（材料学专业论文）玻璃纤维环氧复合材料界面性能研究.pdf

摘要 复合材料是当今国民经济和国防建设显示竞争优势的重要材料，其中 纤维增强聚合物基复合材料发展最为完善、应用最为广泛。而深入研究界 面的形成过程、界面层性质、界面粘合、应力传递行为对宏观力学性能的 影响规律，精确地表征增强相与基体之间界面结合的情况，利用定量化描 述，进而有效进行控制，是获取高性能复合材料的关键。本文采用了目前 最为流行、最为有效的直接测定界面力学性能的实验方法之一单纤维 复合材料断裂实验研究了纤维树脂界面载荷传递机理，分析了几种纤维表 而处理复合材料界面的粘结情况，对界面的优化设计具有一定的指导作 用。 首先，本文充分研究了c o x 一维界面载荷传递模型，在完美界面粘结 载荷传递模型的基础上根据断裂力学观点建立了纤维断裂判掘和界面脱 粘判据，完善了界面载荷传递模型，以该模型为基础较好地描述了单纤维 复合材料拉伸实验过程。 此外，文中对单纤维复合材料断裂实验运用了新的解析方法，求解了 玻璃纤维环氧复合材料界面的剪切强度，与k e l l y t y s o n 等式方法求得的 界面剪切强度有着很好的一致性；同时，对四种不同表面处理剂处理的单 纤维复合材料断裂实验进行了分析，从临界纤维长度、界面剪切强度和单 纤维断裂实验中纤维断点周围基体形貌评价了界面的粘结情况。 界面作为复合材料的桥梁，建立合理的界面载荷传递模型，研究界面 剪切强度和界面破坏形式，可为复合材料界面的优化和复合材料整体性能 的提高提供理论设计指导；同时，对促进复合材料的广泛应用亦具有重要 的意义。 关键词：复合材料界面 界而载荷传递 单纤维复合材料断裂实验 表面处理；剪切强度 a b s t r a c t a so n eo f t h ec r i t i c a la n dc o m p e t i n gm a t e r i a l si nn a t i o n a le c o n o m ya n dd e f e n s e ，f i b e r r e i n f o r c e dp o l y m e rc o m p o s i t eh a sb e e nm o s td e v e l o p e da n dw i d e l yu s e d b a s e do nt h e i n v e s t i g a t i o no f t h ee f f e c t so f t h ef o r m a t i o np r o c e s s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c ，a d h e s i o na n ds t r e s s t r a n s f e ro f i n t e r f a c e o ni t s m a c r o s c o p i c a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n da c c u r a t e c h a r a c t e r i z a t i o no ft h ea d h e r i n gc o n d i t i o n sb e t w e e nt h er e i n f o r c e m e n ta n dm a t r i x ，i ti s p o s s i b l et oa c h i e v ee f f e c t i v ec o n t r o lo fi n t e r f a c e ，w h i c hi st h ek e yt oo b t a i nh i g hq u a l i t y c o m p o s i t e i nt h i sp a p e r , s i n g l ef i b e rc o m p o s i t ef r a g m e n t ( s f c ) m e t h o d ，w h i c hi so n eo f t h em o s tw i d e s p r e a da n de f f e c t i v ee x p e r i m e n t a lm e t h o d sf o rd e t e r m i n i n gt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fi n t e r f a c e ，w a sa d o p t e dt os t u d yt h el o a dt r a n s f e rm e c h a n i s ma n dt oe v a l u a t e t h ea d h e s i o np e r f o r m a n c eo fc o r n p o s i t ew i t hs u r f a c e t r e a t e df i b e r s t h i si s h e l p f u lf o r o p t i m i z a t i o nd e s i g no fi n t e r f a c e f i r s t ，t h eo n e - d i m