碳纤维增强树脂基复合材料的界面/彭公秋等 碳纤维增强树脂基复合材料的界面ˆ 彭公秋,杨进军,曹正华,谢富原 (北京航空制造工程研究所,北京100024) 摘要从碳纤维、树脂基体、界面3侭层次对碳纤维增强树脂基复合材料的界面研究进行了綜述,重点介绍了 碳纤维表面特性表征及改性方法、树脂基体特性及改性方法和界面分析表征手段,由此提出了纤维/树脂界面的研究 路线,简要分析了复合材料界面研究的前景与趋势。为了实现纤維/树脂界面的良好匹配,充分发挥碳纤維复合材料 的性能优势,需完善界面表征手段、明确界面微观性能与复合村料宏观性能的关系、深化研究界面对复合材料湿热性 能及失效模式的影响等 关键词碳纤维增强树脂界面性能复合材料 The Interface of Carbon Fiber Reinforced Resin M atrix Composite PENG Gongqiu, YANG Jinjun, CAO Zhenghua, XIE Fuyuan Beijing Aeronautical M anufacturing Technology Research Inst itute, Bei jing 100024) Abstract The research progress of interface of carbon fiber reinfor ced resin matrix com posites is review ed from three aspects: carbon fiber. resin and interface. The surface charader ization and modification methods of carbon fiber. char acterizatio n and modification methods of resin, and analy tical methods of interface are intro duced in detail. based on the above, a research w ay for interface of fiber/resin is proposed. Besides, the research prospect and dev elo pment trend of interface of compo sites are analyzed. In order to realize the compatibi lit y of fiber and resin and exert the ad antages of properties of carbon fiber compos ites, more work such as perfect ing charact erization methods of interface. effed of interface on the hydrot hermal pro perties and failure mode of composites are needed ep confirm ing the relationship betw een interfacial propert ies and macro propert ies ey words ber, reinforced resin, interface, propert y, composite 碳纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比模量、性低,与树脂的浸润性及两相粘结性差η,复合时容易在界 耐高温、低密度等一系列的优异性能,广泛应用于航空航天面上形成空隙和缺陷,增强相与基体材料之间难以形成有效 和民用工业。复合材料是由增强纤维、树脂基体以及两者的粘结。通常需对纤维表面进行改性来改善纤维与基体的 之间的界面相组成增强纤维主要起承载作用,树脂基体主润湿性,甚至在纤维与基体之间形成化学键结合,从而提高 要起连接増强相和传载作用,而界面作为复合材料另一个重纤维与树脂之间的界面粘结强度,获得抗剪切强度较高的复 要的微结构,不仅起着连接增强纤维与树脂基体的桥梁”作合材料。因此,对碳纤维表面特性及改性的研究一直受到了 用,也是外加荷载从基体向增强纤维传递的“纽带”。界面界面工程研究者的关注。 的结构、组成性质、结合方式以及界面粘结强度对复合材料1.1碳纤维表面特性 的力学性能及破坏行为有着重大的影响4。因此随着复合 与界面研究相关的碳纤维表面特性主要包括表面微结 材料的发展和广泛应用,复合材料界面结构及优化设计备受构、表面化学特性、浸润性等,其中表面微结构直接影响纤维 关注,界面力学行为与破坏机理也成为当代材料科学的前沿与树脂的粘结特性。碳纤维表面粗糙度增大能增加其与树 课题之- 脂的锚定”作用,提高与树脂的层间剪切强度,进而影响复 本文主要从碳纤维、树脂、界面3个层次对碳纤维增强合材料的传载及承载特性。碳纤维表面特性即表面化学 树脂基复合材料界面进行了评述,以期为优化界面、提高复结构中活性基团种类及含量直接影响了纤维与树脂的亲和 合材料力学性能提供一定的理论指导。 性,活性基团能与树脂本身的官能团在复合时发生各种化学 1碳纤维表面特性及改性 作用(极性作用、氢键或共价键),从而提高复合材料的层间 剪切强度叫。碳纤维的表面浸润性主要是指碳纤维表面自 碳纤维表面特性直接影响复合材料的界面性质,进而影由能及其与液体或树脂的接触角大小,碳纤维表面能、表面 响到复合材料的宏观性能6,而碳纤维比表面积小,表面活粗糙度、表面沟槽结构及表面官能团等的协同作用都会影响 *国家自然科学基金(60572099) 彭公男2年生:博击后要人酸纤维增州脂合材程购 iu625@163 ww.cnkinet碳纤维增强树脂基复合材料的界面* 彭公秋, 杨进军, 曹正华, 谢富原 ( 北京航空制造工程研究所, 北京 100024) 摘要 从碳纤维、树脂基体、界面 3 个层次对碳纤维增强树脂基复合材料的界面研究进行了综述, 重点介绍了 碳纤维表面特性表征及改性方法、树脂基体特性及改性方法和界面分析表征手段, 由此提出了纤维/ 树脂界面的研究 路线, 简要分析了复合材料界面研究的前景与趋势。