纤维增强复合材料界面研究(四)——增强材料对界面粘结.pdf

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1、第3卷第4期19月6年12月复合材料学报Vol。3班。4人CT AMATERIAECOM POSIT A ES INICA价亡embe r19 86纤维增强复合材料界面研究(四)增强材料对界面枯结和复合材料力学性能的影响金永方兰立文熊英(西北工业大学405狡研室,陆文进西安市)摘要本文选用增勒E一5 1为墓体分别 与凌纤 雄、玻端 纤维和泥杂纤 维复合,刹定了这两矜复合材料的层 阅雾切孩度、纵向冲击法度和层简渐奥勒怪。又通过扫拨 电 锐现察新口形农来 研究增接材料与墓沐的 界面枯 给对复 合材料力学 洼能的 影喻。研完结 果丧明增初E一5 1基体在玻璃纤维麦面形成一层厚度均匀的 包复层。复合材

2、料的吹坏主要发生在包复层与墓体之朋,裂坟分枕多,。值高,而碳/增物E一石1中的碳纤维麦面汉有包复层,玻坏发生 在纤维_今墓体之简,要纹分枕少,层简剪切竣度与玻瑞纤维复合材料相近 而。遮很饭。本丈还对北 了增粉百一5 1墓休今F一46基体在 界面枯接 中的作用。研究结果丧明,用玻璃纤维与F一4 6复合,界面枯结 牢固,复合材抖的层 剪法度很高,G。建低。一、前.咨,户在复合材料界面研究 三)中指出,不同基体与曦扦维的界面枯结情况橄碳扦维表面处理程度加深而有所改善,但改善的幅度不一样,对复合材料性能的影晌也不一样。因此可以推侧如果使用的借强材料不同,杆维的表面抉态 和结构不同,与 基体的枯结必定会

3、有差异,当然也会影晌复合材料的性佬。为 此我们 用国产E一玻璃杆维和日本的T一30 0及其混声丈l蛤6年5月 1 0日收到.碳纤雄复合材料界面济究(一)、(二)见发空材料专刊第4卷第2期(19 8 4年1 2 月)2 4努杆维与扮韧E一5 1 基体制成复合材 料,通过力学性能酗试和断口形貌分析来研究扦维类替、混杂方式、界面钻结与复合材料力学性能之间的关系。海 了对比不鼠基体在界面钻结申所起的作甩,在炙验过程中还选 用F一4 6墓体与玻瑞杆崖 麒成复合材料,现察其破断 形魏与性健 的关某。二、材抖主要膝材料碳杆维:日本 东丽 公司生产的T一助仇袜 束中 单株数为3 0的根,扦维密度 力t.7 6

4、。玻玻扦淮:甫京坡琉杆维辞究院金产西百一妾礴,盼支牌瞪,甩分一挪处难。荃体材料.、户、1了、,尸电,工2魂Q配方一1配方二、。(二“、,、一竺三堑冬一一-一一塑一,一二土竺生一_一燮二三燮宜竺鲤一一三一一止垄燮整选一一一三一一淡基丁腊像胶一5;丙酮1邪一-一一-一-一一双 酥A;2 4!丙酮珊.性能滋试层臃剪 切强度:按国标口B335 7一日2测定。淡向拉 伸强度,按国标吞月33 5 4一韶侧定。弯海强度:按国标丑3 3泌一8 2 谢定。纵海冲击强度,在XCf一钓冲击试骇饥上测定。试件尺寸 为5 5又GxZ。,J。层间断裂韧性:用双悬臂梁注测定哈界能量释放李口。“之“。试件尺 寸 先2动x巧、

