碳纤维增强树脂基复合材料的界面/彭公秋等 为了提高复合材料界面粘结力及调节界面效应与宏观法、微脱粘实验法、纤维顶出法等,其中,微脱粘实验测试是 性能间的关系,必须掌握树脂本身的物理、化学、固化特性及定量测定复合材料界面结合强度较为可靠的方法,三点 其成型工艺特点。树脂基体应具有高强度、高韧性、高的延短梁弯曲法是间接反映复合材料界面结合强度最常用的宏 伸率及耐高温性,通常树脂基体的断裂伸长率应以纤维断裂观测试方法。 但是作为复合材料基体的树脂裂纹扩展属于典型的脆4界面研究路线 性扩展,固化后存在韧性不足、耐冲击性较差和容易开裂等 根据上述分析,确定纤维/树脂界面研究路线如图1所 缺点,难以满足工程技术的要求,因此树脂的改性,尤其是树示 脂的增韧改性一直是国内外研究人员的“热门课题叫。目 面相容性 前环氧树脂的增韧途径主要有3种:(1)在环氧基体中加 匹配性 入橡胶弹性体、热塑性树脂或液晶聚合物等分散相来增韧」 (2)用热固性树脂连续贯穿于环氧树脂网络中形成互穿、半 纤维/树脂界面粘 互穿网络结构来增韧:(3)用含有柔性链段”的固化剂固化画态理逐圈试匿睡角 环氧在交联网络中引入柔性链段,提高网链分子的柔顺性 官能团理论 形貌 达到增韧的目的。而对于耐湿热良好的双马来酰亚胺树脂, 界面微结构面性能 其增韧改性包括烯丙基化合物增韧、二元胺增韧、热塑性树 脂增韧、橡胶増韧、不同结构BMI树脂共聚増韧等2,归纳 起来双马树脂增韧改性主要有两种途径:一是降低交联密 度:二是制备微观两相或多相结构树脂123 3界面的分析表征方法 图1纤维/树脂界面研究路线 界面是复合材料的重要组成部分,对复合材料性能具有 Fig, 1 Researd route of interf ace between fiber and resin 重要的影响,因此需对其界面进行准确表征。对界面的分析 首先采用SEM、AFM等测试纤维表面的沟槽形态及分 表征主要有两个方面:一是分析界面结构和组成:二是测定布、微孔状态、粗糙度等并采用XPS对纤维表面化学特性进 界面结合强度4。 行表征,结合树脂的物理化学特性分析,研究纤维与树脂基 3.1界面结构和组成的表征方法 体的物理化学作用,借助表面形态理论、官能团理论和表面 界面的组成和结构分析一般采用近代先进的分析测试能理论探讨界面结合方式及作用机理。然后测试纤维表面 技术如SEM、AFM可以给出纤维表面、复合材料断口形貌能及与树脂的接触角,研究纤维与树脂基体之间的浸润性 和界面微观结构纳米压痕法和力调制模式下的AFM可用最后采用AFM分析界面微结构借助微脱粘实验、三点短梁 于表征纤维、树脂和复合材料界面硬度的变化给出界面的弯曲等测试方法,分析界面粘结性能并结合复合材料界面 厚度 断口形貌分析,确定纤维/树脂的界面相容性及匹配性。 此外,采用SEM、AFM还可检测复合材料断口形貌和 破坏模式进而分析界面结合情况。一般来说复合材料界5界面研究前景与趋势 面粘接好的表现是:复合材料剪切断口界面几乎没有开裂, 综上所述,界面对复合材料的性能有重要影响,界面问 纤维几乎无拔出现象表现出纤维与树脂同时断裂。而界面题仍然是研究工作者今后值得深入研究的课题,期待在以下 的结合很差的表现形式是未处理的复合材料剪切断口界面几个方面有所突破 上纤维与基体树脂开裂严重,界面分离明显,存在大量拔脱 (D界面层可被看作是由增强纤维和树脂基体的界面再 的碳纤维。拔出的碳纤维长度较长,表面光洁基本上未粘加上增强纤维和树脂表面的薄层构成界面层的厚度为纳米 附树脂碳纤维拔出后在基体树脂中残留有深的隧洞。但级,界面结构和性能的检测手段需进一步改善 是,界面内部即使是同一组成部分其内部组成和性质也有很 2界面作用机理尚未得到统一认识尤其是界面化学 大的差别,使得界面的结构和组成定量研究十分困难,需要 反应、界面应力、界面相微观结构等界面微观性能与复合材 进一步改进检测手段 料宏观性能之间的关系有待进一步明确。 3.2界面结合强度的表征方法 (3界面微结构及性能对复合材料湿热性能、失效模式 表征复合材料界面强度的方法一般分为两类:宏观复合 材料测试方法和单纤维模型复合材料测试方法。宏观复合的影响有待深化研究。 材料测试方法是以复合材料宏观性能来评价纤维与基体界 参考文献 面的应力状态,包括三点短梁弯曲、偏轴拉伸、导槽剪切、Io-1贺福.碳纤维及其应用技术M].北京:化学工业出版社 sipes剪切、诺尔环(NOL)等实验方法l,3。单纤维模型 2004 复合材科想试法主要包括单红维拔出法:单红维临界断器h2平,充雷等界面强度种纤维增强复食材料宏观为了提高复合材料界面粘结力及调节界面效应与宏观 性能间的关系, 必须掌握树脂本身的物理、化学、固化特性及 其成型工艺特点。树脂基体应具有高强度、高韧性、高的延 伸率及耐高温性, 通常树脂基体的断裂伸长率应以纤维断裂 伸长率的2~ 3 倍为宜[21]。 但是作为复合材料基体的树脂裂纹扩展属于典型的脆 性扩展, 固化后存在韧性不足、耐冲击性较差和容易开裂等 缺点, 难以满足工程技术的要求, 因此树脂的改性, 尤其是树 脂的增韧改性一直是国内外研究人员的
