界面剪切強(qiáng)度

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1、·１４·高分子通報(bào)２０１３年２月纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度及界面微觀結(jié)構(gòu)的表征秦文貞，于俊榮＊，賀建強(qiáng)，陳蕾，諸靜，胡祖明（東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海２０１６２０）摘要：界面在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中具有特別重要的作用，它不但是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中增強(qiáng)相和基體相連接的紐帶，也是應(yīng)力及其他信息傳遞的橋梁。良好的界面粘結(jié)才能使纖維的性能得到充分發(fā)揮，進(jìn)而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提高，因此對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能、界面微觀結(jié)構(gòu)的研究非常重要。本文總結(jié)了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度、界面微觀結(jié)構(gòu)的表征方法，包括單纖維拔出試驗(yàn)、纖維斷裂試驗(yàn)、纖維壓出試驗(yàn)等，并側(cè)重介紹了拉曼光譜

2、對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面粘結(jié)性能、界面微觀結(jié)構(gòu)的研究。關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；界面剪切強(qiáng)度；界面微觀結(jié)構(gòu)；拉曼光譜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于比重小、比強(qiáng)度和比模量大等優(yōu)異性能，廣泛地應(yīng)用于航空航天、國(guó)防、交通、體育等領(lǐng)域。在外力作用下，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通過(guò)界面進(jìn)行應(yīng)力傳遞才能使纖維和基體應(yīng)力均衡分布。然而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面能否有效地傳遞應(yīng)力，有賴于基體與纖維增強(qiáng)體之間界面的結(jié)合程度。因此，對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面結(jié)合程度、界面微觀結(jié)構(gòu)的表征和研究是非常重要的，界面剪切強(qiáng)度作為界面粘結(jié)中最有效的力學(xué)表征參數(shù)，也就成為目前纖維增強(qiáng)復(fù)合材料研究中的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。因此本文重點(diǎn)介紹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)

3、度的測(cè)試方法，同時(shí)介紹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面微觀結(jié)構(gòu)的拉曼光譜表征。１界面剪切強(qiáng)度的傳統(tǒng)測(cè)試方法１．１單纖維拔出試驗(yàn)［１］單纖維拔出試驗(yàn)是一種有效的界面剪切強(qiáng)度測(cè)試方法，其基本原理是將單纖維包埋在基體片中，固化后將單纖維從基體片中拔出，記錄拔出時(shí)所需要的力，即可得到界面的剪切強(qiáng)度，為了使單纖維從基體中拔出而不至于發(fā)生纖維斷裂，必須使纖維埋入基體中的長(zhǎng)度適當(dāng)，圖１為纖維拔出示意圖。實(shí)驗(yàn)可在通常使用的小型萬(wàn)用材料試驗(yàn)機(jī)中實(shí)施。為使實(shí)驗(yàn)操作更為簡(jiǎn)單，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可變因素更少，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋更趨合理，單纖維拔出試驗(yàn)技術(shù)在不斷的改進(jìn)和完善。微滴包埋拔出試驗(yàn)是對(duì)單纖維拔出試驗(yàn)的一種改進(jìn)，將塊狀基體改

4、變成微滴狀基體，即在纖維表面上滴入樹(shù)脂微滴，盡量減少纖維段的埋入長(zhǎng)度，而且用阻擋或推移微滴的方式替代對(duì)基體的夾持，這種方法能有效地解決單纖維拔出試驗(yàn)試樣制備的困難，并能減小實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差，圖２為微滴包埋拔出示意圖。［２］Ｌｉｕ等針對(duì)不能像傳統(tǒng)方法制備微滴包埋試樣的低粘度基體，提出了一種新的微滴包埋試樣制備方法。首先把纖維垂直固定在一個(gè)挖有小洞的薄板上，然后在薄板上的洞內(nèi)用細(xì)針滴入水性聚氨酯。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把薄板去除后形成了與傳統(tǒng)橢圓微滴形狀不一樣的圓形微滴，并進(jìn)一步用有限元素分析法分析實(shí)驗(yàn)中的圓形微滴與傳統(tǒng)的橢圓微滴的界面剪切應(yīng)力的分布，分析結(jié)果顯示兩者的界面剪切應(yīng)力曲線［３］是非常吻合的，

5、證明了這種微滴制備方法的可行性說(shuō)明。Ｍｏｒｌｉｎ也利用這種方法研究玻璃纖維／聚氨收稿：２０１２－０７－２４；修回：２０１２－０９－２８；基金項(xiàng)目：國(guó)家９７３計(jì)劃項(xiàng)目（２０１１ＣＢ６０６１０３）；國(guó)家８６３計(jì)劃項(xiàng)目（２００９ＡＡ０３４６０５）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資金重點(diǎn)項(xiàng)目（１１Ｄ１０６２５）；作者簡(jiǎn)介：秦文貞（１９８８－），女，博士，研究方向?yàn)槔w維復(fù)合材料界面。Ｔｅｌ：１８８０１６２３４０２，Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｗｚ１４１７＠１６３．ｃｏｍ；＊通訊聯(lián)系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｊｒ＠ｄｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．第２期高分子通報(bào)·１５·圖１纖維拔出試樣圖圖２微滴包埋拔出示意圖Ｆｉｇｕｒｅ１Ｓｐｅｃｉｍｅ

6、ｎｏｆｆｉｂｅｒｐｕｌｌ－ｏｕｔｍｏｄｅｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅＦｉｇｕｒｅ２Ｓｐｅｃｉｍｅｎｏｆｍｉｃｒｏｄｒｏｐｌｅｔｍｏｄｅｌ酯樹(shù)脂的界面剪切強(qiáng)度，試樣制備如圖３所示，并研究了纖維拔出的速度和微滴幾何參數(shù)對(duì)界面剪切強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)纖維撥出速度在１０～１００ｍｍ／ｍｉｎ時(shí)，復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度受撥出速度的影響很小。圖３（Ａ）改進(jìn)微微滴實(shí)驗(yàn)裝置；（Ｂ）微滴制備的原理圖Ｆｉｇｕｒｅ３（Ａ）Ｔｈｅｍｏｄｉｆｉｅｄｔｅｓｔａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ；（Ｂ）Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｖｉｅｗｏｆｔｈｅｄｒｏｐｌｅｔａｐｐｌｉｃａｔｏｒ１．２纖維斷裂試驗(yàn)［４］［５］纖維斷裂試驗(yàn)也稱纖維的臨界長(zhǎng)度測(cè)量，是由Ｋｅ

7、ｌｌｙ等提出的一種分析測(cè)試方法。其基本原理是將一根纖維伸直包埋于基體中，制成啞鈴狀試樣，然后沿纖維軸向?qū)w進(jìn)行拉伸，載荷將通過(guò)界面?zhèn)鬟f到纖維，并使纖維連續(xù)地發(fā)生斷裂。這一現(xiàn)象會(huì)一直進(jìn)行到載荷不能因小段纖維周圍界面力的傳遞使纖維再發(fā)生斷裂為止。利用光學(xué)顯微鏡或聲發(fā)射裝置對(duì)斷裂后的碎片長(zhǎng)度進(jìn)行觀察和測(cè)量，各個(gè)斷裂纖維段中最長(zhǎng)的那段纖維的長(zhǎng)度稱為臨界長(zhǎng)度Ｌｃ，然后利用界面模型，即可得到界面的剪切強(qiáng)度τ，圖４為纖維斷裂試驗(yàn)示意