5、-、尹万、产、Z、工、矛r,11,1 件J月块工J2沈 脚急。成型工艺改璃杆 维或碳杆 维 复合材料:先将扦维 制成无纬布。无纬布经干操后进行迭合压斜。固化条件如下:压制 条件材固化温变配方一醚 方二即/2小时,1切/肋分12 0/之小时17 5/骊分加压点幼130压方10 kg/e沉11叻亨/e沉笼、器2)混杂轩维 复合材料(l)层混:由一 层碳杆维无纬布、一层 玻璃 杆维无纬布 交替铺敷而成。当铺到中 间层后,在坡璃杆维与 碳杆维无纬布的交界面 上沿 板块一侧嵌入一条聚四氟乙烯薄膜,制 成初蛤纹裂。在测 定。时,初始裂 纹将沿着玻璃扦维 和 碳杆维 层的交界面扩 展。(2束混:在 制备无纬

6、布时,将一极 碳杆维 和三 根玻璃 杆维混合成钎维束,在排布机上排成混杂杆维 的无纬布,然后迭合压制成板。三、结渝与针渝为 了比较 不 同增 强材料对性能的影响,在制 备各种舒维 复合材料时都使用增韧万一5 1仁为基体。但由于杆 维的表面状态不 同,虽然与同一种基体 复合,其界面粘结 情况和裂 纹扩 吴形貌 也都有 明显的差别。下面根据上述几种复合材料的层间剪切强度、横向拉 伸强度、纵 向冲击强度和层间断裂韧性,结合断口形貌对杆维 类型、界面 粘结情况与力学性 能三者之间的关系,进行初步的 分析与讨论。1.叹不同纤维复合材料的一 般力学性能1)弯 曲强度:由图1可知 不同扦维 复合材料的 弯曲

7、强度都比较接近,由于碳杆 维的位伸 强度略高于坡 璃舒维,所 以CF 尸尸的弯 曲强度一也略高。层混 杆 维复合材料的弯曲强度揍近G FR 尸。束 混复合材料却呈现微弱 的正混杂效应。但考虑到制 备工艺 和测试误差 的影响可以认为杆 维类 型与混 杂方式对弯 曲强 度 的影 响不大。2)层间剪切强度和横向拉伸强度:从 表1和图1的测试结果可知,不同杆维 复合材料的横向拉伸强度和层间剪切强度都比较接近。在 制备试件时我们控 制了试件的籽维体积百分含量在5 8.5%6 0.5%之间。又用金相显微投观察了各种试 件,共空队含量都很小。在这种条件下,各种120!O,30756 O4,3O气5O育育.脚

8、,i i i、灸灸灸灸灸灸灸灸灸灸灸带带之之之之之之之之乏乏乏充二二衍衍衍衍衍衍衍衍、吞吞驳驳驳驳驳驳驳驳、日日鳖鳖、日日日困11.GF 尸尸5.HFR尸吝神纤维复合材 料的 为学性能2.C F R 尸3.HFR 尸一34.hF R尸一2一16.去FR尸一17.1了FR 尸一2复合材料的层间剪 切强度和 横向拉伸强度接近 是 否能砂反映不同籽维 与基体 的界面钻结情况也相同。为此我 们用扫描 电授观察了玻琪轩维与碳杆维复合材料的层何剪 切 断口。(见图A一1,月一2,月一3)。发现两 者的粘结情况差另U很大。在FR尸中轩维表 面粘附着一层很薄的基体,好 像树皮包在树干表面一样。我汇 称之为包复

9、层(见图A一1,图月一9)C极_据优先吸附理论 可以认为这 是由于坡 璃杆维表面的处理 剂优先吸附未固化基体中某些组分后形成的。其性能与基体本身有一定的差异。由于包复层 与籽维粘结强度高,所以剪切破坏凤时发生在基体 内部和基体与包复层的界面上,使大 量基体变成碎块(见图A一1,_于一2)。杆维在碳复合材料的剪 坎断口中,碳杆维表 面没 有 包复现象,可以看到明显 的沟槽,这说叮、26表1各种纤维复合材料的力学性能勺之之一_一LL一L一一一一一一:”一.一”产-一、,资少 决士*份_,_,.,.一_!,一、杯马勺石了,之 JIJ了下Z J盗J.玉J,之 JJ_IJ.J为一止JJJ_,引矛J_弯曲

