混杂纤维复合材料的界面.pdf

北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 J o u r n a l o f B e r i n g U n i v e l s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s 1 9 9 0年第 4朝 N 9-4 I 9 9 0 混 杂纤维 复合材料 的界面 宋焕成 张佐光(材车 斗 辞学与工程系)摘要 t本文首先揭示和分析 了混杂复合材科 的特异现象一混杂效应，并认为 混杂效应产 生的主要原 因是 混杂界 面。从而对混杂界 面进行 了研究和论述。指 出混 杂界 面层与单一纤维复旮材科 界 面层 不周，为更 加不均匀过渡，并 以多相、多层次方 式存在使 混杂复台材料得 以多种功 能综合于 一体。关键词 t界 面，混杂复合 材科，混杂效应。0 前宫 纤维 基体复合材料 中的界面 是由纤维 与基体的表面以及投靠近这 个表面 的区域组成的 这个界面 既不 是纤维又 不是基体 所具有的物理和力学性能。界面赋 于纤维基体复合材料结构 的完整性，并 由此而赋于复 合材料 具有 它的组分 所不具 有的某些优异性能，丰富了材料科学领域 的材 料类 型与科学规律 混杂纤维 复合 材料是复合材料 中重要组成部分，它在组分、性 能、复合工 艺等很多方面 与 普通复合材料是相 同或相似的。但它又有其本身的特点，而这些特异之处 叉主 要是 由于挹 杂 界面的存在所 引起的。本文拟初步对混杂纤维复合材料的混杂界面及其 所引伸出来的特异性 能进行论述 l 混杂 纤维复合材料的特征现象 混杂纤 维复 台材 料的力学、热、电、声等方面都有 它的特异现象。当前揭示较多的是它的力 学行为。图I 是单一玻璃纤维复合材料与单一碳纤维复合材料的应力一应变 鳇线，如将 O A B C D 点连起来，就是该两种纤维混杂复台材料的应力 应变 鳇线。但 实验发现 一个很有意义的现象 即混杂复合材料的 A点对应的应变值要高出单一碳纤维复合材料 点的应变值，甚至可高出 4 0 。这是 由于混杂而显示的特异现象，通常 称之 为混杂效应 1 如 图 2 这种混 杂效应主要是 混 杂界 面引起的。因此，研究混杂效应对于了解混杂界 面是 非常有 利的。文 献 2 对 碳纤维、玻璃 纤维 及 K e v l a r 纤维混 杂复合材 料的层间一 层 内及 央芯试样在 拉伸 本文于 1 9 9 0 年 3 月 i 5日收到*本文得到科学萋盎的啭助 维普资讯 http:/ 宝 剖 应变 图 l 磺纤 雄 复合 材料与玻璃、图 2碾纤 维与玻璃 纤维混 杂奸维 纤雄 复舍材料应力一 应变曲线 复合材料负荷 与仲长曲线 I 磺纤雄 复合 材料应 力一 应变 曲续 2 玻璃纤维复合材料应力一 应变曲线 试验 中的混杂效应进行 了试验与理论估算，并建立了混杂效应系数的估算 式 尼 k -(1一 I f)(】)式 中t 混杂结 构参 数。层间混杂结构 k取为 l，夹芯混杂结构 取 为 2；I f 碳纤维相对体积含量；分散度系数。它是 与混杂纤维复 合材料的混杂界面数有关 的参数，一般随混杂界 面数 增加而 提高。用式(1)估算 的混 杂效应系数 与试验 测定值 比较接近 T ()圉 3 不同幌杂界面相对量试样的内耗一 温度谱-3 3 从 能量、形 变、晟 大应力、冲击韧性 等 方面研究 了混 杂纤维 复台材 料冲击载 荷下 的 混杂效应，建立 了冲击韧性 估算 模型。该模型 将冲击韧性 与不 同的混杂效 应系 数联 系起来 了，反 映了混杂效应对冲击韧性的贡献。同时 指 出，虽然 冲击韧性 与界面数 几乎 没有关 系，但这些 混杂效 应系数可 从不 同角度反映 动态 混杂效应的大小，且 与混杂 比、界面数有关-4 3 用动 态力 学 分析仪(DMA)研 究 了混 杂纤 维复合材 料的动态 力学行 为与混 杂界面 的关 系。指 出由于纤维性质及混杂界面热残余应力的差异，混杂界面可能具有不 同于单一界面 的结 构形 态和松驰行为。采用保持 C G混杂 比不变，不断增加 C G界 面的方式来增 加混杂界 面的相对量。从 图 3中的 mn 6 一 T曲线可看 出，随混杂界面数增 加，混杂体系的 移向高温，G 峰宽度变窄 上 述文献的研 究工作 所揭示 的特 征现象，都是 由于混 杂纤维复 合材料 中混 杂界面存在 的 原因而 引起 的 正如前文所说 的，界 面赋 于复 合材料结构的完 整性，混杂 界面赋于混杂纤维复 合材料一些特征现象 因此研究混杂界面不仅是研 究混杂复 合材料 应用性的重要 方面，而 且在 界面工程的深入研究方面也将 有理 论意 义。l 8 维普资讯 http:/ 2 混 杂纤维 复合材 料的混杂界面 1 较 系统地介绍 了混 杂纤维复合材料力学行 为中的混杂效应 以及对混杂 效应 产生的机 理和理 论分 析方 面的不同观点。