的主要优点有：（1）显微拉曼光谱技术的高空间分辨率使得有可能获得精确的应力分布图像；（2）光谱范围大且频移不受激光光源频率限制；（3）无损无接触测量，随聚焦变化可对样品进行不同深度的测试；（4）能够给出材料在应力下微观结构变形的信息，可探究材料应力的产生、演化机理，优化制造工艺参数，指导工艺制备对应力/应变的调控等。
本论文对单轴应力条件下的碳纤维材料进行了拉曼光谱实验探究，实验结果显示碳纤维的D峰和G峰对拉应变/应力存在响应，且它们的变化在一定范围内呈线性或正比关系，表明拉曼光谱法可用于碳纤维及其复合材料的检测，在工业无损检测领域很有发展潜能。
2 实验
2.1 实验材料
此次实验所使用的碳布是SKO-I-300 12K单向碳纤维布、浸渍胶是SKO碳纤维加固专用胶、粘连胶是3M公司DP460环氧树脂结构胶、加强片材料是6061铝板、清洗剂是非凡力高效清洗剂、应变片是壕科电子的BHF1000-3AA箔式应变片、惠斯通应变测量仪、玻璃片和东莞景有模具五金的内测千分尺50～75mm。
2.2 拉曼光谱测量
采用Ranishaw inVia型显微拉曼光譜仪，选用波长为633nm和功率为0.1mW的氦氖激光以及50×倍率物镜，入射激光束在纤维束表面聚焦成1µm大小的光斑。采用背向散射获得拉曼信息。设计的试件尺寸为50mm*25mm*5mm的环氧树脂浸渍胶，在中间位置放入18mm*5mm的碳纤维丝。实验过程中，试件被内测千分尺加持，按照每次0.01mm递增使试件发生压应变，同时保持加持状态测量每次的拉曼光谱并记录，具体情况如图1所示，总共进行10组操作，应变范围为0～2%。
3 结果与讨论
如图2（a）所示首先测量环氧树脂胶以及试件不受力状态下碳纤维丝1000～3000cm-1范围内的的拉曼谱图，它作为初始量与受压情况进行对比。从图2（a）上我们可以看到碳纤维丝存在三个明显的波峰，缺陷振动模特征D峰（1350cm-1附近），切向拉曼模振动G峰（1595cm-1附近），G′峰（28000cm-1附近）。我们还可以看到环氧树脂胶仅有明显的G，G’峰。
试件受0～2%压应变的拉曼谱如图2（b）所示。当碳纤维承受外加单轴向压应变时，碳原子间的成键变短，使得上述波峰对应的拉曼振动模发生蓝移（高波数方向），故无论是D峰还是G峰其拉曼频移的大小皆增加。
对各种不同应变条件下的谱峰数据进行提取，以应变为横坐标，拉曼频移ω以及拉曼频移变化量Δω为纵坐标，可得应变与拉曼频移变化量的散点图，如图3（a），3（b）所示。用最小二乘进行拟合，可得到波峰的拉曼频移与应变之间的线性关系式。即：
利用工程上已经得到碳纤维的应变应力图及其公式，以应变为中间变量消去，得到频移与应力的关系式及其拟合曲线，如图4所示。得到相应的拟合曲线公式为
式中负号表明拉曼峰移向高波数时，它所受的应力为压应力，且Δω在一定范围内与应力呈线性或正比关系。表明拉曼光谱法可用于碳纤维及其复合材料的检测，在工业无损检测领域很有发展潜能。
4 结论
使用633nm波长的激光作拉曼光谱对碳纤维复合材料受压测量。碳纤维的D峰和G峰对压应变/应力存在响应，且在一定范围内呈线性或正比关系。当应变范围为0～2%时，谱峰的波数变化在0～10cm-1之间。结果与理论预测及前人在此方面所做过的研究基本一致。表明拉曼光谱技术可对碳纤维材料进行测量以获取一定的力学信息，同时有望发展成为一种无损评价的工具，对于微小器件的检测以及界面或表面检测有独特的优势，亦适用于精度要求较高的检测。
【参考文献】
[1]樊建中，石力开.颗粒增强铝基复合材料研究与应用发展.宇航材料工艺[J].2012，12（1）.
[2]闫贝，李勇，刘相彪等.基于固态磁场传感器的脉冲涡流检测铁磁性构件腐蚀缺陷[J].无损检测，2014，36（10）.
基金项目：北京理工大学珠海学院校级科研基金项目资助（XK201803）
作者简介：冯炎青（1988-），女，河南南阳人，博士，讲师，研究方向：材料物性。