树脂基复合材料界面结合机理研究现状

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1、纤维增强树脂基复合材料界面结合机理研究现状摘要本文以碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等作为增强材料的纤维增强树脂基复合材料（Fiber-reinforcedPolymer，FRP）为例，分析了目前国内外复合材料界面结合机理研究的发展现状及X射线光电子能谱（XPS）技术、红外光谱检测技术（IR）、拉曼光谱检测技术（RAMAN）等主要界面表征手段，并提出了该领域目前尚存在的问题。关键词纤维增强，树脂基复合材料；界面机理1引言复合材料从结构上可以分为三相：基体相、增强相和界面相。其中界面相在复合材料中具有特别重要的作用，它不但是复合材料中增强相和基

2、体相连接的纽带，也是应力及其他信息传递的桥梁。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。关于界面的作用机理，目前已经建立了多种理论，如化学键理论、浸润理论、可逆水解理论、表面形态理论[1]等。研究和表征的方法也有很多种。2FRP界面结合机理国内外研究现状在诸多方面的研究中，有关界面细观力学的研究最为热门。国外的研究者们对界面研究的各方面做了综合性评述，如Hughes综合评述了碳纤维增强环氧

3、树脂基复合材料界面研究各个方面的发展状况，Jang-KyeKim[2]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Chams[3]、Adams[4]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，Gent和Wang[5]及Liu[6]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合材料性能的影响。我国对界面方面的研究

4、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。中科院金士九、王霞等人[7]采用单丝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。3不同纤维增强FRP界面机理研究现状3.1碳纤维FRP碳纤维增强复合材料以其优异的性能在航空航天领域得到的普遍重视，如先进军用飞机为提高战技性能，降低结构重量，需要大量采用高性能碳纤维增强双马树脂基复合材料[10]。碳纤维是先进树脂基复合材料的重要组成部分，纤维结构和性能对复合材料的性能有重大影响。黄玉东、张

5、志谦等人[11]成功地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CF表面经不同的处理后CF/聚酰亚胺复合材料的界面剪切强度。同济大学嵇醒[12]等人对纤维压入试验方法从试验装置、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。张宝艳等人[13]采用扫描电子显微镜对T300B、T700SC和NCF碳纤维的表面无力状态进行了观察，结果表明纤维表面的沟槽将十分有利于提高纤维与树脂间的机械啮合作用而提高界面性能。3.2玻璃纤维F

6、RP玻璃纤维是玻璃钢的主要增强材料，它能与各种树脂相结合，衍生出多种优异性能的玻璃钢，用作工程材料的地位日益稳固，在取代传统材料，发挥减轻重量、节省能量、集中功能、提高设计灵活性之作用方面成绩卓著,成为材料科学的重要分支,具有良好的市场前景。目前，对玻璃纤维树脂基复合材料界面机理的研究较为广泛。Park等[14]分别研究了质量分数为0.5%的聚丁二烯（PB）和γ-MPS改性PB涂层GF对乙烯基酯树脂/GF复合材料性能的影响,发现两者处理后的试样较未处理试样的总冲击能从8.59J分别提高到10.03和11.60J。Gao等[15]研究了γ-

7、APS/聚氨酯-涂层(γ-APS/PU)GF增强改性聚丙(γ-APS/PU-PPm)和γ-APS/聚丙烯-涂层GF增强PPm复合材料(γ-APS/PP-PPm)等界面微观结构和力学性能。3.3玄武岩连续纤维FRP玄武岩连续纤维是采用单一的玄武岩矿石熔制而成的纤维。SiO2是玄武岩连续纤维的主要成分，它所组成的结构骨架有利于保持纤维的化学稳定性和力学性能；Al2O3是含量占12%～19%，主要作用也是提高纤维的化学稳定性、力学性能及热稳定性；FeO和Fe2O3的存在使纤维呈现古铜色，提高纤维的使用温度；CaO有助于提高纤维的防水性、硬度和力

8、学性能；MgO、TiO2、Na2O等成分，对于提高纤维的耐水侵蚀和耐腐蚀性有重要作用[16]。玄武岩纤维增强树脂基复合材料目前广泛应用于军事、航空、航天等领域。杨小兵[17]对连续玄武岩纤维进