10、亏宣度平幼值11412 099标准澳差3.063.582.3410 11152.945.6 82,914.9 31261.301283。3 9左g厂”:脚弄来久气2.682.9 82.362.65散怜一黄句挂伸法览(左g/c胡么)正见工J了叮4 583954053 8 5.419二C二09标准 涣盖离散系数(%)平场值标准揍差离散关数3 7.75.03 2。337.08.2 31.267。98;20.1!_l5.22j389.0 7层 聋剪切法度(kg/eoZ)6 2 36096475976 09602二 91(%)厂I%)泥杂此(CF:F)6 6 6 0.0 0 05 9.0!50.25 4

11、.05 8.4 4 4!巧丫丫5 5 5 5 5 5 59.660.5 5 5一一一1.111.11.9 9 93.01.9 9 9*H尸尸尸夫示层泥纤 维复合材料人FR尸夫示束尾纤维复合廿料,二采用增匀万一5 1为 爸体基体与碳扦维界面粘结强度低,剪切破坏发生在墓体 内部和基体与杆维的 界面,导致大 量基体碎块残留在破断 面上。由于两 沓都是焦体破坏为主,所用基体相同,虽然界面粘结情 况不同但其层剪强度与 横拉强 度差别不大,并且与混 杂杆维 复合材 料的强度 相近。2.不 同纤维复合材料 的冲击韧性玻璃杆维、碳好 维及其混杂扦维复合材料的纵 向冲击强度仃明显的 差别。续测 试结果见表2与图

12、2。从图2可 以看出口FRP的冲击强度最高,C厂尸尸的冲 击强 度 晨泛,泥 杂新 维复合材料介j飞两 者之钊。复含材 料在冲击破坏过程吸收的 能 暴包括两部分2,一部分是开表2各种纤维复合材料的冲击强度诊礴g厂左刀CF 刀尸I IF 尸尸一3h尸尸 尸一3或河冲击强育寿g一。,。2319。143.966 0。0;6 3,62,944.6 25 9.01 25味准吴鉴有散共段%.42。942,111已n介J矛乌9咬.尸Q。-IJ内U.0111 二7勺一j少百砚朵北(CF:G尸)60.51.9产、介户始发生裂纹所需的 能量(拼),另一部分 是 裂纹扩展所需的能量(“,)。玻璃 杆维的强度虽然 小

13、于碳杆维,但由于其 断裂拉伸率高破坏时的形变大,因此需耍吸收较多的能量 才能 形成徽观尺 度 的破-坏,所以拜J t较大。在裂纹扩展过程中F R 尸的吸枯现象严重,杆维拔出较 多,吸收的 能 量多,产,也大,总 的冲击强 度高。C F R尸由 于碳扦维断裂延伸率低,脆性大,在高速受 力的情况下造成杆维断袅,断口界面段枯分层和杆维拔出少,冲击强度低。混 杂杆维 复合材料 中的裂纹在曦杆维部分扩展所需能量少,在玻璃 杆维部分扩展所需能 量多。HFR尸中坡璃杆维的分层现象较严重,hFR尸中2 5 O 翔1 5 01 0 05 0脂之。日:巴尸图2吝种纤维复合 材料的级向冲击法度玻璃轩维 束的拔出较

14、多,拨出 的长度也大,所以冲击强度介于GF夕尸与C F R 尸之间,呈现微弱的 正混杂效应。3.不同纤维复合材科的层间断狡栩性不 同杆维复合材料的层间断裂韧性与冲击韧性的 变化规律相同。其渊试结果见表3和图3。由图3可见FR尸的口值最高,C FR尸的C。值最低,混杂杆维复 合材料介于两 者之间。表3各种纤维复合材料的层网断裂甸性材料F R 尸cFR尸HFR 尸一“hFR 尸一“。(J/爪名)Fl(%)些贬丝1!一翌垫丝,一-卫丝全丝互卜迪丝立旦生卜竺生月一竺生一卜竺生一卜-竺-“001“901”84!”05在第一部分的 讨论中骨经指出,不同杆维 复合材料的层剪强度 没有明显的差异,但是从扫描电

