复合材料界面与设计

单丝从基体中拔出、测定纤维拔脱的应力，从而求出纤维与 基体间的界面剪切强度。显然，拔出力随埋人深度而增大, 达到临界长度Lc时，拔出纤维所需的应力等于纤维的拉伸强 度。
3、顶出法
单丝拔脱试验的离散度大，要做大量的试验，找到临界长度， 基体对纤维浸润时会沿纤维上爬，影响精 度。作为改进，又 发展了顶出法。 ，
四、复合材料界面力学性能表征
界面残余应力 单丝拔脱实验法 临界纤维长度实验法 界面粘结能测试 层间剪切强度 动态力学分析
微量冲击分析
1、界面残余应力
消除残余压力可以通过引入 膨胀单体，提高综合性能， 可用冲击韧性来表示。
பைடு நூலகம் 2、单丝拔脱实验法
单丝拨脱试验是将增强纤维单丝垂直埋人基体之中，然后将
三、增强纤维表面化学分析表征
1、XPS
X射线光电子能谱是测量材料表面化学组成的有 效工具，可以定性测量元素存在，可以根据谱线 强弱测定元素含量。以及官能团含量。
2、红外光谱
3、紫外光谱研究

4、核磁共振法
5、原子发射光谱研究
6、化学分析和热分析
热失重
-COOH在500－800℃分解成CO2,R-OH在900－1000℃ 分解生成CO，由热失重测定CO2 、CO量，可以求出表 面-COOH和－OH 化学分析方法 碳纤维表面的羟基与羧基还可以通过化学检测来定量 测试
¢ 纤维的体积分数 2
涂聚苯乙烯树脂的玻璃纤维的DMA a—接枝玻纤 b—未接枝玻纤
不同碳纤维增强聚丙烯酸复合树料损耗角正切 与温度DMA a一未处理碳纤维 b一接枝聚丙烯酸碳纤维
8、微量冲击分析
微量冲击分析是一种以一定速度对微小试样进行冲
击，记录下冲击过程中冲击锤受到的反作用功与冲 击时间对应关系的一种研究方法,为了能清晰反应界 面的结合状况，纤维必须是单向的，所以多采用纤 维的复合丝试样。 试样的尺寸很小，通常为0.5mm×10mm的圆柱状试样。 测试时试样呈简支梁状况进行冲击，冲击锤上端装 有载荷感受传感器将反作用功变成电信号送出，再 由A／D转换器转化成数字信号，同时送出信号形成 平面曲线图。
动态力学分析用于对复合材料界面结合
的评估，也是一种发展动向。 在基体的玻璃化转变温度之上将会出现 一个与界面结合有关的损耗峰，见图中 的b、 b1、 b2如果碳纤维未经处理，则 该损耗峰就不会出现，除非纤维的排列 方向完全一致，而且与应力的作用方向 也必须完全相同。
低体积分数单向碳纤维增强环氧树脂的E”的温度关系
将纤维与基体压出，暴露出纤维与基体形貌，脱粘发生 在C层与反应层之间，可以看到碎片
图 高模量碳纤维复合材料 拉伸破坏断口侧壁SEM照片
图 高模量碳纤维复合材料 拉伸破坏的断口SEM图片 图中深色部分为纤维拔 出后留下的空洞
碳纤维水泥状态
玻璃纤维热塑性复合材料
复合材料界面SEM图
TEM是研究陶瓷基复合材料界面微观结构
C/C复合材料横断面SEM C/C复合材料界面结构与先驱体种类和热处理形式有关， 以上显示纤维相同，基体及处理不同，界面状况不同
2-6显示SIC/SIC复合材料受压力破坏后显示复合材料 几乎所有破坏形式 2-7显示纤维拉出和断裂破坏，界面结合弱
碳化硅增强某种钛合金复合材料，A纤维表面有一层碳， B纤维表面未覆盖C，反应层有明显区别。厚度、均匀性
玻纤单丝从PP基体中的拔出剪切强度测试
4、临界纤维长度试验法
将单丝纤维埋人基体制成哑铃状试样，拉伸使纤维断裂成一段
段的残片，测量残片长度，可得到残片的长度分布图，统计出 残片平均长度L，临界纤维长度Lc与平均长度L的关系为：
临界剪切强度为：
5、界面粘接能测试法
在试样中埋人纤维单丝，试样尺寸30mm×10mm×10mm， 试样中间开一直径1.5MM小孔，使小孔穿过纤维。对试 样施加压应力，由于纤维与基体压缩模量不同，界面 产生剪应力，载荷足够大时，纤维在小孔端点脱粘， 此时粘结能G为：
复合丝的全部冲击载荷可转化成体 系两种能量，其中E1为基体变形、 纤维变形及表面能变化等所需的能 量。其中E1在总能量中占有较大的 比例，并受界面结合强度的制约。 而E2为纤维拔出和纤维与基体脱粘 所需的能量。它是复合材料所特有 的冲击能量吸收机制，在全部能量 吸收中占有一定比重，而且基本上 以塑性能量形式存在，界面结合强 度越弱，则E2越大。但当界面结合 弱到不能有效传递载荷时其值又下 降，致使最大冲击载荷也下降，不 利于整体抗冲击性能的提高。所以 最佳界面结合状态时材料的抗冲击 性能方能达到最好。
课程考核与课程论文
根据以上思考题，最好能够结合实际工作和
课程内容，撰写一篇课程论文，作为课程考 核依据。 论文要求：
观点明确，内容完整，格式准确，逻辑清楚； 3000－5000字；标准格式撰写；打印；学期 结束前交稿。
关注；
界面结构的最重要的手段是TEM、SEM，AFM和拉
曼光谱技术也为人们重视
1、纤维表面处理形态表征
低温等离子处理
热处理
电晕和低温等离子处理植物纤维
2、纤维表面接枝聚合物形态
碳纤维接枝聚苯乙烯
碳纤维接枝
3、复合材料界面状态
纤维拔出状态
C/C复合材料拉伸破坏断裂面 脱粘没有导致表面和内壁任何损伤，可以判定纤维与基体 之间只有松散结合不存在确定厚度的界面层
。
复合材料界面处理形式