e n s i o nl o a dt r a n s f e rm o d e lp r e s e n t e db yc o xw a ss t u d i e di nd e t a i l s b a s e do nt h ei d e a li n t e r f a c eb o n d i n gl o a dt r a n s f e rm o d e l ，af i b r ef r a c t u r ec r i t e r i o na n da n i n t e r f a c ed e b o n d i n gc r i t e r i o nw e r ee s t a b l i s h e di nt e r m so ff r a c t u r em e c h a n i c s ，w h i c h b e u e r e dt h ei n t e r p h a s el o a dt r a n s f e rm o d e lt h i sm o d e lc o u l da l s od e s c r i b et h ep r o c e s so f s i n g l e - f i b e rc o m p o s i t e sf r a g m e n t a t i o n i na d d i t i o n ，an e wa n a l y t i c a lm e t h o dw a su s e dt os o l v et h es h e a rs t r e n g t ho ft h e f i b e r e p o x yi n t e r f a c e t h er e s u l ts h o w e dg o o da g r e e m e n tw i t ht h a tf r o mt h ek e l l y - z y s o n e q u a t i o n m e a n w h i l e ，a c c o r d i n gt ot h es f ct e s t so ft h es i n g l ef i b e rr e i n f o r c e de p o x y m a t r i xc o m p o s i t e st r e a t e db yf o u rt y p e so fs u r f a c et r e a t m e n t s ，t h ei n t e r r a c i a la d h e s i o n c o n d i t i o n sw e r ee s t i m a t e db yc r i t i c a lf i b e rl e n g t h ，i n t e r r a c i a ls h e a rs t r e n g t ha n ds i n g l e f i b e rm i c r o d a m g em o d e a sab r i d g et oc o m p o s i t e s ，t h es t u d yo ni n t e r f a c ei n c l u d i n gt h ee s t a b l i s h m e n to fl o a d t r a n s f e rm o d e l ，s h e a r i n gs t r e n g t ha n db r e a k a g ep a t t e r np r o v i d e st h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o r t h ei n t e r f a c eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n de n h a n c e m e n to f c o m p o s i t e sp r o p e r t i e s m o r e o v e r , i t a l s op l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei np r o m o t i n gt h ew i d ea p p l i c a t i o no f c o m p o s i t e s k e y w o r d s ：c o m p o s i t ei n t e r f a c e ，s i n g l ef i b e r c o m p o s i t ef r a g m e n t t e s t ， i n t e r f a c el o a dt r a n s f e r , s u r f a c et r e a t m e n t ，s h e a rs t r e n g t h 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 复合材料简介 第一章前言 复合材料是由两种或两种以上不同物理、化学性质、以微观或宏观的 形式复合而成的多相材料，是国民经济和国防建设显示竞争优势的重要材 料。