界面剪切強度

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1、·１４·高分子通報２０１３年２月纖維增強復合材料界面剪切強度及界面微觀結構的表征秦文貞，于俊榮＊，賀建強，陳蕾，諸靜，胡祖明（東華大學纖維材料改性國家重點實驗室，上海２０１６２０）摘要：界面在纖維增強復合材料中具有特別重要的作用，它不但是纖維增強復合材料中增強相和基體相連接的紐帶，也是應力及其他信息傳遞的橋梁。良好的界面粘結才能使纖維的性能得到充分發(fā)揮，進而纖維增強復合材料的力學性能得到提高，因此對纖維增強復合材料的界面粘結性能、界面微觀結構的研究非常重要。本文總結了纖維增強復合材料界面剪切強度、界面微觀結構的表征方法，包括單纖維拔出試驗、纖維斷裂試驗、纖維壓出試驗等，并側重介紹了拉曼光譜

2、對纖維增強復合材料界面粘結性能、界面微觀結構的研究。關鍵詞：纖維增強復合材料；界面剪切強度；界面微觀結構；拉曼光譜纖維增強復合材料由于比重小、比強度和比模量大等優(yōu)異性能，廣泛地應用于航空航天、國防、交通、體育等領域。在外力作用下，纖維增強復合材料通過界面進行應力傳遞才能使纖維和基體應力均衡分布。然而纖維增強復合材料界面能否有效地傳遞應力，有賴于基體與纖維增強體之間界面的結合程度。因此，對纖維增強復合材料界面結合程度、界面微觀結構的表征和研究是非常重要的，界面剪切強度作為界面粘結中最有效的力學表征參數，也就成為目前纖維增強復合材料研究中的重點和熱點。因此本文重點介紹纖維增強復合材料界面剪切強

3、度的測試方法，同時介紹纖維增強復合材料界面微觀結構的拉曼光譜表征。１界面剪切強度的傳統(tǒng)測試方法１．１單纖維拔出試驗［１］單纖維拔出試驗是一種有效的界面剪切強度測試方法，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，記錄拔出時所需要的力，即可得到界面的剪切強度，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度適當，圖１為纖維拔出示意圖。實驗可在通常使用的小型萬用材料試驗機中實施。為使實驗操作更為簡單，影響實驗結果的可變因素更少，對實驗結果的解釋更趨合理，單纖維拔出試驗技術在不斷的改進和完善。微滴包埋拔出試驗是對單纖維拔出試驗的一種改進，將塊狀基體改

4、變成微滴狀基體，即在纖維表面上滴入樹脂微滴，盡量減少纖維段的埋入長度，而且用阻擋或推移微滴的方式替代對基體的夾持，這種方法能有效地解決單纖維拔出試驗試樣制備的困難，并能減小實驗結果的誤差，圖２為微滴包埋拔出示意圖。［２］Ｌｉｕ等針對不能像傳統(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挖有小洞的薄板上，然后在薄板上的洞內用細針滴入水性聚氨酯。實驗發(fā)現(xiàn)，當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，并進一步用有限元素分析法分析實驗中的圓形微滴與傳統(tǒng)的橢圓微滴的界面剪切應力的分布，分析結果顯示兩者的界面剪切應力曲線［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；基金項目：國家９７３計劃項目（２０１１ＣＢ６０６１０３）；國家８６３計劃項目（２００９ＡＡ０３４６０５）；中央高校基本科研業(yè)務費資金重點項目（１１Ｄ１０６２５）；作者簡介：秦文貞（１９８８－），女，博士，研究方向為纖維復合材料界面。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·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酯樹脂的界面剪切強度，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對界面剪切強度的影響，實驗發(fā)現(xiàn)纖維撥出速度在１０～１００ｍｍ／ｍｉｎ時，復合材料界面剪切強度受撥出速度的影響很小。圖３（Ａ）改進微微滴實驗裝置；（Ｂ）微滴制備的原理圖Ｆｉｇｕｒｅ３（Ａ）Ｔｈｅｍｏｄｉｆｉｅｄｔｅｓｔａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ；（Ｂ）Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｖｉｅｗｏｆｔｈｅｄｒｏｐｌｅｔａｐｐｌｉｃａｔｏｒ１．２纖維斷裂試驗［４］［５］纖維斷裂試驗也稱纖維的臨界長度測量，是由Ｋｅ

7、ｌｌｙ等提出的一種分析測試方法。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，然后沿纖維軸向對基體進行拉伸，載荷將通過界面?zhèn)鬟f到纖維，并使纖維連續(xù)地發(fā)生斷裂。這一現(xiàn)象會一直進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。利用光學顯微鏡或聲發(fā)射裝置對斷裂后的碎片長度進行觀察和測量，各個斷裂纖維段中最長的那段纖維的長度稱為臨界長度Ｌｃ，然后利用界面模型，即可得到界面的剪切強度τ，圖４為纖維斷裂試驗示意