为了实现纤维/ 树脂界面的良好匹配, 充分发挥碳纤维复合材料 的性能优势, 需完善界面表征手段、明确界面微观性能与复合材料宏观性能的关系、深化研究界面对复合材料湿热性 能及失效模式的影响等。 关键词 碳纤维 增强树脂 界面 性能 复合材料 T he Interface of Carbon Fiber Reinforced Resin Matrix Composit e PENG Gongqiu, YAN G Jinjun, CAO Zhenghua, XIE Fuyuan ( Beijing Aeronautical M anufacturing T echnolog y Research Inst itute, Beijing 100024) Abstract The research pro gr ess of interface o f carbon fiber reinfor ced resin matrix com posites is review ed from three aspects: car bon fiber, resin and interface. The surface char acterization and mo dificatio n metho ds of car bo n fiber, char acterizatio n and modificatio n metho ds of r esin, and analy tical metho ds of interface ar e intro duced in detail. Based on the abo ve, a r esear ch w ay fo r interface o f fiber/ r esin is pr oposed. Besides, the r esear ch pro spect and dev elo pment trend of interface of compo sites a re ana lyzed. In or der to realize the compatibilit y o f fiber and resin and ex ert the ad
vantages of pro perties of carbon fiber composites, mo re wo rk such as perfect ing char act erizatio n methods o f interface, confirm ing the relationship betw een interfacia l propert ies and macr o
propert ies o f compo sites, deeply investig ating the effect of interface on the hydrot hermal pro perties and failure mode of composites ar e needed. Key words car bo n fiber, r einforced resin, interface, propert y, compo site * 国家自然科学基金( 60572099) 彭公秋: 男, 1982 年生, 博士后, 主要从事碳纤维增强树脂基复合材料研究 E
mail: pengg ongqiu625@ 163. com 碳纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比模量、 耐高温、低密度等一系列的优异性能, 广泛应用于航空航天 和民用工业[1]。复合材料是由增强纤维、树脂基体以及两者 之间的界面相组成, 增强纤维主要起承载作用, 树脂基体主 要起连接增强相和传载作用, 而界面作为复合材料另一个重 要的微结构, 不仅起着连接增强纤维与树脂基体的
桥梁
作 用, 也是外加荷载从基体向增强纤维传递的
纽带
[2] 。界面 的结构、组成、性质、结合方式以及界面粘结强度对复合材料 的力学性能及破坏行为有着重大的影响 [3, 4] 。因此随着复合 材料的发展和广泛应用, 复合材料界面结构及优化设计备受 关注, 界面力学行为与破坏机理也成为当代材料科学的前沿 课题之一[ 5] 。 本文主要从碳纤维、树脂、界面 3 个层次对碳纤维增强 树脂基复合材料界面进行了评述, 以期为优化界面、提高复 合材料力学性能提供一定的理论指导。 1 碳纤维表面特性及改性 碳纤维表面特性直接影响复合材料的界面性质, 进而影 响到复合材料的宏观性能 [ 6, 7] , 而碳纤维比表面积小, 表面活 性低, 与树脂的浸润性及两相粘结性差[ 1] , 复合时容易在界 面上形成空隙和缺陷, 增强相与基体材料之间难以形成有效 的粘结。通常需对纤维表面进行改性来改善纤维与基体的 润湿性, 甚至在纤维与基体之间形成化学键结合, 从而提高 纤维与树脂之间的界面粘结强度, 获得抗剪切强度较高的复 合材料。因此, 对碳纤维表面特性及改性的研究一直受到了 界面工程研究者的关注。 1. 1 碳纤维表面特性 与界面研究相关的碳纤维表面特性主要包括表面微结 构、表面化学特性、浸润性等, 其中表面微结构直接影响纤维 与树脂的粘结特性。碳纤维表面粗糙度增大, 能增加其与树 脂的
锚定
作用, 提高与树脂的层间剪切强度, 进而影响复 合材料的传载及承载特性[ 8] 。碳纤维表面特性即表面化学 结构中活性基团种类及含量直接影响了纤维与树脂的亲和 性, 活性基团能与树脂本身的官能团在复合时发生各种化学 作用( 极性作用、氢键或共价键) , 从而提高复合材料的层间 剪切强度[9]。碳纤维的表面浸润性主要是指碳纤维表面自 由能及其与液体或树脂的接触角大小, 碳纤维表面能、表面 粗糙度、表面沟槽结构及表面官能团等的协同作用都会影响 碳纤维增强树脂基复合材料的界面/ 彭公秋等
1