一种适用于树脂基碳纤维复合材料三点弯曲测试的原位环境装置的制作方法

本发明涉及复合材料力学性能测试，具体涉及一种适用于树脂基碳纤维复合材料三点弯曲测试的原位环境装置，尤其涉及一种能够与x射线ct、显微ct或其他原位检测平台配合使用的三点弯曲原位测试装置。

背景技术：

1、树脂基碳纤维复合材料具有比强度高、比刚度高、耐疲劳性能好和结构可设计性强等特点，广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车轻量化、风电叶片、压力容器及高端装备结构件中。在实际服役过程中，该类材料常承受弯曲载荷、局部压缩载荷和复杂多轴载荷作用，容易产生基体裂纹、纤维断裂、层间分层、界面脱粘和局部压溃等损伤。因此，研究树脂基碳纤维复合材料在三点弯曲条件下的损伤萌生和扩展规律，对其结构设计、强度评价和寿命预测具有重要意义。

2、传统三点弯曲测试通常采用万能试验机或专用弯曲夹具完成。例如，现有技术中已有结构传载一体化的复合材料三点弯曲加载夹具，其包括底板、支座、立柱、压杆、压板和弹簧等部件，通过压板下压将载荷传递至压杆上的弹簧，进而将弹簧载荷传递至试样。该类方法能够获得载荷-位移曲线、弯曲强度、弯曲模量和失效载荷等宏观力学参数，但难以在加载过程中同步观察复合材料内部损伤的产生和扩展过程。对于树脂基碳纤维复合材料而言，内部层间分层、界面脱粘和纤维断裂往往具有隐蔽性，表面形貌不能准确反映内部损伤状态，因此仅依靠试后断口观察或表面检测难以全面评价材料损伤演化机制。

3、x射线ct和显微ct技术能够在不破坏样品的情况下获取复合材料内部三维结构信息，适合表征孔隙、裂纹、分层和界面损伤等缺陷。然而，现有三点弯曲夹具通常体积较大、金属部件多，难以直接放置在ct旋转载台或显微ct成像空间中。普通金属夹具在x射线成像过程中容易遮挡射线路径，并产生强吸收、散射和金属伪影，影响投影图像质量和三维重建效果。

4、此外，传统三点弯曲夹具通常无法在有限的ct扫描空间内同时实现加载、支撑跨距调节、载荷测量和样品位置保持。加载过程中样品可能发生偏移、滑移或姿态变化，导致弯曲前后ct图像难以准确配准，影响损伤演化分析结果。现有装置也较少具备上、下支撑点精密调节和反力测量功能，难以准确获得弯曲加载过程中样品不同支撑点的受力状态。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有树脂基碳纤维复合材料三点弯曲测试装置在原位ct检测过程中存在的装置体积大、成像兼容性差、支撑跨距调节不便、样品定位不稳定、载荷信息采集不足以及内部损伤难以三维原位表征等问题，提供一种适用于树脂基碳纤维复合材料三点弯曲测试的原位环境装置。

2、具体而言，本发明所要解决的技术问题包括：

3、第一，传统三点弯曲夹具通常不适合直接安装于x射线ct或显微ct系统中。本发明通过将弯曲加载机构、力传感器、样品支撑结构和透光筒集成在紧凑的转台安装结构上，使装置能够布置于射线源和探测器之间，在加载前、加载过程中或加载保持状态下完成ct扫描，提高三点弯曲测试与三维无损检测的兼容性。

4、第二，普通夹具支撑跨距固定、加载位置不易调节。本发明设置上调节部和下调节部，并分别配合上移动支架和下移动支架，使上压头和下压头的位置能够精密调节，从而适应不同尺寸试样和不同弯曲跨距要求，提高试验适用性和加载可控性。

5、第三，复合材料试样在弯曲加载过程中容易滑移、偏心或姿态变化。本发明通过上固定支架、下固定支架、上移动支架、下移动支架对样品进行限位，使样品保持在透光筒中心区域，并使三点弯曲加载区域与ct成像中心保持一致，保证原位扫描结果的可靠性。

6、第四，三点弯曲过程中载荷信息难以精确采集。本发明在上压头和下压头对应位置分别设置上力传感器和下力传感器，且两者设置于同侧，可实时采集支撑点或加载点处的力学响应，并与ct图像采集时间、转台角度和样品变形状态进行关联，为分析复合材料弯曲损伤机理提供数据支撑。

7、第五，普通金属加载夹具容易遮挡x射线。本发明设置透光筒作为样品加载和观察空间，透光筒采用低x射线吸收材料制成，使样品测试区域具有较好的x射线透射条件，从而减少投影遮挡和重建伪影，提高ct成像质量。

8、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

9、一种适用于树脂基碳纤维复合材料三点弯曲测试的原位环境装置，包括：底座、下盖、透光筒、上盖、上调节部、支撑杆、下调节部、上固定支架、上移动支架、上力传感器、上压头、下压头、下力传感器、下移动支架、下固定支架和中心压头。

10、所述底座设置于装置底部，用于与成像系统的旋转载台连接。底座可与x射线ct旋转载台、显微ct转台、光学观测平台或其他原位测试平台连接，使装置能够在成像过程中随转台旋转。底座底部可设有标准接口，如螺纹孔或定位销孔，以便与旋转载台快速连接和定位。