机械处理 偶联剂处理 热处理 氧化处理 化学腐蚀处理 表面涂层法 表面沉积处理 冷等离子处理 辐射处理 光电处理 …….
思考题：
1. 纤维增强热塑性复合材料如何进行界面设计处理？ 2. 难粘聚合物材料如何进行层间复合设计？ 3. 含金属层复合材料结构如何进行界面设计处理？ 4. 复合材料结构热处理过程会对界面产生哪些影响？ 5. 浸润性提高从哪些方面影响复合材料界面及结构性能？ 6. 橡塑复合、木塑复合、热固热塑复合如何进行界面处理设计？ 7. 液晶树脂增强塑料、增强热固性树脂如何进行界面设计？ 8. 新的测试手段如何应用于复合材料界面表征？ 9. 查阅文献，综述先进聚合物复合材料界面设计与表征进展。 10. 界面设计处理与你正在进行的课题关联性。
复合材料界面与设计
2011年11月
复合材料界面分析表征 提 纲
界面形貌结构分析表征 增强材料表面化学表征 界面力学性能分析表征
一、界面形貌结构分析表征
界面结合强弱与与界面区域的微观结构密切相关； 复合材料的结构缺陷常常集中于界面区域； 制造与使用过程中，界面的结构前景都吸引人们
的最重要的方法，据此可获得界相和其附 近基体纤维的结晶或无定型态，元素分布 和化学组成等微观结构的几乎全部资料。
20TEM图，与基体相邻的明亮层CL为碳层，与纤维相邻的TL为 过渡层，F为纤维层 21TEM是CL与基体M图像，可以看到清晰的晶格条纹相应于C平 层，具有典型的湍层碳结构特征
可以确切看到两界面层之间的相接触区域，CL层可以看到 湍层碳，TL层可以看到大量纳米级的SICA晶粒。
6、层间剪切强度

压剪法 可参见GB1450.1—83，对试 样施加均匀连续的剪应力，直至破坏。 层间剪切强度可按下式计算：
短梁弯曲法
参见GB3357—82 ASTM D2544—84装置示 意如图,连续加载至试样破坏，记录最大载荷 值及试样破坏形式。层间剪切强度按下式 计 算：
7、动态力学分析
冲击载荷与冲击时间关系曲线
该研究方法对复合材料的界面结合进行了分析，得到了十分有意义的结果。将未经
处理、氧等离子处理、接枝聚丙烯酰胺(接枝层厚度约为300nm) 和接枝聚丙烯酸(接 枝厚度100nm)四种处理的碳纤维按微量冲击分析法制成复合丝样品，分别在室温下 用微量冲击仪冲击，结果如下图所示。 聚丙烯酸接枝碳纤维复合丝试样的弹性承栽能E2很大(b)，其时间对应上与氧等离子 处理者相近，也没有明显表现出纤维滑移的征状。与氧等离子处理者所不同的是接 枝纤维样品的E2部分也比较大，表明在界面上也容许有一定量的纤维产生滑移和脱 粘。与E1相比E2占有较大的比例，因此整个冲击承载能大大增加．超过了氧等离子 处理者。 聚丙烯酰胺接枝碳纤强复合丝试样的冲击承裁曲线，冲击韧始基线与冲击结束基线 没有重合(a)。这是由于聚丙烯酰胺接枝层过厚所致。因为在冲击过程中不仅纤维表 层界面产生应变，而且接技层中的分子链也会产生蠕变或滑移，两者综合的结果， 使微量冲击曲线产生了畸变