不少学者对 于产生混 杂效应的 因素从组分材料性 能，混杂结构 因素作 了分 析。在机理方面从断裂力学(热力学)、微观力学(统计理 论)以及 断裂 能方 面提出一 些假说。比较有代表性 的学者及其见解有 B a d e r 和 Ma n d e r的抑制学说 l Z w e b e n 6 把纤维 强度 的统计分布性质 用于解释 混杂 效应 A v e s t o n 7 等则用多次 断裂 来说 明上 述现象等等。在 这些 分析 中除考虑到 组分 混杂结构 因素外，均初步联 系到界面粘接 的状况。但 未能 确切 提出混杂 界 面 的概 念。8 对复合材料界面的机能进行 了分析，并提 出以下 四种效应。即分割 效应 不连 续效应、反射与吸收效应、感应效应等。由于这些 效应 可能分别 引出各种力学、热 学、电学、磁学、光学等 现 象。这些现象的发生是界面存在 的反映。对于混杂复合材料混杂 效应 的研 究指 出，混杂界 面 是产生混杂效应的主要原 因。1 指 出在界面粘接状况一定的情况下，混杂效应与混杂 比和分散度有关。B u n s e l l 9 研究 了界 面粘接 状况对断 裂模式的影响，认为混杂复合材料的断裂 延伸率大 小与界面粘接 强度有 关。Ma r o m 1 O 通过使用两种界面 状况相 同，但力学性 能 不同 的碳 纤维制成 c c混杂复 合材 料，试验后对结果进行分析未发现任何混杂效应。文献 1 1 在研究界面粘接 状况对混杂效应 的 影 响时，用硅油对纤维表面处理，有 意造成弱 的界面粘接。通过 试验发现，试样受力 后有大 面积 的分 层，并 有较大 的载荷 降。计算结 果表明，这 时的混杂效 应 系数 皿 与未 减弱者 相 比，下降 2 l 8 8。因此考虑到混杂界面的状况，可对混杂效应系数估算式进行修正，式(1)中可增加(一)界面层隔离较远时混杂界面校塑()临界状态、界面屉连接 修正系数 c R i=c矿 (】一)(2)式 中c 为混 杂界面粘接状况系数。综 前所 述，混 杂效 应 的产生主 要是 由于 异种纤 维形 成 的混杂界 面的原 因。混杂 效应受 混杂 比、分 散度及界面 粘接状况影 响。混 杂 界面 与 单 一纤 维 复 合材 料 界面 有 它相 同 的 一 面，即通 常所 说 的这 个 界面 层是 由基体 和纤维 的表 面 层 加 上 两者 的界 面所构 成，基体 和增 强材 料的表 面层是相(c)界面层连接最佳轼态 形成完整混杂界面 图 4 混 杂界面 示意囤(口)()(e)互影 响和制约 的，同时受表面本身结构和组成影 响。表面 层的厚度没有 明确概念，一般认为基 体 的表面层约 比纤维表面 层大 2 0倍，并是个变量。这个界面层不仅影响复 合材 料的各力学行 l 9 维普资讯 http:/ 为，而且 将产生一些特征性 能。L i p a t o v等 1 2 1 4 研 究了界面层的性质，指出界 面层密度 较 大，呈不均 匀过渡，缺陷存 活率低于树脂基体等。混杂纤维复合材料 界面层不 同于单一纤维复合材料的情况，由于受多种纤维的影响，使界 面层更加不均 匀过 渡，呈现 出不同影响 的结构。图 4示 出混杂 界面示意 图。从 图 4可知，当异种纤 维离得很远时，它 们互 不影 响。当两种纤维逐步接近，达到临界树脂 含量，两个 界面相连，称为临界混杂界面层或临界混杂界面。当两种纤 维间呈现 同一界面 层，即 形成所谓 的理 想混 杂界面层，简称为混杂界面。此界面层 的结构与性能除与单一纤维复合材料 界面 层有相 同的一面外，还有它不同的方面。混杂界面与一般界面 比较，混杂界面中缺陷存活 率最 低，裂纹源数 目最少，基体 微观 开裂 的应变值 将得到 最大程度 的提 高，抑 制裂 纹扩 展能力 也最 强，能造 成低延伸率纤维 出现多次断裂现象。对于临界混杂界面与混杂 界面还有它 们本 身结构 的不 同，相应引起性 能的差异。界面在力 场负有载荷的传递作用，在声、光、热、电波等 的作用 下，也有这些物理量的传递、折射、反射、传 播等 的作 用，并相应引出一些特征现象。这些特征现象有些 已为人们所知和利用，有些需要科学技术界去研究探索，进而更好 地研 究材料的合理 利用 和总结材 料科学 规律。3 结束语 混杂界面的研究可以有力地推动与扩展混杂复合材料的应用，深入探索材料科学的规律。混杂界面的 多相、多层次 的存在 将带来性能上 的可设计性 以及 多种 功能综合于 一体 的可 能 性。复合材料功能化是材料发展的一个重要方 向，混杂复 合材 料是 其中重要 内容 之一。如 它兼 备力学性能与透电磁波性能，兼备力学性能和水下透声性能，兼备力学性能与“隐身 特性以及 将“隐身”、烧蚀防热、抗核加固及承受气动载荷的多种功能综合于一体。