[发明专利]建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法和装置

说明书

技术领域：

本发明涉及密封技术领域，尤其涉及一种建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法和装置。

背景技术：

短纤维增强橡胶基密封材料的研发是目前国内外研究的热点问题。目前研究短纤维复合材料的方法主要有理论、实验和计算机模拟三类。理论方法在研究单根短纤维增强复合材料中的应力传递时发挥很大作用。但是当研究尺度扩大到多根纤维时，问题的复杂性迅速升高，理论方法很难适用。实验方法能够得到准确的数据，但是目前绝大部分复合材料实验方法还是停留在宏观性能测试上，并不能揭示细观尺度组分之间的相互作用机理。随着计算机技术的发展，计算机模拟方法成为研究短纤维复合材料宏观性能与细观结构联系的一个有效方法。为了节省计算资源，目前普遍采用代表性体积单元模型，即用一个周期性的局部计算模型代替整体模型。要得到准确的计算机模拟结果，需要建立能够最大限度反映材料细观结构的代表性体积单元。这就需要所建立的代表性体积单元能够包含真实的纤维直径、长度、长径比、纤维空间取向等细观结构信息。其中纤维的直径、长度、长径比已经能够采用较为成熟的方法进行测试表征。

短纤维复合材料的性能受短纤维空间取向的影响很大。短纤维取向的变化对复合材料的内部应力传递、弹性模量以及应力-应变关系有显著影响。准确高效地测定短纤维的取向，建立准确的代表性体积单元，对于预测短纤维复合材料的力学性能、优化复合材料的制备工艺有着极其重要的意义。目前测试复合材料中纤维空间取向的方法分为直接测试法和间接测试法。直接测试法一般使用先进仪器，比如电子计算机断层扫描仪直接测试纤维在基体中的分布，进而通过统计或者图像识别得到纤维的空间取向。但是直接测试方法成本非常高，同时对空间图像的统计处理和识别难得较大。另外一种直接测试法是使用模流软件模拟预测复合材料中的短纤维分布，但是这种方法一般只适用于注塑成形工艺，而大部分纤维增强密封复合材料使用模压或者压延工艺生产，并不适用这种方法。间接测试法又包括切面法和各向异性测试法。各向异性测试法通过测试材料的声、光、电、磁等性能的各向异性，得到一个取向系数来反应纤维的空间取向。但是这种方法只能得到一个综合的系数、并不能反映每根纤维的取向。

传统的切面法在复合材料上加工一个切面，然后统计切面上纤维椭圆截面的的长径比，根据长径比计算得到纤维轴向与切面法线的夹角。传统方法并没有考虑纤维在切面内的取向。同时传统方法一般采用光学显微镜拍摄切面图片。由于光学显微镜放大倍数有极限、并且在高倍数下图像的辨识度较差，所以成像的精确度不高。

发明内容：

本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于高精度短纤维空间取向识别装置和计算机自动处理程序的三维代表性体积单元建立方法，以得到更接近真实材料的短纤维复合材料三维代表性体积单元。

具体由以下技术方案实现：

所述建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，包括如下步骤：

1）对橡胶基复合材料进行切片；

2）对橡胶基复合材料的切面拍摄扫描电子显微镜照片，得到橡胶基复合材料的切片图像；

3）对橡胶基复合材料的切片图像进行锐化、边缘化处理并得到短纤维截面的椭圆形轮廓或圆形轮廓或四边形轮廓；

4）由上述切面上短纤维截面判定短纤维在基体中的空间取向；

5）对由得到的众多短纤维的直径和空间取向进行统计分析，获得短纤维的直径和空间取向的分布规律；

6）根据纤维直径和取向的分布规律，编制计算机程序，建立复合材料三维代表体积单元。

所述建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法的进一步设计在于，所述步骤3）中短纤维截面的椭圆轮廓的短轴长度设定为纤维的直径。

所述建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法的进一步设计在于，所述步骤3）中当短纤维截面为圆形时，则判定短纤维垂直于切切面；当短纤维截面为四边形时，则判定短纤维平行于切切面；当短纤维截面为椭圆形时，短纤维轴向与切面法向之间的角度通过椭圆长轴与椭圆短轴的比值确定，纤维在切面内的取向由纤维椭圆截面长轴方向确定。

所述建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法的进一步设计在于，所述步骤3）中当短纤维截面为不完整的椭圆时，通过如下步骤得到纤维取向信息：

3-1）对同一橡胶基复合材料进行两次切片并拍摄SEM照片，得到两个相邻切的第一切面与第二切面；

3-2）对所述两个切面的图像进行互相关分析，识别为同一根纤维后，得到完整的短纤维截面，并从该截面上得到纤维取向信息。