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课题[ 22]。目 前环氧树脂的增韧途径主要有 3 种[23] : ( 1) 在环氧基体中加 入橡胶弹性体、热塑性树脂或液晶聚合物等分散相来增韧; ( 2)用热固性树脂连续贯穿于环氧树脂网络中形成互穿、半 互穿网络结构来增韧; ( 3) 用含有
柔性链段
的固化剂固化 环氧, 在交联网络中引入柔性链段, 提高网链分子的柔顺性, 达到增韧的目的。而对于耐湿热良好的双马来酰亚胺树脂, 其增韧改性包括烯丙基化合物增韧、二元胺增韧、热塑性树 脂增韧、橡胶增韧、不同结构 BMI 树脂共聚增韧等[ 24] , 归纳 起来, 双马树脂增韧改性主要有两种途径: 一是降低交联密 度; 二是制备微观两相或多相结构树脂[25]。 3 界面的分析表征方法 界面是复合材料的重要组成部分, 对复合材料性能具有 重要的影响, 因此需对其界面进行准确表征。对界面的分析 表征主要有两个方面: 一是分析界面结构和组成; 二是测定 界面结合强度[ 4, 26] 。 3. 1 界面结构和组成的表征方法 界面的组成和结构分析一般采用近代先进的分析测试 技术, 如 SEM 、AFM 可以给出纤维表面、复合材料断口形貌 和界面微观结构; 纳米压痕法和力调制模式下的 AFM 可用 于表征纤维、树脂和复合材料界面硬度的变化, 给出界面的 厚度[ 27- 29]。 此外, 采用 SEM 、A FM 还可检测复合材料断口形貌和 破坏模式, 进而分析界面结合情况。一般来说, 复合材料界 面粘接好的表现是: 复合材料剪切断口界面几乎没有开裂, 纤维几乎无拔出现象, 表现出纤维与树脂同时断裂。而界面 的结合很差的表现形式是: 未处理的复合材料剪切断口界面 上纤维与基体树脂开裂严重, 界面分离明显, 存在大量拔脱 的碳纤维。拔出的碳纤维长度较长, 表面光洁, 基本上未粘 附树脂, 碳纤维拔出后在基体树脂中残留有深的隧洞[ 30]。但 是, 界面内部即使是同一组成部分其内部组成和性质也有很 大的差别, 使得界面的结构和组成定量研究十分困难, 需要 进一步改进检测手段。 3. 2 界面结合强度的表征方法 表征复合材料界面强度的方法一般分为两类: 宏观复合 材料测试方法和单纤维模型复合材料测试方法。宏观复合 材料测试方法是以复合材料宏观性能来评价纤维与基体界 面的应力状态, 包括三点短梁弯曲、偏轴拉伸、导槽剪切、Io
sipescu 剪切、诺尔环( N OL) 等实验方法[31, 32]。单纤维模型 复合材料测试方法主要包括单纤维拔出法、单纤维临界断裂 法、微脱粘实验法、纤维顶出法等, 其中, 微脱粘实验测试是 定量测定复合材料界面结合强度较为可靠的方法[33, 34] , 三点 短梁弯曲法是间接反映复合材料界面结合强度最常用的宏 观测试方法。 4 界面研究路线 根据上述分析, 确定纤维/树脂界面研究路线如图 1 所 示。 图 1 纤维/树脂界面研究路线 Fig. 1 Research route of interface between fiber and resin 首先采用 SEM、A FM 等测试纤维表面的沟槽形态及分 布、微孔状态、粗糙度等, 并采用XPS 对纤维表面化学特性进 行表征, 结合树脂的物理化学特性分析, 研究纤维与树脂基 体的物理化学作用, 借助表面形态理论、官能团理论和表面 能理论探讨界面结合方式及作用机理。然后测试纤维表面 能及与树脂的接触角, 研究纤维与树脂基体之间的浸润性。 最后采用 AFM 分析界面微结构, 借助微脱粘实验、三点短梁 弯曲等测试方法, 分析界面粘结性能, 并结合复合材料界面 断口形貌分析, 确定纤维/ 树脂的界面相容性及匹配性。 5 界面研究前景与趋势 综上所述, 界面对复合材料的性能有重要影响, 界面问 题仍然是研究工作者今后值得深入研究的课题, 期待在以下 几个方面有所突破。 ( 1) 界面层可被看作是由增强纤维和树脂基体的界面再 加上增强纤维和树脂表面的薄层构成, 界面层的厚度为纳米 级, 界面结构和性能的检测手段需进一步改善。 ( 2) 界面作用机理尚未得到统一认识, 尤其是界面化学 反应、界面应力、界面相微观结构等界面微观性能与复合材 料宏观性能之间的关系有待进一步明确[ 35]。 ( 3) 界面微结构及性能对复合材料湿热性能、失效模式 的影响有待深化研究。 参考文献 1 贺福. 碳纤维及其应用技术[ M] . 北京: 化学工业出版社, 2004 2 张亚芳, 齐雷, 刘浩, 等. 界面强度对纤维增强复合材料宏观 碳纤维增强树脂基复合材料的界面/ 彭公秋等
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