界面剪切强度

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1、·１４·高分子通报２０１３年２月纤维增强复合材料界面剪切强度及界面微观结构的表征秦文贞，于俊荣＊，贺建强，陈蕾，诸静，胡祖明（东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海２０１６２０）摘要：界面在纤维增强复合材料中具有特别重要的作用，它不但是纤维增强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。良好的界面粘结才能使纤维的性能得到充分发挥，进而纤维增强复合材料的力学性能得到提高，因此对纤维增强复合材料的界面粘结性能、界面微观结构的研究非常重要。本文总结了纤维增强复合材料界面剪切强度、界面微观结构的表征方法，包括单纤维拔出试验、纤维断裂试验、纤维压出试验等，并侧重介绍了拉曼光谱

2、对纤维增强复合材料界面粘结性能、界面微观结构的研究。关键词：纤维增强复合材料；界面剪切强度；界面微观结构；拉曼光谱纤维增强复合材料由于比重小、比强度和比模量大等优异性能，广泛地应用于航空航天、国防、交通、体育等领域。在外力作用下，纤维增强复合材料通过界面进行应力传递才能使纤维和基体应力均衡分布。然而纤维增强复合材料界面能否有效地传递应力，有赖于基体与纤维增强体之间界面的结合程度。因此，对纤维增强复合材料界面结合程度、界面微观结构的表征和研究是非常重要的，界面剪切强度作为界面粘结中最有效的力学表征参数，也就成为目前纤维增强复合材料研究中的重点和热点。因此本文重点介绍纤维增强复合材料界面剪切强

3、度的测试方法，同时介绍纤维增强复合材料界面微观结构的拉曼光谱表征。１界面剪切强度的传统测试方法１．１单纤维拔出试验［１］单纤维拔出试验是一种有效的界面剪切强度测试方法，其基本原理是将单纤维包埋在基体片中，固化后将单纤维从基体片中拔出，记录拔出时所需要的力，即可得到界面的剪切强度，为了使单纤维从基体中拔出而不至于发生纤维断裂，必须使纤维埋入基体中的长度适当，图１为纤维拔出示意图。实验可在通常使用的小型万用材料试验机中实施。为使实验操作更为简单，影响实验结果的可变因素更少，对实验结果的解释更趋合理，单纤维拔出试验技术在不断的改进和完善。微滴包埋拔出试验是对单纤维拔出试验的一种改进，将块状基体改

4、变成微滴状基体，即在纤维表面上滴入树脂微滴，尽量减少纤维段的埋入长度，而且用阻挡或推移微滴的方式替代对基体的夹持，这种方法能有效地解决单纤维拔出试验试样制备的困难，并能减小实验结果的误差，图２为微滴包埋拔出示意图。［２］Ｌｉｕ等针对不能像传统方法制备微滴包埋试样的低粘度基体，提出了一种新的微滴包埋试样制备方法。首先把纤维垂直固定在一个挖有小洞的薄板上，然后在薄板上的洞内用细针滴入水性聚氨酯。实验发现，当把薄板去除后形成了与传统椭圆微滴形状不一样的圆形微滴，并进一步用有限元素分析法分析实验中的圆形微滴与传统的椭圆微滴的界面剪切应力的分布，分析结果显示两者的界面剪切应力曲线［３］是非常吻合的，

5、证明了这种微滴制备方法的可行性说明。Ｍｏｒｌｉｎ也利用这种方法研究玻璃纤维／聚氨收稿：２０１２－０７－２４；修回：２０１２－０９－２８；基金项目：国家９７３计划项目（２０１１ＣＢ６０６１０３）；国家８６３计划项目（２００９ＡＡ０３４６０５）；中央高校基本科研业务费资金重点项目（１１Ｄ１０６２５）；作者简介：秦文贞（１９８８－），女，博士，研究方向为纤维复合材料界面。Ｔｅｌ：１８８０１６２３４０２，Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｗｚ１４１７＠１６３．ｃｏｍ；＊通讯联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｊｒ＠ｄｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．第２期高分子通报·１５·图１纤维拔出试样图图２微滴包埋拔出示意图Ｆｉｇｕｒｅ１Ｓｐｅｃｉｍｅ

6、ｎｏｆｆｉｂｅｒｐｕｌｌ－ｏｕｔｍｏｄｅｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅＦｉｇｕｒｅ２Ｓｐｅｃｉｍｅｎｏｆｍｉｃｒｏｄｒｏｐｌｅｔｍｏｄｅｌ酯树脂的界面剪切强度，试样制备如图３所示，并研究了纤维拔出的速度和微滴几何参数对界面剪切强度的影响，实验发现纤维拨出速度在１０～１００ｍｍ／ｍｉｎ时，复合材料界面剪切强度受拨出速度的影响很小。图３（Ａ）改进微微滴实验装置；（Ｂ）微滴制备的原理图Ｆｉｇｕｒｅ３（Ａ）Ｔｈｅｍｏｄｉｆｉｅｄｔｅｓｔａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ；（Ｂ）Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｖｉｅｗｏｆｔｈｅｄｒｏｐｌｅｔａｐｐｌｉｃａｔｏｒ１．２纤维断裂试验［４］［５］纤维断裂试验也称纤维的临界长度测量，是由Ｋｅ

7、ｌｌｙ等提出的一种分析测试方法。其基本原理是将一根纤维伸直包埋于基体中，制成哑铃状试样，然后沿纤维轴向对基体进行拉伸，载荷将通过界面传递到纤维，并使纤维连续地发生断裂。这一现象会一直进行到载荷不能因小段纤维周围界面力的传递使纤维再发生断裂为止。利用光学显微镜或声发射装置对断裂后的碎片长度进行观察和测量，各个断裂纤维段中最长的那段纤维的长度称为临界长度Ｌｃ，然后利用界面模型，即可得到界面的剪切强度τ，图４为纤维断裂试验示意