准静态纳米压痕技术对碳纤维界面相模量的测试分析

准静态纳米压痕技术对碳纤维界面相模量的测试分析

在纤维增强树脂基材料中，界面是连接纤维和树脂的纽带，可以起到传递负荷的作用。在界面相范围内,其化学、物理、力学性质发生连续的或者跳跃式的变化。界面相的性质(如宽度和模量)对于整体复合材料的力学性能和耐环境性能有直接影响,因此界面相成为近年来的研究热点。然而对于界面相的表征是非常困难的,这主要是由于缺乏能够在界面相这样1微米左右的微小范围内精确表征界面相特性的技术。近年来,随着原位纳米技术的发展,原子力显微镜,纳米压痕技术已被用于复合材料界面相的研究。在这方面已经有了一些文献报道,Seung-HwanLee等人通过纳米压痕的方法确定了在纤维素纤维增强的聚丙烯复合材料中界面相的宽度在1微米左右。A.Godara等人用同样的方法确定了在碳纤维增强PEEK体系中,界面相的宽度在0.7微米左右。高尚林通过原子力显微镜在玻璃纤维增强改性聚丙烯体系中进行纳米压痕实验,发现采用γ-APS/PU上浆剂形成的界面相比基体略软,而采用γ-APS/PP上浆剂形成的界面相比基体要硬。尽管纳米压痕技术的引入使得人们对于界面相特性的研究获得了的相当的进展。然而,用纳米压痕的方法表征界面相也存在着固有的问题。用纳米压痕表征界面相时,为了在每个压痕点上获得稳定的模量值,压痕必须维持一定的压痕间距。而对于某些体系,尤其碳纤维/热固性树脂体系,其界面相宽度往往小于这一间距,这就给这类体系中界面相的表征带来很大困难。对于这类体系的界面相性质很少有文献报道。在本研究中,采用纳米压痕技术对碳纤维/环氧界面相进行表征,分析了三种测试排点方式下的纳米压痕结果,发现纤维增强效应对载荷-压深曲线影响很大,由于不同压痕点间距较大,对于界面相宽度较小的碳纤维环氧复合材料体系,采用准静态纳米压痕技术不易得到其界面相的模量。1实验方法1.1树脂、固化剂本研究中采用的碳纤维是日本TORAYCA公司生产的T300碳纤维,拉伸模量为230GPa,直径为7微米;树脂是由中国Edision公司生产的E51树脂。固化剂采用中国绿宝公司生产的三乙烯四胺;固化剂与树脂的比例为15∶100。碳纤维T300/环氧E51复合材料单向层板,采用热压罐法成型。1.2事工磨抛设备将复合材料单向板沿纤维方向切割成30mm长、5mm宽的小块,树脂封样后在丹麦Struers公司的mini-Tom自动磨抛机上采用180#-2000#SiC砂纸和1μm的金刚石悬浮液对垂直于纤维轴向的横截面进行磨抛。磨抛后的试样用金相显微镜和原子力显微镜对其表面进行观察,保证样品表面的平均粗糙度在5~10nm范围内,同时纤维周围没有产生脱粘和微裂纹,以满足纳米力学技术测试界面相的要求。1.3bercovitymeq的结构参数本研究实验在美国Hysitron公司的TriboIndenter原位纳米力学测试系统上进行,如图1(a)所示。该系统是一套在纳米量级进行测量并能够原位进行SFM扫描成像的纳米力学测试系统,具有很高的载荷和位移分辨率。该系统能够完成多种力学性能测试,如弹性模量、硬度、微结构弯曲、临界附着力和摩擦系数等力学参量,在纳米材料、表面工程、微机电系统、生物及其相关材料等方面有着重要应用。其纵向最大载荷为10mN,纵向载荷力分辨率为3nN,横向最大载荷为2mN,横向载荷力分辨率为0.5nN。根据所需要测量的样品或不同参数,可以选择不同金刚石针尖,比如三棱锥形的玻氏针尖、球形针尖和锥形针尖等。而我们需要研究碳纤维增强复合材料的机械性能,即弹性模量和硬度值,故选用玻氏针尖,如图1(c)所示。测试所用的Bercovich金刚石针尖的几何参数如图2所示。为了考察试样表面纤维和树脂的高度差对测试结果的影响,从试样表面的AFM形貌图中提取出线分布图,如图3所示。