树脂基复合材料界面结合的研究 2004年9月 树脂基复合材料界面结合的研究I 界面分析及界面剪切强度的研究方法 郑安呐,胡福增 (华东理工大学材料科学与工程学院,上海200237) 摘要:本文分析了树脂基复合材料受力状况下对界面结合的要求,着重介绍了微量冲击和临界纤维断裂长度分析两种 检测树脂基复合材料界面剪切强度的方法及其研究成果。通过对单丝纤维断点周围基体树脂形态的分析,提出了一种判断优 化界面的方法 关键词:树脂基复合材料;界面剪切强度;临界纤维断裂长度;优化界面 中图分类号:TB18;TQ31;O33;V45文献标识码:A文章编号:1003·0999(2004)050012-05 复合材料之所以具有极为优异的性能,是因为如1,2,3,4所示。复合材料的截面积为S,单根纤 它综合了增强材料和基体各自的优点,但这又必须维的截面积为S树脂基体的截面积为Sm。当外 建立在两者可以通过界面剪切方式传递载荷的基础F施加于复合材料时,其承受的拉伸应力a为 之上,因此界面剪切强度在很大程度决定了复合材 O= F/S 料的性能。有关界面结合的研究几乎是伴随着复合 假定属于小应变,并符合虎克定理,且两者结合 材料的发展而发展的,当然树脂基复合材料也不可界面没有相对滑移,从而有相同的应变e,因此 能例外。本文结合笔者在复合材料界面领域从事的 o=o+ om= E .E+ Em 研究,对树脂基复合材料界面提出自己一些看法,不 式中m和分别为树脂基体与纤维所承担应 当之处,还望指正 力。可以看到由于E》Em,所以可》0m。也即纤 1树脂基复合材料形成优化界面的 维承担了主要的外部载荷,这也就是纤维增强复合 分析 材料的基本原理。 广义而言,树脂基复合材料是指以高分子树脂 如果纤维与树脂基体在界面上没有任何相互作 为基体,以无机粉体或纤维来增强的复合材料。由用,由图1可以看到,由于纤维是分散相,树脂基体 于无机粉体对树脂的增强效果不大,往往又是以降是连续相在外力F的作用下树脂基体无法将外力 低成本为主要目的,因此树脂基复合材料通常狭义 通过界面剪切应力(Tm)传递给纤维纤维不会产生 地指纤维增强的复合材料,本文的讨论将限于此范 任何应变。在式(2)中可以看到,右边第一项E 为零,此时整个复合材料承受的应力0完全只由树 围之内 脂基体所承受的应力on=Em←ε来替代。此时树脂 基体承受的应力为 am=F/Sm= F/(Se-nSy 由于在复合材料的截面积中纤维(nS)占有 相当大的比例,从式(3)可以看到,树脂基体在复合 材料中要比在单纯基体材料中承受更大的应力。此 时原用作增强的纤维却成了完全无用的杂质,破坏 了材料的完整性,降低了总体的承载能力。由此可 见,没有良好的界面结合,复合材料本身也就失去了 图1纤维增强树脂基复合材料的承载模型 意义,还不如原单一的基体材料。 纤维增强树脂基复合材料可用图1所示的模型 与上述相反,如果就基体与纤维间没有任何相 描述。为了简化讨论,将纤维的排列方向设为一致,对滑移的紧结合界面而言,如式(2)所示,似乎完美 收稿日期:2004-0-17 作者简介:郑安呐(1948-),男,教授,博士生导师,主要从事高分子材料和复合材料的研究 FRP/ CM 2004. No 5 201994-2010ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net收稿日期 : 2004201217 作者简介 : 郑安呐 (1948 - ) , 男 , 教授 , 博士生导师 , 主要从事高分子材料和复合材料的研究。 