10.4界面力学性能的分析表征
10.4 界面力学性能的分析表征
10.4界面力学性能的分析表征 复合材料是两种或两种以上不同材料组成的多相材料，相 与相之间存在界面。 当复合材料从复合材料界面受到因热膨胀系数不同引起的 热残余应力。热残余应力的大小正比于两者的热膨胀系数 之 差△o和温差△T,也与基体和纤维的模量有关。 纤维 冷却 树脂 m Lm<Le<Lf 纤维 冷却 树脂
10.4 界面力学性能的分析表征 复合材料是两种或两种以上不同材料组成的多相材料，相 与相之间存在界面。 当复合材料从复合材料界面受到因热膨胀系数不同引起的 热残余应力。热残余应力的大小正比于两者的热膨胀系数 之差Δα和温差ΔT，也与基体和纤维的模量有关
10.4界面力学性能的分析表征 ▣ 复合材料界面还存在树脂基体固化的收缩残 余应力。例如，环氧、不饱和聚酯、酚醛树 脂在固化中，都伴随着体积收缩，固化收缩 会在材料内部形成很大的固化收缩应力，导 致材料过早界面脱黏破坏或脆性断裂。 口界面应力的另一原因是增强纤维与基体树脂 之间有很大的模量差别，在外力场的作用下 纤维与基体间常常发生剪切应力集中从而影 响复合材料的性能
10.4 界面力学性能的分析表征 复合材料界面还存在树脂基体固化的收缩残 余应力。例如，环氧、不饱和聚酯、酚醛树 脂在固化中，都伴随着体积收缩，固化收缩 会在材料内部形成很大的固化收缩应力，导 致材料过早界面脱黏破坏或脆性断裂。 界面应力的另一原因是增强纤维与基体树脂 之间有很大的模量差别，在外力场的作用下， 纤维与基体间常常发生剪切应力集中从而影 响复合材料的性能
10.4界面力学性能的分析表征 根据能量最低原理，复合材料的界面应力有自发释放的趋势。当界面应 力大于基体的屈服强度时，界面应力可通过基体塑性形变而被松弛掉。 在基体固化的初始阶段，基体处于流动态或黏流态，不能形成界面应力。 随着固化进行，基体转变成高弹态，界面应力可通过基体的高弹形变和 普弹形变松弛。如果交联度过高，界面应力的松弛可能需要相当长的时 间。 当基体进入玻璃态而还远离固化终点时，固化收缩产生的巨大内应力就 无法松弛，界面应力和外界应力的共同作用可能在材料的薄弱部分产生 局部裂纹，大量裂纹的产生可松弛部分的界面应力。当材料强度不足以 抵抗界面应力时，只能通过材料的失稳、破坏来松弛界面应力
10.4 界面力学性能的分析表征 根据能量最低原理，复合材料的界面应力有自发释放的趋势。当界面应 力大于基体的屈服强度时，界面应力可通过基体塑性形变而被松弛掉。 在基体固化的初始阶段，基体处于流动态或黏流态，不能形成界面应力。 随着固化进行，基体转变成高弹态，界面应力可通过基体的高弹形变和 普弹形变松弛。如果交联度过高，界面应力的松弛可能需要相当长的时 间。 当基体进入玻璃态而还远离固化终点时，固化收缩产生的巨大内应力就 无法松弛，界面应力和外界应力的共同作用可能在材料的薄弱部分产生 局部裂纹，大量裂纹的产生可松弛部分的界面应力。当材料强度不足以 抵抗界面应力时，只能通过材料的失稳、破坏来松弛界面应力
10.4界面力学性能的分析表征 消除界面应力的有效方法是引入膨胀性单体， 如对于环氧树脂复合材料，引入双螺旋环化 合物SOC,可与环氧树脂共聚，有效地控制 树脂的固化收缩，提高复合材料的综合性能。 当螺旋环原碳酸酯 化合物进行开环异 构化聚合时，生成 CH-O 的聚醚碳酸酯体积 CH 不收缩反而膨胀
10.4 界面力学性能的分析表征 消除界面应力的有效方法是引入膨胀性单体， 如对于环氧树脂复合材料，引入双螺旋环化 合物SOC，可与环氧树脂共聚，有效地控制 树脂的固化收缩，提高复合材料的综合性能