从图中可以看出,纤维高于树脂,平均高度差大约为25nm。经计算,两相间形貌的最大斜率的角度为6.11度,参考图1中的针尖几何参数,可以得知,在这样的表面形貌下,可以保证针尖真正接触到样品表面,而不会是针尖的一个棱角接触到纤维,产生“假象”。图4是采用准静态纳米压痕技术测得的典型加载-位移曲线,其中载荷曲线首先线性增长至某一峰值,随后下降至零点。试样的弹性折合模量Er可计算得到。折合模量的定义如下式:其中,S为卸载刚度(unloadingstiffness),定义如下式:其中,A为投影接触面积。2结果与分析2.1测试结果的影响首先分析了压入深度、表面粗糙度对碳纤维/环氧复合材料微结构准静态纳米压痕方法测试结果的影响,如图5所示。由图5可以看到,压入深度达到20nm时环氧基体的模量已经达到稳定值,碳纤维的模量在30nm后达到稳定,即采用30nm以上的压入深度可以克服样品表面的粗糙度对测试结果的影响。2.2载荷-位移关系分析首先,跨1根纤维截面进行排点式连续压痕,考察纳米压痕测试技术在纤维和树脂基体中载荷响应的差异,设计测试7个点,压入深度100nm,如图6所示。纳米压痕在样品表面产生塑性形变区域,根据本实验采用的压针形状(三棱锥形),塑性形变区域的宽度是压入深度的7倍,因此在进行连续压痕时,压痕间距至少是7倍压痕深度,压深100nm时,设定2000nm间距。由图7测得各点的模量和硬度可知,两种表征参量的相关度很高,在纤维、基体及界面区的变化规律一致。纤维的折合模量大于45GPa,基体的折合模量均小于10GPa,介于两者之间的是界面区微结构的测试折合模量。由图8可以看出,探针压入纤维区、基体区及界面区测得的载荷-位移曲线有显著区别,进一步证明界面微区的模量、硬度明显不同于复合材料中其它两相。由准静态压入技术测得的界面模量和硬度,随压入位置与纤维的距离变化显著,即当测试点位于界面微区时,由于其尺寸较小,压头极易触碰到碳纤维,如图9所示。纤维的这种阻碍作用,即纤维增强效应(Fiberstiffnesseffect)容易使测得的界面区模量并非其真实数值。为了进一步研究界面相模量以及纤维增强效应,在纤维区域采用3×3矩阵排点方式,如图10,测试了压入深度分别为100nm和200nm时折合模量,其中压痕间隔为1500nm。图11为压痕1处的模量-压深曲线图,图12为测试所得9个压痕位置的载荷-位移曲线。从图11可看出,当压入深度超过10纳米后,材料的模量值趋于稳定,且模量大小与树脂基体的相当,说明压痕1位于树脂基体区。对照图8所示的载荷-位移曲线,可知图12中9号压痕试验点位于纤维区,7号点位于临近纤维的界面区附近,其余各点则均在树脂基体区。表1给出了压入深度分别为100nm和200nm时各测试点的折合模量。表1数据进一步说明,压痕1、2、3、4、5、6、8处的模量不随压入深度递增,压痕位于纯树脂区且距离纤维较远,受纤维影响很小,且树脂基体模量与宏观测试方法所得模量值较接近;而7和9点随着压深增大,模量明显增大,可能是因为随着压深增大,发生压头碰触纤维的现象,纤维增强效应导致表观模量增大。鉴于界面相的微小尺度,希望压痕尽可能排列密集,从而能充分提取界面相模量信息,这就要求压入深度尽可能小。根据前面研究结果,设置压深30nm,压痕间距为210nm,在纤维附近排点,获得折合模量如图13所示。然而由于碳纤维增强树脂体系的界面相尺度很小,即使采用最小的压入深度(即能够获得稳定模量值的最小压入深度),与之相对应的最小压痕间距仍然远大于界面相尺寸,落在界面区域内的压痕点极少,难以得到关于界面相模量和厚度的详细信息。3表面粗糙度对结果的影响(1)采用准静态纳米压痕方法测试了碳纤维/环氧树脂基复