树脂基复合材料界面结合的研究 2004年9月 能的提高。最佳界面结合状态时材料的抗冲击性能 聚丙烯酸接枝碳纤维复合丝试样(B)的弹性承 方能达到最佳。 载能U1很大,其时间对应上与氧等离子处理者相 近,也没有明显表现出纤维滑移的征状。与氧等离 子处理者所不同的是接枝纤维样品的U2部分较 大,表明在界面上容许有一定量的纤维产生滑移和 脱粘。与U1相比,U2占有较大的比例,因此整个冲 击承载能大大增加,超过了氧等离子处理者 聚丙烯酰胺接枝碳纤维复合丝试样(D)的冲击 承载曲线冲击初始基线与冲击结束基线没有重合 图2冲击载荷与冲击时间对应关系 这是由于聚丙烯酰胺接枝层过厚所致。因为在冲击 笔者等应用该研究方法对复合材料的界面结合过程中不仅纤维表层界面产生应变,而且接枝层中 进行了分析得到了十分有意义的结果。将未经的分子链也会产生蠕变或滑移,两者综合的结果使 处理、氧等离子处理、接枝聚内烯酰胺(接枝层厚度微量冲击曲线产生了畸变 约为300nm)处理和接枝聚丙烯酸(接枝厚度100 上述的研究可以看到,微量冲击法虽然不能得 n)处理的四种碳纤维按微量冲击分析法制成复合到ISs的绝对值,但它可以清晰地揭示树脂基复合 丝样品,分别在室温下用微量冲击仪冲击结果如图材料界面结合的性质,对最佳界面结合的判断提供 3所示。可以看到未处理的碳纤维复丝(D)的总冲了相当丰富的信息 击承载能很小,而且其中主要的弹性承载能(U1部2.2临界纤维断裂长度分析法 分)不仅小且后倾。这表明在冲击的过程中纤维 60年代中Key等提出这一分析法。他们将 直在滑移,不断有新的纤维变形和基体变形。主要 根单丝纤维埋于基体树脂中,测试时拉伸基体 的塑性承载能(U2部分)不仅占有较大的比例,而由于基体与纤维界面上的剪切作用,外力传递到纤 且也拖延较长的时间,表明冲击过程中不断出现脱 维上,使纤维断成许多小段。通过不同长度的纤维 粘和纤维拔出 强度实测或统计理论的推算,进而得到纤维与基体 Pmax 0. 3745 kg 界面上的ISS。相对于其它方法,临界纤维断裂长 度法由于进行大量数据统计分析,因而局限性和偶 然性都较小,较能真实地反映实际情况,因此在国外 Pmax 0.9512 kg 相当广泛地应用于学术界。笔者在此领域也进行了 相关的研究。 Pmax 0.9063 kg 首先从不同长度单丝纤维强度的测量开始。使 用纤维电子强力仪以0.01mm/min拉伸速度进行 Pmax 0.3745 kg 拉伸。每一种长度的纤维测定50个以上的样品,取 有效平均值。例如,取玻璃纤维经500℃灼烧处理, 从中取出一半再经KH550处理,然后测定不同长 冲击时间/s 度L(mm)的纤维的断裂强度o(GPa),二者的对应 λ.接枝聚丙烯酰胺碳纤维B.接枝聚丙烯酸碳纤维 关系都具有较好的线性,拟合直线的方程分别如式 C.氧等离子处理碳纤维D.未处理碳纤维 (4)及式(5)所示。可见只要给出预定的长度,由式 图3复合材料冲击载荷与冲击时间的对应关系 (4)、(5)就可计算出该长度下纤维的断裂强度。 氧等离子处理碳纤维复合丝试样(C)的冲击载 0=0.93270.00335L (4) 荷曲线则形成了鲜明的对比。主要弹性承载能U1 d=0.7363-0.00485L 差不多比未处理者增加近3倍,表明基体变形更大 然后以浇注的方法(对热固性基体树脂)或将单 也有更多的纤维发生形变。塑性承载能U2却小到丝纤维置于两片很薄的聚烯烃或其它树脂的片材之 可忽略的地步,几乎没有纤维拔出和与基体的脱粘,间(对热塑性树脂)压制均不容许试样有气泡或有纤 充分表现出强结合的界面特征。 维发生弯曲取出制作的单丝复合材料制成哑铃形 FRP/ CM 2004. No 5 201994-2010ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net能的提高。