复台材料作为高新科学技术发展的物质基础和组成部分，半个世纪以 来，始终是世界各国关键新材料和现代材料科学技术发展重点。航空、航 天、兵器、舰船等高技术领域和现代民用工_ k 、农业、运输业、建筑业等 国民经济重要领域及文化体育事业对新型工程材料的迫切需求，正驱动着 复合材料相关学科新概念、新理论、新材料、新工艺和新方法的不断涌现。 在现代复合材料( 聚合物基、会属基、陶瓷基、石墨基及混凝土基) 中，纤维增强聚合基复合材料以其比强度及比刚度高、性能可设计、易加 工成型等优点发展最为迅速，特别是在过去的几十年中，纤维增强热固性 树脂基复合材料，由于强度高、机械性能好，在化工、宇航、国防、电子 电器、汽车等领域得到广泛的应用，已成为目前复合材料中发展最早、研 究最多、应用最广、规模最大的一类复合材料。我国在复合材料领域的 发展，刃i 取得可喜的进展，目前已经形成较高水平的复合材料研究和生产 能力，在“九五”期间重点完善和提高了树脂基结构复合材料的技术和应 用，使其在飞机结构重要中所占比重提高到1 5 2 0 ，并获取2 5 左右的减 重效益叫。 1 2 复合材料界面研究 1 2 1 复合材料界面国内外研究发展状况 复合材料从结构上可以分为三相：基体相、增强相和界面相。三者在 复合材料中分别起着不同的作用：增强相主要承担载荷：基体相将增强相 武汉理工大学硕士学位论文 粘结在一起，并传递应力至增强相；而其中界面相在复合材料中具有特别 重要的作用，它是复合材料极为重要的微结构，其结构与性能直接影响复 合材料的性能。它不但是复合材料中增强相和基体相连接的纽带，也是应 力及其他信息传递的桥梁。 复合材料中的增强体不论是微纤、晶须、颗粒还是纤维，与基体在成 型过程中将会发生程度不同的相互作用和界面反应，形成各种结构的界 面，而复合材料作为结构材料，要将物理、化学及力学性能相差较大的增 强纤维和基体复合形成一整体，并且最大限度的发挥其最佳的综合性能， 必须要求两相之间形成完整的界面。界面作为复合材料的桥梁，在复合材 料中起着重要的作用： 1 界面直接影响到纤维与基体f 白j 的应力传递与分散，从而影响复合材料 的强度； 2界面控制复合材料损伤积累及传播的历程，进而影响复合材料的断裂 韧性： ：j 界面严重影响到复合材料的耐环境老化、介质稳定性。 因此，深入研究界面的形成过程、界面层性质、界面粘合、应力传递 行为对宏观力学性能的影响规律，精确地表征增强相与基体之间界面结合 的情况，利用定量化描述，进而有效进行控制，是获取高性能复合材料的 关键。 早期的复合材料研究认为复合材料界面仅是增强材料与基体材料之 i 勘的一结合面。后来研究者发现无论是从纤维应力传递角度还是从复合材 料结构角度来考虑，纤维与基体问存在的都不是一个简单的结合面，而是 性质与纤维、基体本体都不相同，组成和结构随原料配比和加工条件变化 而变化的具有有限厚度的物质。后来，从层压板内应力松弛和纤维基体 均匀应力传递研究中，提出了两个早期的唯象界面理论( 可形变层理论和 约束层理论) ，并从事实上揭示了界面层存在的必然性；随后在硅烷偶联 剂对玻璃纤维影响的模拟研究中证明了硅烷偶联剂导致玻璃纤维增强热 固性塑料力学性能提高，界面层的组成和结构也发生了改变，并对复合材 武汉理工大学硕士学位论文 料体系的整体性能起着决定性的作用。 七十年代起，碳纤维等高性能纤维和增强热塑性树脂开始受到特别的 重视。一方面在纤维表面引入聚合物涂层以优化复合材料的强度和韧性成 为工业开发和基础研究中的热点；另一方面，热塑性聚合物因纤维的存在 而产生的结构形态变化以及对复合材料性能的影响形成了纤维增强复合 材料领域中的新课题。与此同时，以微细观力学试验和有限元分析为主流 的复合材料力学研究开始考虑第三相( 界面相) 的存在。以d r z a l 。”在论 文标题中使用界面相这一术语为标志，纤维复合材料界面工程的研究进入 了新的阶段：以准确把握纤维处理过程和复合材料加工工艺对界面层结构 的作用及三维的界面相物质与复合材料性能之间关系为目的而进行的界 面研究，成为材料科学与工程领域中的一个十分活跃的分支。 随着对界面认识的不断深入，发现复合材料界面效应与增强体及基体 ( 聚合物、金属) 两相材料之间的润湿、吸附、相容等热力学问题有关， 与两相材料本身的结构、形态以及物理、化学等性质有关，与界面形成过 程中所诱导发生的界面附加应力有关，还与复合材料成型加工过程中两相 材料相互作用和界面反应程度有密切关系。复合材料界面结构极为复杂 ”。，因此国内外学者围绕增强体表面性质、形态、表面改性及表征以及增 强体与基体的相互作用、界面反应、界面表征等方面来探索界面微结构、 性能与复合材料综合性能的关系，归纳起来，主要包括以下几个方面的内 容： 1 界面层结构的研究 主要包括硅烷偶联剂形成的界面结构，纤维界面化学结构对热固性基 体界面层结构的影响，聚合物涂层引入的基体界面层对界面的作用，纤维 表面化学结构和形貌对热塑性基体界面层结构的影响等。 2 界面层的控制 主要包括纤维表面处理，复合材料界面应力的控制，界面化学反应及 界面稳定性控制等。 3 界面应力传递及界面破坏机理 武汉埋工大学硕士学位论文 主要包括界面应力传递机理“，界面破坏机理“”1 4 界面层结构和性质与复合材料性能的关系 主要包括涂胶层或聚合物涂层的存在对热固性碳纤维复合材料宏观性 能的影响和热塑性复合材料的研究。 