15、盆上可以看出碳杆维 与玻确杆维和墓体 的界面枯结情况完圣不同。为了研究界面枯结对。的影晌,必需对 劈裘肠口形貌进行细微的观察与分析。为此对两 种试 件进行 了观察,一种是裂纹沿层间扩展的 劈裂平面断口,另一种是垂直于杆维轴的 截面(见图4)。用扫描电镜观察劈裂断口,发现玻瑞舒维和 碳杆维与 基体粘结的情况和破断形貌完全不同。GFR尸劈裂面的破坏有两种 形式,一种是杆维表面的包复层与 基 体间的 破 坏(见图A一4),玻璃杆维表 面枯附着一层厚度均匀的基体包复层,包复层与 杆维的钻结强 度较高,所以裂纹主耍沿包复层 与基体的界面扩展。包复层与 基体分离后残留在包复层表面的基体 很少。有些地方 由

16、于杆维脱出还在基体中留下直形的 凹 摘。当裂纹穿过基体扩展时,由于 基体中棣胶的堵韧作用提高了断裂表面能t令】。因此吸收的 能量多,G。值高。另一 种破坏形式是包复层与玻璐杆维的界面破坏(见图A一助。从图上可以看到在破坏处虽有玻瑞 杆维的表面显薄出来,但仍有较多的基体残留在杆维的表面。包复层破坏部分断口呈平滑的 曲 线 状态,具有韧性破坏的特征。后一种破坏 形式在断口中出 现的几率较小。CFR 尸的 破坏形式、28、O勺IOn3母C仁二O几8 0 07 0 0柳5 0 O榔3 O O,0 O1 O O舒逻、勺。D岛3吝 仲复合材料的图4劈矣续件l笃图层悲断 契勃挂主要是 基体 与籽维 的界面

17、破坏。在劈裂面 上可以清晰地看到碳杆维表面的构槽。残留在扦维表面的彗体较多,断口为不规则的折 线(见图 才一6,A一8)。杆 维 与墓体排由吸 胶产生的裂 纹沿两者界面平 直扩睦,籽维间的 基体有较多的朽。向裂纹(见图A一7)。这是山于唆扦 准模量高,好维与甚体 的模量差大,界面内应力大,在外力作用下 破坏了杆维与畜沐问钻今少形成的化学教和物 理键,因此裂纹的扩 展受 基体韧性 的影响小,。植低。混杂 开维艾 合 才料的 劈裂断口分另川呆持两 种杆准单独存在时的断口形貌。图只一9为束混新淮复介材料中沈璃 汗维部分斡断口,图才一1 0为碳扦维 部分的断口,共形 貌与图月一4图A一6完全泊月,闷而

18、共层间断裂韧性介于两者之间。共大,将垂直 于钎维轴 的截 面包埋在环氧树脂 中,用金相显微疑观察截面中 间裂纹的 形貌,虽然预 制的 初始裂纹 处于试件的 中平面上,但在扩展过程中,裂纹 总是从试 件巾最薄肠的郊分向前推进。因此裂纹井不是 沿试件的 中不面扩展。图口一1所 示的是C F刃 尸中的裂纹形貌,由图 可 见,不 但整个哭纹有较大的起伏 而且还有少量分枝,使碳 杆维戈敖地说离劈 熨面。G尸刀P中的裂纹分枝现 象较 载杆维多,_还有大量的攀银钎维狡离劈裂面,泥 余汗维 艾合 材料中裂纹扩展形貌介于两 者之 问。其中H尸R尸载面 中的裂纹 不是沿石炭新 淮咭友 漓 舒维交 界的 中平 面

19、向前扩展。其中大部分 在玻 璃籽维层中穿过,还有小部分在设 杆 维中 穿过(见图5)。当其 在玻璃轩维中通过时,裂纹在树脂中分 枝多,逆大值单失的匆簇伏的坡璃扦维脱 离劈裂面(见粼B一2)。脱 出舒维后的 基体表面 留一f很多半闷 形的凹槽(见图沙一3)口达一图 象与 电婉照势上基体 中的长形凹梢是一致的(见图才一1 里),因此从细 观的角度来看,裂纹通过玻璃杆维层的实际 断裂表面积远高 于 侧试时的计算面积,消耗的 能量 大。当裂纹在碳扦维中穿过时,由于 是界面破坏,裂纹分 枝少,只有少 量钎维成簇地投离劈裂面,基体上留下的半圆凹摺少(见图B一4)。所以其实际断裂表面积较低,消耗的能 量也较

