各位惟光的朋友们，大家好。

在本期，我们开始Raman光谱应力测试系列第七辑：Raman光谱在碳纤维复合材料（CFRP）的应力测试。

拉曼光谱在纤维增强复合材料的应力测试中具有广泛的应用，主要通过测量纤维和基体中的特征拉曼峰位移来评估应力状态。

1. 原理概述

• 应力与拉曼峰位移的关系：应力会导致材料的晶格常数发生变化，从而引起拉曼峰的位移。对于纤维增强复合材料，纤维和基体材料的拉曼峰位移可以反映其内部的应力状态。

• 特征峰选择：选择纤维和基体材料的特征拉曼峰进行监测。例如，碳纤维的G峰（约1580 cm-1）和2D峰（约2700 cm-1）对应力非常敏感，可以作为应力监测的特征峰。

2. 样品制备

• 表面处理：确保复合材料表面平整、清洁，减少表面缺陷和污染对测量结果的影响。

• 样品选择：选择具有代表性的样品区域进行测试，特别是纤维/基体界面、缺陷区域等关键部位。

3.实验设备：

SR900大尺寸扫描自动对焦Raman光谱系统与InSitu900远程Raman探头

• 高分辨率的拉曼光谱仪，配备高质量的光学元件和高灵敏度的探测器。

• 多激光波长选择：选择合适的激光波长，避免样品的荧光干扰，提高拉曼信号的信噪比。常用的激光波长包括532 nm、633 nm等。

• 显微镜系统：配备显微镜系统，实现微区分析，提高空间分辨率。

4. 实验步骤

1. 校准和标定：

◦ 使用已知应力的标准样品进行校准，建立拉曼峰位移与应力之间的定量关系。

◦ 通过标准样品的拉曼光谱，确定应力-位移因子（stress-shift factor）。

2. 基线测量：

◦ 在无应力状态下测量纤维和基体的拉曼光谱，记录特征峰的位置和强度。

◦ 作为参考光谱，用于后续应力状态的对比分析。

3. 应力加载：

◦ 对复合材料样品施加不同的应力条件，如拉伸、压缩、弯曲等。

◦ 使用机械加载装置（如万能试验机）精确控制应力大小和加载速率。

4. 实时测量：

◦ 在应力加载过程中，实时测量纤维和基体的拉曼光谱。

◦ 记录不同应力状态下的拉曼峰位移和强度变化。

5. 数据处理：

◦ 使用背景扣除方法去除光谱中的背景噪声。

◦ 使用高精度的峰拟合算法（如高斯拟合或洛伦兹拟合）精确确定拉曼峰的位置和宽度。

◦ 计算拉曼峰的位移，结合应力-位移因子，计算应力大小。

5. 结果分析

• 应力分布：通过拉曼峰位移的变化，绘制应力分布图，分析纤维和基体中的应力分布情况。

• 界面应力传递：研究纤维/基体界面的应力传递效率，评估界面的结合强度和应力传递能力。

• 裂纹扩展监测：实时监测裂纹扩展过程中的应力变化，评估复合材料的疲劳性能。

• 环境影响：研究复合材料在不同环境条件下的应力变化，如温度、湿度、化学环境等。

6. 应用实例

• 碳纤维增强复合材料：

◦ 碳纤维的G峰和2D峰对应力非常敏感，通过测量这些峰的位移，可以评估碳纤维中的应力状态。

◦ 研究发现，碳纤维在拉伸应力下G峰向低波数方向移动，2D峰向高波数方向移动，位移量与应力大小呈线性关系。

• 玻璃纤维增强复合材料：

◦ 玻璃纤维的拉曼特征峰（如Si-O-Si伸缩振动峰）对应力变化敏感，通过测量这些峰的位移，可以评估玻璃纤维中的应力状态。

◦ 研究发现，玻璃纤维在拉伸应力下Si-O-Si伸缩振动峰向低波数方向移动，位移量与应力大小呈线性关系。

• 芳纶纤维增强复合材料：

◦ 芳纶纤维的拉曼特征峰（如C=C伸缩振动峰）对应力变化敏感，通过测量这些峰的位移，可以评估芳纶纤维中的应力状态。

◦ 研究发现，芳纶纤维在拉伸应力下C=C伸缩振动峰向低波数方向移动，位移量与应力大小呈线性关系。

7. 优势总结

• 非接触式和无损检测：拉曼光谱是一种非接触式和无损的检测方法，不会对复合材料造成损伤。

• 高空间分辨率：能够对复合材料的微区进行应力分析，特别适合研究纤维/基体界面和缺陷区域。

• 快速测量：测量过程快速，适合实时监测复合材料在不同载荷条件下的应力变化。

• 定量分析：通过校准和标定，可以实现应力的精确测量。

• 多信息获取：不仅能够提供应力信息，还可以提供材料的分子结构、相组成、缺陷密度等信息。

拉曼光谱在纤维增强复合材料的应力测试中具有显著的优势，能够提供高精度、非接触式、无损的应力测量结果。通过测量纤维和基体中的特征拉曼峰位移，可以评估复合材料的应力状态，研究界面应力传递效率，监测裂纹扩展过程，以及评估复合材料在不同环境条件下的性能。这些特性使得拉曼光谱成为纤维增强复合材料应力测试中的重要工具。