摘要
复合材料的宏观响应和损伤变形机制一直是固体力学、物理科学、材料科学以及工程技术等领域的科研工作者感兴趣的科学问题之一，同步辐射X射线技术为研究此类问题提供了有效的手段。本文主要利用同步辐射X射线技术对B4C/Al复合材料和单向碳纤维板的动态力学性能及损伤行为开展了实验研究，并探讨了相关损伤机理，主要工作和创新点如下： 1）作为主要参与者，设计和搭建了与同步辐射X射线同时成像和衍射技术一体化的小型准静态试验机、便携式霍普金森杆和小型一级轻气炮，该实验平台具有时间和空间分辨率高、无损探测、原位实时地同时获取材料动态加载过程中的细观应变场和微观晶格变形等优点，有助于进行具有微秒以下时间分辨率和微米以下空间分辨率的复合材料力学响应实验研究。 2）基于建立的同步辐射X射线同时成像与衍射-霍普金森杆实验平台，结合X射线数字图像相关（XDIC）技术，对具有不同B4C颗粒质量分数的两种B4C/Al复合材料开展了原位实时动态拉伸实验。结果发现30wt.%B4C/Al复合材料相比于15wt.%B4C/Al复合材料具有较高的屈服强度和较低的延展性，细观应变场表明30wt.%B4C/Al的应变集中区密度更高、更容易扩展联合形成宏观裂纹，导致材料脆断。采用同步辐射X射线技术从实验上解释了动态加载下B4C/Al复合材料颗粒间距与应变集中成核点之间的关系，以及导致材料屈服强度和延展性变化的原因，为颗粒增强复合材料的设计提供了指导。 3）基于建立的同步辐射X射线成像-准静态加载实验平台，结合XDIC技术和断层扫描技术，对不同偏轴角度的单向碳纤维板开展了原位准静态单轴拉伸实验，发现在其弹性模量和拉伸强度随偏轴角度的增加而降低的同时，断裂应变呈非单调变化，在高的偏轴角度时，有近似沿着纤维取向的拉伸和剪切应变集中带。断层扫描图像表明，单向碳纤维板断裂面的粗糙度随偏轴角度的增加呈指数下降。本实验通过同步辐射X射线等先进技术进一步揭示了偏轴角度增大时单向碳纤维板破坏模式由纵向破坏迅速转变为剪切破坏和横向开裂的规律。 4）基于建立的同步辐射X射线原位成像-一级轻气炮实验平台，研究了微型弹丸高速侵彻三种铺设角度的单向碳纤维板，获得了弹丸的侵彻历程，发现侵彻过程中单向板存在纤维压溃、界面开裂等现象，其侵彻响应具有取向依赖。通过与数值模拟结果对比，发现侵彻方向与纤维取向垂直时模拟结果较为准确；而侵彻方向与纤维取向平行时模拟结果不能反映实际情况，可能是侵彻过程中产生的“碎片”对其抗侵彻性能具有较大影响。
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