最佳界面结合状态时材料的抗冲击性能 方能达到最佳。 图 2 冲击载荷与冲击时间对应关系 笔者等应用该研究方法对复合材料的界面结合 进行了分析 ,得到了十分有意义的结果[6 ] 。将未经 处理、氧等离子处理、接枝聚丙烯酰胺 (接枝层厚度 约为 300 nm) 处理和接枝聚丙烯酸 (接枝厚度 100 nm) 处理的四种碳纤维按微量冲击分析法制成复合 丝样品 ,分别在室温下用微量冲击仪冲击 ,结果如图 3 所示。可以看到未处理的碳纤维复丝 (D) 的总冲 击承载能很小 ,而且其中主要的弹性承载能 (U1部 分) 不仅小且后倾。这表明在冲击的过程中纤维一 直在滑移 ,不断有新的纤维变形和基体变形。主要 的塑性承载能 (U2 部分) 不仅占有较大的比例 , 而 且也拖延较长的时间 ,表明冲击过程中不断出现脱 粘和纤维拔出。 A1 接枝聚丙烯酰胺碳纤维 B1 接枝聚丙烯酸碳纤维 C1 氧等离子处理碳纤维 D1 未处理碳纤维 图 3 复合材料冲击载荷与冲击时间的对应关系 氧等离子处理碳纤维复合丝试样(C) 的冲击载 荷曲线则形成了鲜明的对比。主要弹性承载能 U1 差不多比未处理者增加近 3 倍 ,表明基体变形更大 , 也有更多的纤维发生形变。塑性承载能 U2 却小到 可忽略的地步 ,几乎没有纤维拔出和与基体的脱粘 , 充分表现出强结合的界面特征。 聚丙烯酸接枝碳纤维复合丝试样(B) 的弹性承 载能 U1 很大 ,其时间对应上与氧等离子处理者相 近 ,也没有明显表现出纤维滑移的征状。与氧等离 子处理者所不同的是接枝纤维样品的 U2 部分较 大 ,表明在界面上容许有一定量的纤维产生滑移和 脱粘。与 U1 相比 ,U2 占有较大的比例 ,因此整个冲 击承载能大大增加 ,超过了氧等离子处理者。 聚丙烯酰胺接枝碳纤维复合丝试样 (D) 的冲击 承载曲线 ,冲击初始基线与冲击结束基线没有重合。 这是由于聚丙烯酰胺接枝层过厚所致。因为在冲击 过程中不仅纤维表层界面产生应变 ,而且接枝层中 的分子链也会产生蠕变或滑移 ,两者综合的结果使 微量冲击曲线产生了畸变。 上述的研究可以看到 ,微量冲击法虽然不能得 到 ISS 的绝对值 ,但它可以清晰地揭示树脂基复合 材料界面结合的性质 ,对最佳界面结合的判断提供 了相当丰富的信息。 212 临界纤维断裂长度分析法 60 年代中 Kelly 等提出这一分析法[7 ] 。他们将 一根单丝纤维埋于基体树脂中 ,测试时拉伸基体。 由于基体与纤维界面上的剪切作用 ,外力传递到纤 维上 ,使纤维断成许多小段。通过不同长度的纤维 强度实测或统计理论的推算 ,进而得到纤维与基体 界面上的 ISS。相对于其它方法 ,临界纤维断裂长 度法由于进行大量数据统计分析 ,因而局限性和偶 然性都较小 ,较能真实地反映实际情况 ,因此在国外 相当广泛地应用于学术界。笔者在此领域也进行了 相关的研究。 首先从不同长度单丝纤维强度的测量开始。使 用纤维电子强力仪以 0101mm/ min 拉伸速度进行 拉伸。每一种长度的纤维测定 50 个以上的样品 ,取 有效平均值。例如 ,取玻璃纤维经 500 ℃灼烧处理 , 从中取出一半再经 KH2550 处理 ,然后测定不同长 度 L (mm) 的纤维的断裂强度σ( GPa) ,二者的对应 关系都具有较好的线性 ,拟合直线的方程分别如式 (4) 及式(5) 所示。可见只要给出预定的长度 ,由式 (4) 、(5) 就可计算出该长度下纤维的断裂强度。 σ= 019327 - 0100335L (4) σ= 017363 - 0100485L (5) 然后以浇注的方法(对热固性基体树脂) 或将单 丝纤维置于两片很薄的聚烯烃或其它树脂的片材之 间(对热塑性树脂)压制。均不容许试样有气泡或有纤 维发生弯曲。取出制作的单丝复合材料 ,制成哑铃形。 14 树脂基复合材料界面结合的研究 2004 年 9 月 FRP/ CM 2004. No. 5