40 30 20 10 0 5 10 15 20 膨张单体含量，质量分数/% 碳纤维/环氧复合材料 冲击韧性与膨胀单体含量的关系 口膨胀单体的加入有效地减缓了因纤维/基体 热膨胀系数失配而产生的热应力以及环氧树 脂固化产生的收缩
膨胀单体的加入有效地减缓了因纤维／基体 热膨胀系数失配而产生的热应力以及环氧树 脂固化产生的收缩
减缓界面应力的另一种方法是设计柔性的界面层。 ▣采用涂层的方法，可在不降低或少降低剪切强度的 前提下，大大提高复合材料的断裂韧性。例如，采 用硅橡胶涂覆在碳纤维表面上，随着涂层厚度的增 加，碳纤维复合材料的断裂韧性可提高100%，弯 曲强度略有下降。 ▣采用电化学聚合的方法是在石墨纤维表面聚合上一 层柔性的聚合物界面层，共聚的单体为丙烯酸甲酯 (MA)和丙烯腈(AN)。通过调整界面层的厚度可显 著改进石墨纤维/环氧复合材料的力学性能
减缓界面应力的另一种方法是设计柔性的界面层。 采用涂层的方法，可在不降低或少降低剪切强度的 前提下，大大提高复合材料的断裂韧性。例如，采 用硅橡胶涂覆在碳纤维表面上，随着涂层厚度的增 加，碳纤维复合材料的断裂韧性可提高100％，弯 曲强度略有下降。 采用电化学聚合的方法是在石墨纤维表面聚合上一 层柔性的聚合物界面层，共聚的单体为丙烯酸甲酯 (MA)和丙烯腈(AN)。通过调整界面层的厚度可显 著改进石墨纤维／环氧复合材料的力学性能
110 0000 冲击强度，kJ/m2 层问剪切强度，Mpa 50 0 0.050.1 0.150.20.25 0.30.350.4 界面厚度um 冲击和剪切强度与ANMA界面厚度关系
环氧基体 环氧基体 涂层 界面层 纤维 纤维 ▣ 在高模量的增强纤维和低模量的基体之间引入中间模量 的梯度过渡界面层，也可改善复合材料的综合性能。 ▣ 在碳纤维的表面涂覆一层不含固化剂的环氧树脂，然后 与含固化剂14.5%的环氧树脂复合，在固化过程中，固 化剂沿涂覆在纤维表面的环氧层向纤维表面扩散。固化 剂含量越低，树脂模量越高，这样就使得界面层的模量 从纤维表面一侧向树脂基体一侧递减，直至与树脂基体 相同。 ▣ 该界面层不但提高了纤维间剪应方的传递能力，而且也 改变了界面的破坏模式
在高模量的增强纤维和低模量的基体之间引入中间模量 的梯度过渡界面层，也可改善复合材料的综合性能。 在碳纤维的表面涂覆一层不含固化剂的环氧树脂，然后 与含固化剂14.5％的环氧树脂复合，在固化过程中，固 化剂沿涂覆在纤维表面的环氧层向纤维表面扩散。固化 剂含量越低，树脂模量越高，这样就使得界面层的模量 从纤维表面一侧向树脂基体一侧递减，直至与树脂基体 相同。 该界面层不但提高了纤维间剪应方的传递能力，而且也 改变了界面的破坏模式
10.4.2复合材料界面的动态力学分 析 口 扭辫分析是动态力学分析(DMA)的一种 方法。 ▣ 将纤维均匀地编织成三股、四股或六股的辫 子，作为被检测聚合物的支承体，被测物浸 渍附着在辫子上成为复合材料试样，支承物 和被测物之间存在界面。由于受到界面束缚 的影响，聚合物的性能会发生不同的变化， 反映出复合材料界面的特性
10.4.2 复合材料界面的动态力学分 析 扭辫分析是动态力学分析（DMA）的一种 方法。 将纤维均匀地编织成三股、四股或六股的辫 子，作为被检测聚合物的支承体，被测物浸 渍附着在辫子上成为复合材料试样，支承物 和被测物之间存在界面。由于受到界面束缚 的影响，聚合物的性能会发生不同的变化， 反映出复合材料界面的特性