树脂基复合材料界面结合的研究 I: 界面分析及界面剪切强度的研究方法 郑安呐 , 胡福增 (华东理工大学材料科学与工程学院 , 上海 200237) 摘要 : 本文分析了树脂基复合材料受力状况下对界面结合的要求 ,着重介绍了微量冲击和临界纤维断裂长度分析两种 检测树脂基复合材料界面剪切强度的方法及其研究成果。通过对单丝纤维断点周围基体树脂形态的分析 ,提出了一种判断优 化界面的方法。 关键词 : 树脂基复合材料 ; 界面剪切强度 ; 临界纤维断裂长度 ; 优化界面 中图分类号 : TB218 ; TQ31 ; O33 ; V45 文献标识码 : A 文章编号 : 1003 - 0999 (2004) 05 - 0012 - 05 复合材料之所以具有极为优异的性能 , 是因为 它综合了增强材料和基体各自的优点 , 但这又必须 建立在两者可以通过界面剪切方式传递载荷的基础 之上 ,因此界面剪切强度在很大程度决定了复合材 料的性能。有关界面结合的研究几乎是伴随着复合 材料的发展而发展的 ,当然树脂基复合材料也不可 能例外。本文结合笔者在复合材料界面领域从事的 研究 ,对树脂基复合材料界面提出自己一些看法 ,不 当之处 ,还望指正。 1 树脂基复合材料形成优化界面的 分析 广义而言 ,树脂基复合材料是指以高分子树脂 为基体 ,以无机粉体或纤维来增强的复合材料。由 于无机粉体对树脂的增强效果不大 ,往往又是以降 低成本为主要目的 ,因此树脂基复合材料通常狭义 地指纤维增强的复合材料 ,本文的讨论将限于此范 围之内。 图 1 纤维增强树脂基复合材料的承载模型 纤维增强树脂基复合材料可用图 1 所示的模型 描述。为了简化讨论 ,将纤维的排列方向设为一致 , 如 1 ,2 ,3 ,4 所示。复合材料的截面积为 Sc ,单根纤 维的截面积为 S f ,树脂基体的截面积为 S m 。当外 力 F 施加于复合材料时 ,其承受的拉伸应力σc 为 : σc = F/ Sc (1) 假定属于小应变 ,并符合虎克定理 ,且两者结合 界面没有相对滑移 ,从而有相同的应变ε,因此 σc =σf +σm = Ef·ε+ Em·ε (2) 式中σm 和σf 分别为树脂基体与纤维所承担应 力。可以看到由于 Ef µ Em ,所以σf µσm 。也即纤 维承担了主要的外部载荷 ,这也就是纤维增强复合 材料的基本原理。 如果纤维与树脂基体在界面上没有任何相互作 用 ,由图 1 可以看到 ,由于纤维是分散相 ,树脂基体 是连续相 ,在外力 F 的作用下树脂基体无法将外力 通过界面剪切应力(τint ) 传递给纤维 ,纤维不会产生 任何应变。在式(2) 中可以看到 ,右边第一项 Ef ·ε 为零 ,此时整个复合材料承受的应力σc 完全只由树 脂基体所承受的应力σm = Em·ε来替代。此时树脂 基体承受的应力为 : σm = F/ S m = F/ ( S c - n·S f ) (3) 由于在复合材料的截面积中纤维 ( n·S f ) 占有 相当大的比例 ,从式 (3) 可以看到 ,树脂基体在复合 材料中要比在单纯基体材料中承受更大的应力。此 时原用作增强的纤维却成了完全无用的杂质 ,破坏 了材料的完整性 ,降低了总体的承载能力。由此可 见 ,没有良好的界面结合 ,复合材料本身也就失去了 意义 ,还不如原单一的基体材料。 与上述相反 ,如果就基体与纤维间没有任何相 对滑移的紧结合界面而言 ,如式 (2) 所示 ,似乎完美 12 树脂基复合材料界面结合的研究 2004 年 9 月 FRP/ CM 2004. No. 5