20、少。层混复合材料同时象有上逮两了扭。瓦Interfa口份Ca:七姐夕lber匕ayer图5万FR尸劈裂截面奥、291、曰种裂纹扩展 形貌,其G。值介f两者之l司。束混 复 合材料 中裂纹扩民形貌与层混 相似(见图丑一5),但由 于裂纹穿过 碳扦维 部分几 窄较多,其。值也较低。4.以F一46为基体的玻璃纤维复合材料力学性能根据 以一上讨论,不 同增强材料与增韧E一5 1旅体复合时,由于界面 粘结 情况不 同,其公剪强度 虽 然相 近,但层间断裂韧性 相差很多。为了对界面钻结 与 力学性能的 关系进行更深入的探讨,选用另一种 芯 体(配 方二)与坡璃 杆维 复合测 定其 层间剪切强度,冲击韧 性

21、和。值。1)层问方切强度:用尸一4 6制备的F 尸尸层剪强变下均 旅为10 09寿g/。,2,离旋 系数为2.05%,比配方一高6 2%。通过扫描电绳观察,发现断口的杆 维之间粘附 青大 量基体(见图月一12)。些体的破坏有两种形态,一 种是 齿排形裂纹 将墓体分割成 很多碎块,这 些碎决仍牢固地粘附 在 扦维表面没有晚落(见图A一13)。呈现出与配方 一 断口(图卫一3,月一2)不同 的形态。另一种 是基体 内部有4 5向的折 线裂纹(图A一1 4)。根据 达两种破坏形貌可以认为F一46墓体 与杆维的粘结 是 牢固的,界面粘结强度高于垅体强度。由于F一仍毯体 的 脆性大,强度高,共层剪强度高

22、于增韧万一5 1。2)层间断裂韧性:用F一4 6 制备的FR尸的G。值为3 3 5)/。“。仅为配 方一的3 8.8%。用扫 描 电挽观察其断口形貌,基体 中有大量4 5向的裂纹和较多的 基体开裂 现象(图汪一1 5)。这是由于 基体 固化度温高,在界而区附 近产生较大的内 应力,内应力 引发的 微 裂纹之3二因界面 枯接强 度高 于基体强度而向墓体 中扩展。在 劈裂过 程中由于厂一4 6基体 脆性大,形成亚 临界扩展 区的宽度 小,断裂表面能 低,裂纹扩展速度快,G二值低。3)冲击强度:用F一46制备的尸R 尸的纵向冲击强 度为2 14kgc。沁。“。离散 系数为.2丫,与 配方一 的冲击强

23、度接近。其冲击断口发 白区域大,分层现 象多,可能是由于大量基体开裂吸收 能量多的原因。综合 以上的 研究和分析,复合材料 中组分性能、界面枯结强度 与力学性 能三 者之间的 关系是 很复杂的。不 同杆 维与 同一种基体或者 同一种杆维与 不 同基体 复 合,其 层剪 强度、冲击强度和G。值的 变化 没有简单的规律。舒维丧面状态和基体 性能都影响界面 粘结情况和断口形貌,不同的 断口形貌 得到 不同的力学性能。因 此在选 材 过程 中应充 分 考虑增强材料对界面枯结和 复合材 料性能的影响。四、结偷1.碳杆 维、玻璃杆维和混 杂杆维 与增韧E一5 1 基 体组 成的 复合材料,共层 剪、弯曲和