在以上诸多方面的研究中，有关界面细观力学的研究最为热门。5 0 年代初，c o x “”和h o o p e r “”各自建立了一维界面应力传递模型；6 0 年代开 始了较系统的研究，发表了一系列关于界面研究的文章：z i s m a n “3 1 提出了 粘结表面张力的概念，p u d d e m a n ”、e r i c k s o n “、k u m i m s “”等人发表了 有关界面理论的著作，美国试验与材料协会( a s t m ) 出版了“复合材料界 面”的专著。1 9 7 4 年后，美国出版的“复合材料”丛书中有两卷是阐述 复合材料界面问题的。7 0 年代以来，研究者开始对界面的各个方面进行 了系统研究，d e w ”、r o s e n ”等人发展了c o x 的一维应力传递模型和剪滞 分析方法，得到了界面应力传递更为接近实际的结果：m a i 等”对纤维和 基体材料的三种界面粘结状况即充分粘结、部分脱粘和完全磨擦粘结 进行了深入细致的研究。k e l l y 和t y s o n ”1 、b r o u t m a n 。42 “、p i g g o t t “”、 l a w r e n c e “、b a r t o s “、o u t w a t e r o ”等人还提出了界面粘结强度的测量方 法，其中，k e l l y 还阐述了复合材料界面研究中有关复合材料断裂纤维临 界长度与性能的关系。z w e b e n 。1 研究了基体断裂、损伤、疲劳、界面破坏、 界面强度与复合材料力学性能间的关系。研究者们对界面研究的各方面做 了综台性评述，如冼杏娟”，y u e 。1 等人综合评述纤维增强复合材料界面 力学性能研究，h u g h e s 综合评述了碳纤维增强环氧树脂基复合材料界面 研究各个方面的发展状况，j a n g k y ek i m 。”1 对纤维增强复合材料界面断裂 控制机理研究做了综合论述。一些在国际上有影响力的力学专家如 c h a i n s ”、a d a m s 。1 等研究了界面形状对复合材料宏观力学性能的影响，提 出了大量的微观理论模型，使得界面问题的研究从物理化学的研究转入到 力学行为的研究，大大推进了界面科学研究的发展，从根本上研究了界面 的力学作用、破坏机理以及界面的破坏模式，g e n t 和w a n g ”及l i u 脚1 等 还在他们的研究分析中强调了纤维开裂和界面脱粘这样的实际问题对复 武汉理工大学硕士学位论文 合材料性能的影响。 目前，国际复合材料界对复合材料细、微观结构如何影响其宏观性能 越来越重视，纤维基体界面的表征与优化已被列为复合材料研究领域的 四大技术之一，又称为复合材料表面与界面工程。研究者们一致认为要建 立有效定量研究复合材料界面结合力的实验技术，对复合材料界面进行全 面、准确的表征，通过材料与力学，宏观与微观，理论与实践相结合，了 解界面性质并探索界面结构与宏观性能之间的规律，进而控制优化设计， 以求制得具有最佳综合性能的复合材料。 我国对界面方面的研究起步较晚，例如中国科学研究院化学研究所对 碳纤维表面处理问题进行细致的研究，南京玻璃纤维研究院对纤维表面处 理进行了长期的研究，上海交通大学研究了金属基复合材料界面等问题， 中山大学材料研究所对聚合物复合材料界面问题开展了研究o ”“1 。哈工 大，黄玉东、张志谦等人“”研究了测定复合材料中纤维与基体间界面剪切 强度的微脱粘方法和仪器，成功的表征了碳纤维复合材料和芳纶纤维复合 材料的界面性能，研究了c f 表面经不同的处理后c f 聚酰亚胺复合材料 的界面剪切强度。中科院金士九，王霞等人“”用单纤维拔出实验研究了经 纤维表面处理的芳纶树脂复合材料的界面结合情况和破坏形式，同济大 学嵇醒等人”4 1 对纤维压入试验方法从试验装景、试样制备、试验过程以及 试验的理论分析方法等各方面进行了详细介绍。并用这种试验方法测试了 碳纤维环氧的界面强度，应用弹性力学奇异积分方程方法解释了实验结 果。 1 2 2 复合材料界面作用机理 关于界面的作用机理，目前已建立了多种理论。各种理论均有一定的 实验基础的支持，但单纯以一种理论全面描述界面效应和解释各种实验结 果是困难的，实际上很多作用是互相联系，相辅相成的。界面作用机理简 要归纳来有以下几种： 1 浸润理论( 亦称物理吸附理论) 武汉理工大学硕士学位论文 认为界面两相间的结合是机械粘结与润湿吸附，粘结力主要为范德华 力。它是从热力学的基础出发，考虑两表面能的匹配，和由此而产生的界 面能之间的相互关系。本理论无法解释化学键结合的界面。 2 化学键理论 这是最早的界面理论，认为界面主要由两相通过化学官能团相互间起 化学反应，结合力主要为主价键力的作用。 3 优先吸附理论 该理论认为界面上可能发生增强体表面优先吸附树脂中的某些组分， 这些组分与树脂具有良好的相容性，可以大大改善树脂对增强体的浸润， 同时，由于优先吸附作用，在界面上可以形成所谓的“柔性层”，此“柔 性层”极可能是一种欠固化的树脂层，它是“可塑的”，可以起到松弛界 面上应力集中的作用，故可以防止界面脱粘。 4 防水层理论 该理论认为清洁的玻璃表面是亲水的，而经偶联剂处理并覆盖的表面 变成疏水表面，该表面可以防止水的侵蚀，从而改善复合材料湿态强度。 