【摘 要】
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对于设备零构件的内应力检测以及疲劳预测具有重要的现实意义,但是在不损害材料的同时对于内应力的实时检测是比较困难的。利用稀土的荧光性能对应力进行检测是一种可行的检测方法,其优点是稀土离子的荧光谱线丰富大多尖锐并且容易寻峰,而且大多对于应力敏感性高。在本课题研究中,选取了Tb3+和Eu3+作为发光中心,使用静电纺丝技术制备了不同掺杂浓度的Tb3+和Eu3+复合YAG-ZrO2复合纤维(简称(YAG:T
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对于设备零构件的内应力检测以及疲劳预测具有重要的现实意义,但是在不损害材料的同时对于内应力的实时检测是比较困难的。利用稀土的荧光性能对应力进行检测是一种可行的检测方法,其优点是稀土离子的荧光谱线丰富大多尖锐并且容易寻峰,而且大多对于应力敏感性高。在本课题研究中,选取了Tb3+和Eu3+作为发光中心,使用静电纺丝技术制备了不同掺杂浓度的Tb3+和Eu3+复合YAG-ZrO2复合纤维(简称(YAG:Tb3+-ZrO2)cf和(YAG:Eu3+-ZrO2)cf),使纤维具备了稀土的荧光性能,确定了最佳的离子掺杂浓度。使用热压烧结技术将YAG-ZrO2复合纤维用于增强2024铝合金(简称（YAG-ZrO2）cf/Al复合材料),使（YAG-ZrO2）cf/Al复合材料在增强的同时具备了稀土荧光性能。研究了不同纤维添加量对复合材料力学性能的影响,确定了最佳纤维掺杂量,并通过分析材料的荧光性能与（YAG-ZrO2）cf/Al复合材料所受外应力得到了应力传感方程,并分析了荧光特征对应力传感的响应机制。通过原位拉伸XRD实验得到了（YAG-ZrO2）cf/Al复合材料在拉伸过程中内应力与所受外应力之间的规律,与应力传感方程结合完成了对材料内应力的检测。主要研究内容如下:（1）通过静电纺丝制备了Tb3+和Eu3+掺杂浓度不同的(YAG:Tb3+/Eu3+-ZrO2)cf,研究了纤维的结构、形貌以及光学性能。研究发现纤维具有良好的结晶性,其中Tb3+掺杂进入到基质的晶格,Eu3+占据了Y3+的格位。纤维表面光滑,直径大约250 nm,长度约20μm,并且都具备良好的光学性能。其中Tb3+最佳掺杂量为6mol%,Eu3+最佳掺杂量为4 mol%,被紫外光源激发(YAG:Tb3+-ZrO2)cf能够发射出波长在544 nm附近的绿光,(YAG:Eu3+-ZrO2)cf能够发射出波长在592 nm附近的橙红色光。（2）研究发现在铝合金中少量添加（YAG-ZrO2）cf能够提高材料的力学性能,当纤维添加量为3 wt.%时,致密度与硬度达到最大分别为98.3%和123.8 HV,当纤维添加量为2 wt.%时,复合材料的抗拉强度与延伸率分别提高了14%和和46%,但当纤维掺杂量增加之后,反而会降低材料的各项力学性能。通过PL光谱分析,复合材料被激发光源激发也会发射出特定波长的光,这一功能为后续通过稀土荧光压谱效应来检测复合材料的内应力提供了可能性。（3）研究了(YAG:Tb3+-ZrO2)cf/Al复合材料和(YAG:Eu3+-ZrO2)cf/Al复合材料的发射光谱都与拉伸应力之间的特性关系,通过分析积分强度值与重心波长,发现(YAG:Eu3+-ZrO2)cf/Al复合材料的重心波长表现出更高的拉伸应力传感精度,传感方程为λ=594.90616+0.01439σ,灵敏度为0.01439 nm/MPa(等效于频移系数0.4058cm-1/MPa),与标准的荧光压谱材料红宝石的频移系数(0.0055 cm-1/MPa)相比,灵敏度提高了约80倍。（4）通过分析原位拉伸过程中（YAG-ZrO2）cf/Al复合材料XRD图谱,分析得到了材料内应力随拉伸应力的变化规律,规律方程为y=381.10723+0.15676σ。根据已有的研究表明少量的稀土离子掺杂YAG基纤维并不会改变纤维的增强性能,因此可以将此规律方程适用于(YAG:Eu3+-ZrO2)cf/Al复合材料,将规律方程与(YAG:Eu3+-ZrO2)cf/Al复合材料的重心波长传感方程λ=594.90616+0.01439σ相结合可得到内应力检测方程y=10.894λ-6099.583,根据此检测方程即可通过材料的荧光性能检测拉伸过程中材料的内应力。
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