24、横向拉伸强 度比较 接近。纵 向冲击强 度和层间断裂韧性有明显的 差别,使用混 杂杆维 增强材料可以大 大改善碳杆维复合材料的韧性。2.用扫描电镜观察,增韧E一5 1基体与坡 璃舒 维复合时,基体在表 面形 成包 复层。裂纹主耍 在包复层与 基体中扩展,分枝多,层间断裂韧性高。增韧E一5 1 基体 与 碳杆维 复合时,裂纹主耍在杆维与墓体的界面扩展,分枝少,层间断裂韧性低。3.石一玻璃/F一4 6 复合材料中基体与杆维粘结牢固,破坏主 耍发生 在基 体中。i亥复合材料的 层间剪切强度此E一玻璃/增韧石一5 1高6 2%,。值只有后 者的3 9%。、3 0、4.不 同杆维和同 种 华沐或同种籽维

25、与 不 同基体 制成 的复合材料,界面枯结情况都不一样。在各 种 受力 条件下 得到的断口形貌和 力学性能也不同。在选材过程中应十分注 政增强材料对界面钻结和 复合材料 力学性能的影响。.里(、硬一1)E一玻稿嗜彰百一5 1复困(月一2)同(_4一1)全材契二背剪 切断口困(月一3)T一3 0田育勃百一5 1复合材料层背剪 切断口图(左一4)万一玻 璃/才墩:E一5 1复合 材抖劈裂一二面月(月一5)同(_理一4)国(A一6)T一3 00/增勒百一砚 复 合材料劈 裂平面3 1、男(月一城)飞或竺翰诚蘑司(月一6)(局部放布)匀(A一9)束混纤推复合材料 劈裂平面(万一对漓部分)同J4一9)(

26、T-3 0 0部分)心(A一l】)层汲纤维复合材料劈裂平面纤维脱出后 留在基体七的刃增)困(月J一,2)石种 魂,卢层简剪切断口46复合材料3J、男(月一城)飞或竺翰诚蘑司(月一6)(局部放布)匀(A一9)束混纤推复合材料 劈裂平面(万一对漓部分)同J4一9)(T-3 0 0部分)心(A一l】)层汲纤维复合材料劈裂平面纤维脱出后 留在基体七的刃增)困(月J一,2)石种 魂,卢层简剪切断口46复合材料3J、图B一3同B一2。x400图B一4同B一2(T一3 00部分)X400图B一5柬泥纤雄复合材料劈裂截面。x40 0.,文狱c 1金禾方等“复合材料界面的研究(三)树脂墓体对界面枯 结和单向复合

27、材料力学怪能的影响”,第三居全国复合材料学术文集第一册(杭州),1984年1 0月。2n.F.ne,itt,et.al.,人Methodro rDeteroiningtheM记e1Delamioatio nFr aotu r。T加ghn e s sofElastiean1Visoo elastieeom砂,itoMaterials,J.orcomP O.iteMate ri al,V贝._14(1980)。3B.D.Aga r,al,L.J.Bro utoan,An alyois。ndP erforoaneeorFibe:eooPooit。,Johowile了&son sIne.(1980).

28、t4 再蕊然等,“复合材料用环氧树脂的勒化(五)一增勒执理的 探针”,复合材料学报,Vol.2,No.3(1985).t51R.A.K 一in。,F.H.e h。ng,eom钾51*。Failu:esu:ra eeAoalysis,口J.ofcom妙siteMaterial。,Vol.14,(1980).、34、E1lorstei:产,a一1 Ki*511,ger,n lot,伍15,wo re、,sedto一,ro ce*5.lyn amieD SC.lotafor一!laraet。卜121一、9tl、eou ri:19rea otivit萝orthekill“ticP、r ametors,

29、uohasoveralla“tiv ationo no rgvE,e a otio:10:d。rn,:ot。l:e:ctio n!、e otJI,f u ri,:gr ejetio,、cxte:lta,。,、一:eaotio。ti,n。t.L1lo rotoi,、产,一:一 etho d、a,aPPliedtoathor。gh,lifrer e:一tial一integr ala:一alyoi,O f、i:,g leDSC。:r、毛toe、。luatethek inetieparametersandKi,singer产,meth叼tomultip leDSCob之;i:一 edat、a rio

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