11、所述下盖设置于底座上方，所述上盖设置于下盖上方。透光筒连接于下盖和上盖之间，用于容纳样品并形成测试空间。透光筒由x射线低吸收材料制成，可采用石英玻璃、有机玻璃、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚酰亚胺、薄壁陶瓷或其他低x射线吸收材料，以减少对x射线投影和ct重建结果的影响。透光筒同时可作为防护结构，用于限制试样断裂碎片飞散，提高实验安全性。

12、所述支撑杆设置于底座和下盖之间，用于支撑下盖并增强装置整体刚度。支撑杆沿下盖的外周呈圆形布置，且避开x射线成像主路径，降低对成像结果的影响。支撑杆的数量优选为三至六根。

13、所述上固定支架设置于上盖上方，用于安装上调节部和上移动支架。上移动支架与上固定支架滑动配合。上调节部安装于上固定支架与上移动支架之间，通过旋转或微调上调节部，可带动上移动支架沿预定方向移动，从而调节上压头相对于样品的位置。上调节部优选为精密微分头调节螺纹副，其调节精度可达0.01毫米。

14、所述上力传感器设置于上移动支架的一个内壁，用于测量上压头与样品接触时产生的反力或加载力。上压头设置于上力传感器背离上移动支架的一端，用于与样品的上表面接触。上压头可采用圆柱形、半圆柱形、滚轮式或圆弧面压头结构，以减少局部应力集中和摩擦影响。

15、所述下固定支架设置于下盖下方，用于安装下调节部和下移动支架。下移动支架与下固定支架滑动配合。下调节部安装于下固定支架与下移动支架之间，通过旋转或微调下调节部，可带动下移动支架沿预定方向移动，从而调节下压头相对于样品的位置。下调节部优选为精密微分头调节螺纹副。

16、所述下力传感器设置于下移动支架的一个内壁上，且与上力传感器同侧，用于测量下压头与样品接触时产生的反力或加载力。下压头设置于下力传感器背离下移动支架的一侧，用于与样品的下表面接触。下压头可采用与上压头相同的结构形式，与上压头共同作为三点弯曲测试中的两端支撑点或反力点。

17、所述中心压头呈三角形，其一端分别与上盖和下盖连接，另一端设置于上压头和下压头之间的中部区域，且位于样品远离上压头和下压头的一侧。中心压头的三角形结构使其能够同时固定于上盖和下盖，增强其刚度和稳定性，确保在加载过程中中心压头提供足够的支撑力。中心压头作为与上压头和下压头配合的中心加载点，用于对样品中部施加弯曲载荷。

18、上压头、下压头和中心压头共同构成三点弯曲加载结构。上压头和下压头通过调节部向样品施加载荷，使样品相对中心压头发生弯曲变形，此时通过中心压头作为固定反力点，暨上、下压头施加载荷后因为样品弯曲产生的反作用力，以对样品施加载荷。通过调节上调节部和下调节部，可改变两端支撑点之间的距离、接触位置和预紧力，从而适应不同长度、厚度和测试要求的复合材料样品。

19、本装置工作时，首先将样品安装于透光筒内部，使样品位于上压头、下压头和中心压头之间。随后通过上调节部和下调节部调节上压头和下压头的位置，使三点弯曲加载结构与样品待测试区域对准。加载过程中，上力传感器和下力传感器实时记录力学信号，射线源和探测器可在不同加载阶段采集样品的投影图像。通过底座或外部转台带动装置旋转，可获得不同角度下的投影图像，并完成三维重建。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

21、1、本发明通过将三点弯曲加载组件、调节部、力传感器、透光筒和ct转台安装结构集成设计，实现了树脂基碳纤维复合材料三点弯曲测试与x射线ct原位检测的结合。与传统离线三点弯曲测试相比，本发明能够在同一装置和同一坐标位置下完成加载前、加载过程中和加载后的三维无损检测，提高损伤演化分析的准确性。

22、2、本发明通过设置上调节部和下调节部，可分别调节上压头和下压头的位置，实现支撑跨距、接触位置和预紧力的精细调整。该结构能够适应不同尺寸和不同厚度的树脂基碳纤维复合材料试样，提高装置通用性。

23、3、本发明通过设置上力传感器和下力传感器，且两者设置于同侧，可实时采集三点弯曲测试过程中的力学响应。采集到的载荷数据可与加载位置、转台角度和ct图像数据进行关联，为分析复合材料弯曲损伤形成机制提供力学依据。

24、4、本发明通过设置上压头、下压头和中心压头，形成稳定的三点弯曲加载结构，使样品在受控边界条件下发生弯曲变形。中心压头采用三角形结构，同时与上盖和下盖连接，具有更高的刚度和稳定性，可减少样品滑移、偏载和加载位置偏差，提高试验重复性和测试结果可靠性。

25、5、本发明通过设置透光筒作为样品加载和成像空间，使样品位于低吸收环境中。透光筒采用低x射线吸收材料时，可降低装置本体对x射线投影的遮挡和散射，提高ct成像质量；同时透光筒能够对样品断裂碎片起到一定约束作用，提高测试安全性。

26、本发明整体结构紧凑，可布置于射线源和探测器之间，并可安装于ct旋转载台上进行旋转扫描。该结构有利于获得样品在不同加载阶段的三维内部结构信息，能够观察基体裂纹、纤维断裂、层间分层、界面脱粘和局部压溃等损伤演化过程。

27、综上，本发明具有加载位置可调、弯曲跨距可控、载荷采集方便、样品固定稳定、ct成像兼容性好和损伤三维表征能力强等优点，适用于树脂基碳纤维复合材料三点弯曲性能测试及弯曲损伤演化机理研究。