该理论与实际情况有出入。水不可避免地要侵入界面，即使用憎水的偶联 剂处理玻璃纤维后，当表面暴露于空气中时，会再次吸附水分这种吸附 水仍然会对材料起破坏作用。 5 可逆水解理论( 可形变层理论、减轻界面局部应力理论) 该理论认为，在玻璃纤维增强的复合材料中，偶联剂不是阻止水分进 入，而是当水存在时，偶联剂与水在玻璃表面上竞争结合，这种竞争产生 可逆反应，可逆反应建立了键的形成与断裂的动态平衡，这种动态平衡， 在界面上起到了如下几方面的作用：( 1 ) 对水产生排斥作用，( 2 ) 使界面 上保持应力松弛状态，( 3 ) 这种动态的结合状态使树脂与增强体表面始终 保持一定的粘合强度。这种理论对热固性树脂玻璃纤维复合材料界面系 统的结合机理解释是很成功的，也说明了偶联剂在潮湿条件下使复合材料 仍有良好的强度保留率的原因。但是对热塑性树脂，玻璃纤维系统的界面 粘结机理，用这种可逆水解理论就难以解释。 6 武汉理工大学硕士学位论文 6 摩擦理论 认为基体与增强体之间的粘结完全基于摩擦作用，增强体与基体之间 的摩擦系数决定了复合材料的强度。偶联剂的重要作用在于增加了树脂基 体与增强体之间的摩擦系数。 1 2 3 界面损伤破坏机理 界面相区域的破坏轨迹决定了基体和纤维间的应力传递水平。在静 态、动态、交变应力、湿、热等环境下使用复合材料，往往是界面这一薄 弱环节首先破坏，致使复合材料性能劣化，研究界面的损伤破坏机理，延 缓或阻止界面在外载和恶劣环境条件下损伤的产生和发展，对提高复合材 料的损伤容限具有重要的意义。界面的破坏归纳起来分为以下三种： 1 界面层的粘结破坏 当两相的粘结强度低于界面层的内聚强度时就会发生粘结破坏。在低 温、高速载荷作用下，对于粘结界面层较薄的情况，破坏易在界面或界面 附近发生。 2 界面层的内聚破坏 当增强相与基体的粘结强度大于界面层内聚强度时发生界面层的内聚 破坏。在高温、低速载荷作用下，对于粘结界面层较厚的情况，破坏易发 生在界面层内，或靠近界面处发生基体或纤维的内聚破坏。 3 界面层的混合破坏 同时发生内聚破坏和粘结破坏称为混合破坏。 界面的粘结强度不等于界面的破坏强度，破坏强度除了与粘结力有关 外，还受各相材料的力学性能、几何尺寸、破坏条件等因素的影响。譬如 增强相与基体的弹性模量相差较大时，复合材料的冲击、剥离、弯曲、热 传导等性能般随界面粘结强度的增大而降低。因此要根据使用要求和具 体材料，设计形成与复合强度相适应的理想的界面粘结状态，才能满足工 程实际要求。 复合材料的破坏功包括纤维、基体和界面三部分的破坏功。在制造和 武汉理工大学硕士学位论文 使用过程中界面、增强相和基体各相中均有内在的原始微缺陷，它们在 外载和环境等因素作用下，按照一定的规律成核扩展，最后导致复合材料 的破坏。这些损伤在界面的能量变化和破坏特性方面有以下特征： 粘结强度足够大时，即使在基体先开裂的情况下，部分未开裂基体仍 能传递载荷，此时，复合材料的外部载荷将由纤维来承担，那些强度低、 应力大的纤维就会先断裂，断点处纤维的拉伸应力将为零，从而造成该区 域基体中应力增加，形成应力集中点，随着外部应变的继续增加，将导致 基体的进一步破坏或附近纤维的破坏，或纤维与基体界面的破坏。由于纤 维与基体粘结完好，在基体都较脆的情况下，复合材料的断裂面就将垂直 纤维横向扩展，使复合材料呈脆性破坏。这也就是通常认为复合材料界面 结合越强，材料越显脆性的一种解释。实际上，复合材料即使不承受外力 作用，在四季冷热循环过程中，强结合的界面也会因为基体和纤维热膨胀 系数的差异而逐渐破坏。 当界面具有中等粘结强度时，微损伤扩展，能量耗散使界面脱粘。整 个破坏过程是界面逐渐破坏，有纤维拔出。当界面阻止了裂纹的扩展，使 能量耗散在界面上，引起较大范围的脱粘，形成分层也可能有纤维断裂的 不规则的复合式破坏，界面两侧的应变差产生界面塑性剪切，以及纤维拔 出产生摩擦都将耗散能量。由于界面破坏具有多种能量吸收方式所以复合 材料具有良好的损伤容限和疲劳寿命。 目前界面损伤和破坏机理的研究重要集中在界面破坏和损伤类型的 研究、界面损伤和破坏过程的研究、界面在环境的使用过程中损伤和破坏 的形式及成因的研究和界面损伤过程中能量耗散的研究上。界面损伤的主 要研究手段是界面损伤和破坏的微观形貌分析。利用备有拉伸装置的扫描 电镜实时加载，直接观察和跟踪界面在受力过程中裂纹的萌发、扩展、断 裂的全过程，可研究复合材料在受力条件下断裂过程及界面不同状态对复 合材料断裂历程的影响，以进一步改进复合材料成型工艺和复合材料界面 设计。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 4 界面载荷传递机理 根据界面概念的不同可以将现有的界面载荷传递理论模型分为两大 类：基于界面( i n t e r f a c e ) 的界面载荷传递理论模型和基于界面层 ( i n t e r p h a s e ) 的界面载荷传递理论模型5 ”。 基于界面层的界面载荷传递理论模型的最大优点是其界面的基本概 念与实验观察的界面结构和组成相吻合，是界面载荷传递理论模型研究中 的主流方向。基于界面层概念的界面载荷传递理论模型的理论基础是建立 在界面层的物理力学参数为己知的情况。