聚焦粒子束技术的碳纤维单丝断裂韧性实验

粒子束技术的碳纤维单丝断裂韧性实验
本项研究聚焦于商用碳纤维材料，利用聚焦粒子束(FIB)技术对单丝碳纤维进行精确的缺陷刻蚀，并对其断裂特性进行了深入分析。通过实施单丝拉伸测试以测定其拉伸强度，同时运用扫描电子显微镜(SEM)细致观察了断裂面的微观结构。研究中采用了镜像法与断裂力学理论，构建了拉伸强度与缺陷镜像半径间的数学模型，进而对碳纤维单丝的断裂韧性进行了评估。结果揭示，利用FIB技术所测得的断裂韧性与通过化学试剂溶解法获得的结果具有高度一致性，误差率低于5%。

典型玻璃纤维断裂面形状及镜像断裂面特征表述

研究背景
碳纤维增强的复合材料，以其出色的力学性能和化学稳定性，在高端制造领域尤其是航空航天工业中扮演着至关重要的角色。
随着对这些材料性能要求的日益严格，力学研究者面临着预测和优化材料宏观性能的挑战，这不仅需要对其宏观表现进行分析，更需深入探讨材料的微观结构和组分特性。为了方便对材料进行深入的失效分析及研究，金鉴实验室具备Dual Beam FIB-SEM业务，包括透射电镜( TEM)样品制备，材料微观截面截取与观察、样品微观刻蚀与沉积以及材料三维成像及分析等。

碳纤维单丝拉伸强度镜像半径拟合图像

实验方法
在本研究中，研究者采用了先进的聚焦粒子束技术来在单丝碳纤维上制造精确的缺陷，该技术在微纳米级别的加工领域具有广泛应用。实验过程包括将碳纤维试样固定并逐步施加拉伸直至断裂，以此来捕获关键的拉伸强度数据。
实验结果
实验观察到，绝大多数因拉伸而断裂的碳纤维单丝显示出以初始缺陷为中心的放射状断裂模式，断裂面清晰区分为镜面区、过渡区和锯齿区。利用镜像法和断裂力学理论，对单丝的断裂韧性进行了定量分析，得出了其断裂韧性的关键参数。

带有缺陷的碳纤维单丝拉伸断裂面

聚焦粒子束技术在制作碳纤维单丝的可控缺陷方面表现出色，不仅提高了制备效率，而且通过精确控制缺陷的形态和位置，为深入研究碳纤维的断裂行为提供了新的途径。本研究所得的断裂韧性评估结果与现有文献中的数据相比，显示出极高的一致性，验证了FIB技术在碳纤维断裂韧性研究中的可靠性和有效性。