因此，混杂复合材料是 下一代战略导弹 的候选材料 参考文献 1 豫披 束焕成一 准杂复舍 材料的j 昆 杂效应 复合材料学报，1 9 8 8 p(1)：6 7 7 3 2 束焕成 郦浩等 混杂纤维复舍 材辩混杂效应的理饱怙算与宴骑 航空 报-1 9 9 9 (i)t 6 8 6 9 3 张佐光 束焕成 撼热纤维复合材料的冲击特性 航空学报-1 9 8 9 (5)一 2 6 7 2 7 3 僚披 李玉华等 提杂奸维复合材料的动杏力岸性 指-材料抖学-1 9 8 9 (1)r 7 6 8 0 5 M a 幡盯PW B a d Mn T h e s t r h o f h y b r k l B l 蛹 af b 口 n fi b r e m m“-j-Mn-s c i -1 9 8 1，(1 6)r 2 2 8 3 2 2 4 5 e l z w e b e t I C 砷 n B t h o f h y b r i d m 蛔-J-H bI s d，1 9 7 7 Il(1 2)1 3 2 5 1 3 3 7 7 A 。f I J，S V 1 w 3M 咄 f i b r e r e n g t h e n i n g i n h y b r i d c o mp t e s-J-M a t-S c i -1 9 7 6 C l 1)I 1 8 7 7 1 8 8 3 8 杖岛象 横台材料 ，厶特别讲演资料-1 9 8 6，(1)9 B u m R，H s n b B H y b c l d c l a n d咖基 n b 托c o 日 t-C o m p 0 s-1 9 7 4，(7)I l 5 7 1 6 4 】O r 帅 G，F i s-H y b r i d e H 础 i n。o mp 皤|椭，c 删 d 甜 B 蚰v 6 o f l lq e f f e c t s V 岫懈 n l -o f m 憎 b h a 叫-J 3 ht se 1，1 97 8 p(13)I 1l l 0 l 4 2 6 1】邓浩，集喜勇等 馒杂奸维复合材料j 昆 杂效应中的界面效应研究 垒 国第五届复合材料学术会议文集(上册)-1 9 88I 3 B2 3 8 6 1 2 L i p a t o v Y-A d v-p o l y m S c i-】9 7 7 I(2 2)1 5 9 20 维普资讯 http:/ 1 胡吴鑫森 陈样宝等 瓢牲增强复合材料的界面层 复台村科学报 t 9 8 5 (3)，l 5 I t 4 1 柯育才等 环氧复合村料界面厦其力学性健 玻璃饲 复合材料一 1 9 8 6 (3)t 3 0 3 6 I NTERFACE oF HYBRI D CON OSI TE s o ngHu a nc h e n8 Zha r Zu o g u a n g (1 t me a t o f h hI m1 b sd目 a n d En S ln e dn S)B I RAC Th i s p a p e r r e v e a l e d a nd an a l y z e d t h e s p e ci a l p h e n o m i n a o f h yb r i d c o m p o s i t e s hy b r i d e f f e c t I t i s p oi nt ed o ut t h a t th e mai n c a w h i c h b r in g s a b o ut th e hy b r i d e f f e c t i s t h e hy b r i d in t e x f a e Th e in t e r f a c e o f h yb r i d c o m p o s i t e di f f e r e n t f r o m t h a t of s i n g l e f i b e r r e in f o r c e d c o m p o s i t e，an d t h e f o r me r i s mo r e l I】1 l I】1 i f 凸 f m an d h e t e r o g e ne o u s，wh i c h ma k es h y br i d c o mpo s i t es p o s s e s s a m a n i f o l d f u n嘣 Ke y wo r 0：i nt e r f a c e，t l y br i d c o m p o s i t e，h ybr i d e f f ec t 朴 白 问号(?)的用 法 问号表 示疑 问 句末尾 的停顿。例如(1)你 见过 金 丝攘 吗?(2)他 叫什 么名 字?(3)击好呢，还是 不去好?疑 问 句一般 是 用 来提 出问题 的。反问 句是 一种 特殊 的疑 问 句，末尾 一般也用 问号。例如：(4)难道你 还不 了解我吗?(5)你怎 么 能这 么 说呢?有的 句子 虽然有疑问词“谁 什 么 怎么”等，但全 句并不是疑 问句，末尾不用 问号。例 如：(6)我也不知道 该谁去。(7)请你 问 问他姓什 么。2 l 维普资讯 http:/