然而在当今的实验技术水平下， 用实验来测定界面层的各种物理力学参数如界面层的厚度、弹性模量、泊 松比和应力一应变关系等还不大可能。因而导致了基于界面层的界面载荷 传递理论模型所用的各种界面层的物理力学参数还基本依赖理论估计值， 从而使得基于界面层的界面载荷传递理论模型所预测的界面应力分布和 纤维中的应力分布与实验观察到的应力分布相差很大。所以说，基于界面 层的界面载荷传递理论模型目前还不成熟，仍非当今界面载荷传递机理研 究的主用模型。 而基于界面概念的界面载荷传递模型由于其所依赖的界面的基本概 念与实验观察到的界面结构和组成不符，使其在证实界面与基体相及增强 相相互作用的机理时失效。但是由于是界面层的一个有意义的理论近似， 所以利用基于界面概念的界面载荷传递模型所预测的界面应力分布和纤 维中的应力分布与实验结果吻合得较好。因此成为目前应用和研究较为广 泛的界面载荷传递模型。 界面载荷传递模型的研究方法大致分为两大类：即理论研究方法和实 验研究方法。理论研究方法又以微观力学分析和计算机模拟分析两种方法 为主。界面的微观力学分析是采用数值分析方法与各种强度和破坏准则相 结合来分析界面载荷传递模型，微观力学分析不但可以分析界面的实际响 应也可以预测界面潜在的变化，还可以模拟各种载荷条件和环境，以研究 复合材料使用和制造过程中的载荷和环境因素的响应，这在实验中是难以 武汉理工大学硕士学位论文 实现的。本文在分析现有的一维界面载荷传递模型后，在第二章中在完美 粘结界面段的应力分布公式基础上推出纤维段断裂判据和界面脱粘判据。 1 2 5 复合材料界面力学性能表征方法 由于纤维和基体之间的粘结强度对纤维增强树脂基复合材料的力学 性能影响显著，因此研究者大多采用各种微观力学测试技术来测量复合材 料中基体和纤维之问的剪切强度。最早的有关报道是6 0 年代由k e l l y 和 t y s o n ”提出的用于计算脆性纤维增强一铜基复合材料的界面强度测量方 法，这一研究掀起了复合材料界面研究的热潮。 根据测试原理和材料的破坏方式，可以将界面粘结强度的测试方法分 为两类：非破坏性方法和破坏性方法。非破坏性方法是指用化学、物理分 析或者能量方法进行分析测量纤维和树脂界面问粘结强度的大小，例如化 学定量分析法，光谱分析法、x 光放射法、声发散射法、热量非破坏法、 r a m a n 光谱分析法、振动阻尼测量技术“等。这些方法的显著特点是在 测量过程中刁i 会对材料造成破坏，不需要进行大量重复的破坏实验即能达 到测试目的。但是采用这些测量方法和技术进行界面研究需要一些非常 精密的实验设备，并且相关的理论知议对研究者也提出了极大的挑战。 破坏性方法一般采用微观力学测试方法，它包括单根纤维拔出实验 ( s i n g ef i b e rp u l l o u tt e s t i n g ) 、微脱粘方法( m i c r o d e b o n d i n g t e s t i n g ) 、单纤维复合材料断裂实验( s i n g l e f i b e rc o m p o s i t e s f r a g m e n t a t i o nt e s t i n g ) 、顶出法( p u s h o u tt e s t i n g ) 、( 4 5 0 ) 拉伸 剪切、i o s i p e s c u 剪切试验、三点短粱弯曲试验等。下面主要对几种常用 的微观力学测试方法进行介绍。 1 251 单根纤维拔出实验 单根纤维拔出实验在6 0 年首先由b r o u t m a n ”提出，主要用于纤维增 强混凝土和碳纤维增强金属基材料的研究中。f a v r e 与合作者”成功地将 这种方法推广用于f r p 复合材料测量中。具体步骤如图1 1 所示，将单根 武汉理工大学硕士学位论文 纤维垂直埋入树脂基体中并将其固化。用夹具夹住树脂基体，持续增加非 常小的力对纤维进行拉伸，将纤维从树脂基体中拔出，记录下纤维脱粘瞬 间的力p ，测出埋入纤维的长度f 和纤维直径2 r ，可计算出纤维的脱粘力 r ，即界面粘结强度： r ：上( 1 1 ) 2 n r l 尽管这种方法比较简单，但需注意，当纤维基体界面间的粘结很强， 而纤维的直径很小( 例如小于1 0u r n ) ，那么埋入的纤维长度就必须非常 短，否则，在拉伸的过程中，将导致纤维断裂而不是将纤维从树脂基体中 拔出来。因此，为了使单根纤维从树脂基体中拔出而不发生纤维断裂，就 必须使纤维埋入基体的长度缩短，例如碳纤维的最大埋入长度应当在 0 0 5 0 3 m m 5 ”之间，这样才能保证纤维顺利地从基体中拔出。为了克服这 一困难，1 9 8 7 年m i l l e r 等提出了微珠脱粘试验，如图1 2 ，用少量树脂粘 在纤维上形成一个微珠，利用夹具卡住微珠，从而测出纤维拔出载荷，进 而计算出界面强度。这两种方法主要应用于测定如界面剪切强度、脱粘界 面段的摩擦系数、界面裂纹扩展功等界面的物理力学参数，其优点是：1 、 能测得界面脱粘时刻的外载；2 、适用于各种纤维基体组合；缺点是：1 、 脱粘外载是纤维埋置长度的函数：2 、小尺寸微珠使得脱粘过程难以观察 到；3 、纤维与基体接合处存在的新月面使纤维的埋置长度的测量不准；4 、 实验数据的分散性相当大；5 、只能使用实验室制作的复合材料试样。 