单纤维微滴拉伸测试中的应力传递行为.doc

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1、单纤维微滴拉伸测试中的应力传递行为雷振坤1,仇巍2,亢一澜2,云海31.大连理工大学工程力学系116024;2.天津大学力学系30007;3.山东理工大学交通与车辆工程学院255049Email:leizk@163.comTel:0411-84708406Fax:0411-84707860摘要：纤维微滴微力学拉伸试样在固化时受到气液界面表面张力的平衡作用，单纤维上的微滴自然形成似纺锤体的光滑弯月面。使用微拉曼光谱技术研究不同应变下芳纶纤维/环氧树脂微滴基体界面间的应力传递行为，结果显示：从微滴端部到内

2、部，纤维轴向应力和界面剪应力逐渐降低呈梯度分布，这是由于微滴基体的体积局部变化所致。另外，大应变下具有较大的轴向应力分布、较小的界面剪应力分布和较低的应力传递效率；内部最大剪应力发生在端部大约3.5~6.5个纤维半径距离范围内。关键词：纤维微滴拉伸，应力传递，微拉曼光谱1.引言不同材料间的界面现象大量存在于纤维增强复合材料系统中，界面连接形式控制着基体到纤维的应力传递性能[1-4]。由于在纤维/基体界面上存在很高的材料和力学性能失配而导致应力集中，容易造成脱层、脱粘和断裂，所以界面在影响纤维增强复合材

3、料的力学行为中扮演着重要的角色。通常，评价纤维增强复合材料界面性质的实验测试技术包括单纤维推出和拉出[5-6]、碎断[7-8]和微滴测试[9-10]等多种方法，可是不同方法得出的界面剪切强度存在较大的分散性[11]。近期的研究认为这种差异来源于近纤维末端的应力奇异性[12]。所以，重新评价这些测试方法和发展新的更适合的测试方法是值得关注的[13]，而通过界面几何设计来降低甚至消除应力奇异性，可以改变整个复合材料系统的力学行为[14]。传统的实验技术要直接测量复合材料纤维中的应力是很困难的，而微拉曼光谱

4、技术能测量微观尺度上单纤维的应力/应变性能。它具有无损、无接触和空间分辨率高（1μm）等优点。特别是拉曼频移与拉曼活性纤维承载的应变/应力成近线性关系，即当碳纤维或芳纶纤维处于变形状态时，会引起拉曼波谱的移动和变形[1,10]。因此，它是微尺度力学领域的一种潜在的实验力学方法，最近被用来研究纤维增强复合材料的界面微力学行为[1-4,9-10]。本文利用单纤维微滴拉伸测试方法，使用微拉曼技术研究不同应变下纤维/微滴基体之间的应力传递行为，给出了界面剪切应力分布，并进一步讨论纤维/微滴基体之间的应力传递效

5、率和端部角几何条件对界面剪切应力及其传递效率的影响。1.实验实验中所使用E51-618环氧树脂具有强烈的荧光性能，拉曼光谱是一个变化缓慢大坡（图1a）。Kevlar29芳纶纤维单丝直径约为12μm、弹性模量约为80GPa以及拉伸强度约2.5GPa[15]。Kevlar29纤维因结晶度高而具有明显的拉曼特征光谱（图1b），最强的波峰在1610cm-1附近，对应着苯环的C=C拉伸振动模，表现出很高的应力敏感性（-250MPa/cm-1[2]）。利用环氧树脂固化之前的流动性，用针尖醮上环氧树脂液滴后接触单纤

6、维即可形成微滴，完全固化后的试样会呈现芳纶纤维和环氧树脂拉曼光谱的叠加，见图1（c）所示。因此，芳纶纤维可作为复合材料中的应力传感器，可用来研究纤维/基体界面的应力传递行为。图1(a)纯环氧树脂,(b)Kevlar29芳纶纤维和(c)Kevlar29/环氧微滴试样的拉曼光谱单纤维上的环氧树脂液滴在固化前受到气液界面表面张力作用（因尺寸小可忽略重力影响），自然形成似纺锤体的光滑弯月面，图2为实际拍摄的纤维微滴试样的显微照片，微滴的几何形状可由端部角θ、长度L和高度H三个参数来表征。本研究中采用两组几何参

7、数不同的纤维微滴试样，为试样1为θ1=44o、L1=210μm、H1=120μm和试样2为θ2=32o、L2=134μm、H2=35μm。图2芳纶纤维/环氧树脂微滴试样的几何形状采用RanishawRM2000型显微共焦拉曼光谱仪，选用波长为514nm和功率为0.23mW的绿激光以及50×倍率物镜，入射激光束穿透透明的环氧树脂基体在芳纶纤维表面聚焦成2mm大小的光斑，用背向散射方式进行测量，用Lorentzian函数对拉曼数据进行拟合。测量时，使纤维轴向与激光偏振方向平行，拉曼频移与轴向应力相对应。3

8、.芳纶纤维作为拉曼应力传感器图3Kevlar29芳纶纤维的应力频移关系当纤维承受外加轴向拉应变时，苯环的C=C键伸长，表现为1610cm-1波数对应的拉曼振动模发生红移（低波数方向）。室温下对Kevlar29单纤维进行轴向拉伸可以得到拉曼频移与应变之间的关系，然后转换成应力/频移关系曲线，经线性拟合后得到应力敏感性为-280MPa/cm-1，见图3所示，与文献[2]的差别是由于纤维弹性模量不同所造成的。在纤维/微滴试样固化过程中，环氧树脂微滴基体通过聚合