基于热成像技术与数字图像相关法的短纤维增强聚合物裂纹扩展自动监测研究

本研究针对短纤维增强聚合物在循环载荷下裂纹扩展测量依赖人工、效率低且易受主观影响的问题，开发了一种结合热成像与数字图像相关（DIC）技术的自动监测方法。实验在PPGF40和PEEKGF30材料上验证了该方法的有效性，可检测低至～1×10?6 mm/cycle的裂纹扩展速率，R2值普遍高于0.8。该方法为复杂结构材料的疲劳性能评估提供了自动化、高精度的解决方案，显著提升了裂纹动力学研究的可靠性和效率。

　　

在工程材料领域，约80%的机械部件失效可归因于循环载荷作用下的疲劳破坏。对于短纤维增强聚合物这类各向异性复合材料，裂纹扩展路径往往因纤维取向、基体龟裂和纤维桥接等复杂因素而变得极不规则。传统光学检测方法受限于材料表面对比度不足，电位差法因材料绝缘性无法适用，柔度法则因聚合物粘弹性变形而灵敏度不足。这些局限性使得开发一种能够自动、精确追踪裂纹扩展的新技术成为当务之急。

为此，来自奥地利莱奥本矿业大学聚合物材料科学与测试研究所的Reza Afsharnia等人开展了一项创新研究，开发了一种结合红外热成像与数字图像相关（DIC）原理的自动化裂纹监测方法。该研究成果发表在《International Journal of Polymer Analysis and Characterization》上，为短纤维增强聚合物的疲劳性能研究提供了新的技术手段。

研究人员采用的主要技术方法包括：1）利用伺服液压试验机（MTS 858H）对紧凑拉伸（CT）试样进行循环加载试验，载荷比R=0.1；2）使用高分辨率红外热像仪（ImageIR^? 8300）监测试样背面温度场变化，空间分辨率达0.14 mm/像素；3）开发基于双边滤波和 wavelet 去噪的图像处理算法，自动识别裂纹尖端热热点；4）通过扫描电子显微镜（SEM）对断口形貌进行细观分析，研究不同应力强度下的断裂机制。

材料与方法

研究选取了两种具有显著不同损耗模量的短纤维增强聚合物：40%短玻璃纤维增强聚丙烯（PPGF40）和30%短玻璃纤维增强聚醚醚酮（PEEKGF30）。试样从注塑成型的板材中铣削而成，分为纵向和横向两种纤维取向。所有试样预先用切片机引入约1 mm的初始裂纹。

测量结果

热成像系统成功捕获了PPGF40在纵向和横向的裂纹扩展过程，经去噪处理后数据与光学测量结果吻合良好，R²值持续高于0.8。对于PEEKGF30，在初始150,000-200,000循环内因热生成率不足未能检测到裂纹尖端，后续数据与文献报道的裂纹动力学曲线高度一致。

裂纹动力学

通过应力强度因子ΔK与裂纹扩展速率关系分析，发现两种材料在纵向均表现出比横向更高的抗裂纹扩展能力。PPGF40的纵向与横向曲线差异较小，而PEEKGF30则表现出更显著的各向异性，这归因于其芯层占比更小（约25%）。

断口分析

SEM观察揭示了应力强度对断裂机制的显著影响：在低应力强度下，两种材料的基体均呈现脆性断裂特征，纤维表面可见基质颗粒，表明界面粘结良好；在高应力强度下，界面粘结退化导致更多纤维拔出，基体呈现明显塑性变形，断裂机制从脆性向韧性转变。

研究结论表明，基于热成像与DIC原理的自动裂纹监测方法能够可靠地测量短纤维增强聚合物在循环载荷下的裂纹扩展，最低可检测速率达～1×10^?6 mm/cycle。该方法克服了传统光学检测在对比度不足材料中的应用局限，为复杂复合材料的疲劳性能研究提供了自动化解决方案。同时，研究还揭示了应力强度对断裂机制的调控作用：低应力强度下表现为脆性断裂和良好界面粘结，高应力强度下则转化为韧性断裂和界面退化主导的纤维拔出。这些发现不仅深化了对短纤维增强聚合物疲劳破坏机理的理解，也为工程材料的寿命预测和结构设计提供了重要依据。