1 _ 2 5 2 单纤维断裂实验 单纤维断裂实验由k e l l y 和t y s o n l 2 1 】在1 9 6 5 年首先提出，主要适用于 研究界面与基体和增强纤维三者间的相互作用关系，如界面载荷传递机理 的研究，纤维表面处理性能的研究界砸损伤机理的研究以及界面对环境的 响应。其试件是将单根纤维埋置在基体内，对试件沿纤维方向拉伸，由于 力的传递，将导致纤维的断裂。如图1 3 所示， 通过测出纤维断裂的临界长度可以确定界面强度。这种方法的优点 武汉理工大学硕士学位论文 是：1 、能提供大量的用于统计分析的样本；2 、影响试验数据的参数比较 少；缺点是：1 、要求基体的应变极限至少是纤维的三倍；2 、基体要有足 够高的断裂韧性以免纤维断裂诱发基体断裂；3 、必须预先知道达到纤维 临界长度时的纤维断裂强度：4 、只能使用实验室制作的复合材料试样。 倒1 1 拔出实验图1 2 微脱粘实验 图1 3 单纤维复合材料断裂实验图14 顶出实验 1 2 5 3 压出法 也称为项出法。这种方法主要用于树腊基和陶瓷基复合材料的界面剪 切粘结强度测量中。1 9 8 0 年m a n d l l 等t 6 0 , 6 l 首先对这种方法进行了详细的 报道，原理如图1 4 所示，测试时须保证复合材料试样的界面与纤维轴向 垂直，在纤维的末端用一个非常尖的金刚石锥将纤维从树脂中压出脱粘， 记录下纤维的脱粘力大小p ，就可以求出脱粘时界面剪切应力f 。这种方 法的其优点是：1 、适用于实际复合材料界面强度的测试；2 、能够得到近 武汉理工大学硕士学位论文 乎实际受载状态的界面参数；3 、数据采集方便；缺点：1 、不能准确判断 界面初始脱粘时的外载；2 、不宜观察界面脱粘后的破坏模式；3 、界面 由于表面处理可能受到损伤。 1 2 6 目前界面研究存在的问题 尽管对复合材料界面的研究已经有许多的研究方法和理论，但由于界 面存在的复杂性，纤维在基体中断裂过程的随机性，所述的模型、理论和 模拟只能近似地反映实际情况。关于界面的研究还存在许多有待于进步 研究和解决的问题： 1 各种理论都有自己的实验基础，都能解释某些界面作用机理和界面现 象。但都不能完全解释界面的作用机理。由于界面问题本身的复杂性， 建立起一统一的界面作用理论同前还有一定的困难，但这是界面研究 的个方向。 2 目前分析中所使用的理论模型和假设与界面的实际情况相差很大，从 而使微观力学分析所得到的结论只能做为复合材料设计和使用中的 个参考。建立有效的理论模型和与界面真实情况相适应的界面假设是 研究的重点。 3 缺乏对复合材料界面损伤形成与发展的观察和研究，使界面损伤机理 的研究工作只停留在损伤结果的研究上，而对重要界面损伤的形成及 界面裂纹扩展机理的研究无法进行。 4 纤维断裂数据的估算，会受到实验条件和所选材料参数变化的影响， 例如，对碳纤维环氧体系而言，纤维和基体间的热膨胀系数相差很大， 在准备断裂拉伸试样时，固化时问的变化也会产生不同程度的残余热 应力，这将影响界面剪切强度估算的准确性； 5 试样的制备、选材和环境温度等都将影响最终的复合材料性能； 6 理论分析的准确性有待进一步研究，对结果的分析不可避免存在误差。 这些问题仅为界面研究中的一部分，在实际的操作过程中会发现更多 的困难。 武汉理工人学硕士学位论文 1 3 论文研究意义和研究内容 多年来，国内的实验条件和分析技术是聚合物基复合材料的界面微观 结构形貌和其性能的研究的主要瓶颈，所以研究工作大多数均局限于对基 体和增强体之间界面的定性表征上，而对复合材料界面的性能缺乏直接、 定量的表征手段。但是，纤维增强复合材料技术的核心在于如何充分利用 基体的弹性模量和纤维的抗拉伸强度，因此，纤维与基体界面结构与性能 的表征研究、界面的应力传递机理和优化控制界面始终是界面领域中的热 点研究课题，也是复合材料制造中的关键。 本课题来源国家“8 6 3 项目”“车用树脂基复合材料大型结构件 制各关键技术”。本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 在完美粘结界面段的应力分布公式基础上推出纤维段断裂判掘和 界面脱粘判据，完善了完美粘结段的界面应力传递理论模型： ( 2 ) 运用新的解析方法，通过对有关具有强度分布的纤维的脆裂过程 的解析，评价了复合材料内部的纤维强度，并用复合材料内部纤维强度 计算了玻璃纤维环氧树脂复合材料界面剪切强度： ( 3 ) 对四种经过不同表面处理剂处理的单纤维增强环氧基复合材料的 断裂实验进行了分析，从临界纤维长度、界面剪切强度和单纤维断裂实 验中纤维断点周围基体形貌三方面，讨论评价了纤维和基体之删的界面 粘结情况。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章单纤维复合材料断裂实验 界面载荷传递机理的研究 2 1 单纤维复合材料断裂实验 也被称为临界断裂长度法或单纤维埋入法“1 。由k e l y t y s o n 于 1 9 6 5 年率先提出，是近年来广泛应用于表征纤维和树脂基体之间界面剪 切强度的主要测试方法。其基本原理是纤维基体界面的剪切载荷传递机 理。纤维段所受到的张应力与纤维段的长度、界面的剪切载荷传递能力及 基体受到的外载荷有关。通过一定的界面载荷传递模型和实验测得的纤维 段的长度即可测得界面的剪切强度。单纤维段埋入法的实验过程为： 将一根纤维单丝埋入哑铃形模具中，浇注树脂固化得到单纤维复合材 料拉伸试样，如图2 1 所示。 图2 1 单纤维复合材料断裂实验过程模拟图 口 在试样两端沿轴向施加均匀增加的张应力盯，载荷盯通过界面的剪切 载荷传递机理传递到纤维，使纤维承受轴向张应力盯一纤维受到的轴向 张应力盯，随着外载盯的增加而增加，当超过纤维的轴向拉伸强度极限时 纤维段将发生断裂，纤维段中的应力将重新分布。外载荷仃的持续增加将 武汉理工大学硕士学位论文 使纤维段的断裂持续产生，直到剩下的纤维段长度所传递到纤维中的应力 不足以引起新的纤维断裂为止。称此时为单纤维段埋入法单拉实验的饱和 态，所得到的最大断裂纤维段长度称为临界纤维段长度，。根据一定的界 面载荷传递模型即可由纤维的轴向拉伸强度和临界纤维段长度f 。求得。 比如由k e t1 y t y s o n 3 界面模型可得： 铲掣 汜， 从单纤维复合材料断裂实验测定复合材料纤维基体界面的粘结剪切 强度瓦的基本原理来看，用此方法测定复合材料纤维基体界面的粘结剪 切强度“中的关键点在于纤维基体间界面载荷传递模型的建立、极限纤 维段长度f 。的定义与测定和极限纤维段长度f 。上的纤维拉伸强度。 2 2 界面载荷传递机理 界面载荷传递模型的建立一直是界面研究的重要内容和理论基础，界 面载荷传递模型不仅是单纤维复合材料断裂实验数据处理的理论基础，而 且是界面增韧、界面损伤等研究的基础。在第一章中已经也提到，模型的 定义首先要看如何定义复合材料的界面，虽然界面层概念的物理力学意义 明显且与界面的实验结果吻合的很好，但是建立在界面层概念上的界面载 荷传递模型所预测的界面应力分布确实与实验观察到的结果极不吻合。虽 然界面层概念本身在物理意义上是最为正确和真实的，但是由于界面层本 身结构的复杂性以及界面层结构极端微小，使界面载荷传递模型建立中所 需的，界面层的基本力学参数如界面层的厚度、弹性模量和泊松系数等的 实验测定变得十分复杂和困难。在目前的情况和实验条件下，测定界面的 上述基本物理力学参数不可能，这就使目前界面层概念的使用者们只能依 靠理论来估计和假设上述界面层的基本物理力学参数。这样建立在界面层 6 武汉理工大学硕士学位论文 概念上的界面载荷传递模型的实用性和有效性受到怀疑。 2 _ 21 基于界面概念的界面载荷传递模型 现有的界面载荷传递模型可以分为以下两类：( 1 ) 一维界面载荷传递模 型，以c o x 的剪滞模型为代表；( 2 ) 二维界面载荷传递模型，以n a i r n 理 论为代表。 1 一维界面模型 卜 2 t _ ，_ k 弋弋。 幽2 2由c o x 模型确定的纤维轴向应力和i 界面剪切麻力幽 如图2 2 所示，c o x 假设纤维和基体为各向同行的均质线弹性体及纤 维和树脂的界面为完全粘结的完整界面并忽略纤维的端头效应，由图2 2 剪滞模型可得界面的剪应f ( z ) 和纤维的轴向拉应力盯，( = ) ： 叫垆e 严0 ( 1 一景躲) ( 2 2 ) 州垆一易s o r s 卢鬻 ( 2 3 ) 其中e ，为纤维的弹性模量； 武汉理工大学硕士学位论文 尼为纤维的有效半径； h 为界面特性参数： 为复合体系的整体应变，假设为常数； 参数口为： 趔熹) 必 ( 2 4 ) 界而参数h 为： h ： 生 ( 2 5 ) ( 1 + v 。，) l n ( r 。 r ，) 式中e 。为基体的弹性模量，_ ，为基体的泊松比，r 。为基体的有效半径。 c o x 模型中假设界面完美粘结，这种情况在强的界面粘结复合材料中 是存在的；但在界面粘结较弱的复合材料中，不太适合用浚方法；因为此 时界面将出现脱粘现象，界面载荷的传递靠界面摩擦来完成；那么脱粘界 面端的纤维轴向应力盯，( z ) 被修改为： 啪) = 孚( z l ) ( 2 6 ) 正是因为c o x 一维剪滞模型存在上述缺陷，d o w 等对c o x 一维模型 提出了修整，假设基体的位移沿纤维轴向是呈线性增加的，并由此得出了 新的界面剪切应力f ，( = ) 和纤维的轴向拉伸应力仃，( z ) ，分别为： 吼z ，2 赢尝搿 旺， 1 2 志c ，一等蔷署， 眨s ， 其中： 武汉理工大学硕士学位论文 五：2 ( ：兰坠竖坐竺型! 垫型) ( 2 _ 9 )几上i il z yj 、孕一，+ ( g ，g 。) 【( 彳。e ，+ 2 ) ，一号】7 虽然d o w 模型对c o x 模型进行了修正，但这两个模型都只适合于弹 性基体，而且忽略了纤维的端部效应，下面的模型在前两者的基础之上， 同时考虑了纤维的端部效应和弹性基体的界而情况，并由此得出了纤维的 轴向拉伸应力盯，( z ) ： 州垆z 等告【卜高篙卜黔悃， 所有的一维界面载荷传递模型只是在常数上加以区别，最终反应的都 只是对c o x 模型在某些程度上的修整和改善，从根本上均未克服一维界 面模型所固有的几点缺陷： ( 1 )模型提供的应力分布本身不满足应力平衡条件： ( 2 ) 不能说明基体和纤维之间的热应力系数的差异和界面的热特性： ( 3 ) 不能反映多种纤维和基体不同性能组合对界面特性的影响； 以n a i r n 模型为代表的二维界面载荷传递模型提供了界