单丝拔出实验表征碳纤维增强水泥复合材料的界面.pdf

《单丝拔出实验表征碳纤维增强水泥复合材料的界面.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单丝拔出实验表征碳纤维增强水泥复合材料的界面.pdf（5页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第 3期 2 1 9 9 5 年 9月 纤 维 复 合 材 F日 ER CO拍 POSI TES No 3 1 99 5 C F R C研究，一 单丝拔出实验表征碳纤维增强水泥 复合材料的界面 郭垒 贵岳秀珍 安邦刘 朗 _一(中 国 科 学 院 山 西 煤 炭 化 学 研 究 所)更 掘、l 7 0提 要 界 面 对 碳 纤 维 增 强 水 泥 复 台 善 r 料 性能 起 着 非 常 重 要的 作 用 本 文 用 单 丝 拔 出 的 实 验 方 法来评价复台材料的界面通过实验分析 了纤维拔出过程的能置吸收机制，对界面参数如界面结 台强度 临界长度、界面破坏髓和拔 出功 以丑界面摩接 系数进

2、行表征，并 讨论了髟 响这些参数的因 素 最后对控制复台材料 的界 面提出建议 关键 词 单丝拔出实验碳纤维增强东泥复台材料界面 BSTRCT I nt e r f a c e i s g r e a t i m po r t a nce t o t he pr o pe r t i e s o f c a r bo n fibe r r e i nf o r ced ce m e nt c o m p o s i t e s I n t hi s p a p e r，t he i nt e r r a c e o f o o m p os Re s ev a l uat e d t hr o

3、 ugh a s ingl e f i b e r pu b-o ut t e s t，t he e ne r g y a b s o r pt i o n m e c ha ni s m du r mg f i b e r p ul l out盈 a na l yz e d in t he t e s t I ut e r f a cL l pa r a met e r s s u c h a s b o nd s t r e ngt h-c r i t i c a l l e ngt hf a i l-nr e e n er gy，D uU out wo r k a nd f r i c

4、t i o n e f f e nt s a l e c ha r ac t e r i z e dThe f a c t o r s af f e ct i ng t hes e p ar a n t e t e r s a r e a l s o disc u s s e d，an d s u gg e s t i o ns 0 1 1 t he c o nt r o l o f in t e r r a c e o f c o m po s i t e s a r e m a de f i na l l y 一、引 言 碳纤维增强水泥复台材料(c a r b o n抽r e r e in

5、 f o r c e d c e me n t c o m p o s it e)，以下简称 C F R Ct 是 近 些年发展 迅速 的一种复 合材料c n 水泥基体是脆性 的，具有 高的抗压强度，但是 抗拉强度差，抗 裂纹破坏 能 力弱 通 过 碳纤维朴强 极大地提高 了水 泥材料 的抗 拉强度和抗 弯性 能，韧 性增 加明显 这是 因为在 碳纤 维和水泥 界面结合 良好 的情况下，高强度和 高模 置的碳纤维有效 地阻 止了裂 纹 的扩展，在 复台 材料受 载时，基体通过 界面将 载荷 传递 给碳纤 维，从 而使 得碳纤 维成 为拉伸载荷的主要承受者，由于纤维的拔出或断裂吸收了大量的能量，

6、复台材料毒现出很好的 力学性能因此，研究和采取措旖控材复合材料的界面是获得良好 力学性能 C F P C的一个有 效手段 表 征纤维增强复合材料界面的方法有：碎片法(f r a g me n t a t i o n t e s t)、探针顶出法(mi c r o in-t e n d a t i o n t e s t)、单丝拔 出法(a s i n g l e fi b r e p u l l-o u t t e s t)单 丝拔出法简便 易行，结果 可靠，并 维普资讯 http:/ 3 期 韩叠贵荨 单熊拄出实验表征碳纤堆增强水泥复合材料的界面 3 且可以获得许多有关界面参数的信息，如界面

7、结合强度、纤维 临界长度、界面破坏能和纤维拔 出功、界面摩擦系数等 本文通过单丝拔 出实验分析了纤维拔出过程 中能量吸收机理，表征了 C F R C界面参数，讨论了影响各界面参数的因素，并对控嗣复合材料的界面提出建议。二 实验部分 1 原料 水泥：山西太原化肥厂水泥浆分厂 4 2 5 号硅酸盐水泥 I 碳，矸维 P AN基碳丝，性能见表 1 衰 1 碳圩维性能 I直 径 抗 拉 强 度 抗 张 模 量 断 裂 伸 长 峦 鹿 7 u m 3 O 0 P-2 a f 1 6 1 7 8 g o n 2 仪 器 纤维电子 拉力仪 YO0 0 1 A，江苏太仓纺织仪器厂 I 光学 显微 镜 3 实验

8、过程 田 1 单丝拔出试件形状 L l S mm。Lf-3 mm 将水泥、抄子、水按 1 0 0 t 5 0 d 0 的配比混合成均匀砂浆，填入作好的模具中，将单根短丝(长约 2 0 m m)k 水泥砂浆中(埋入长度 l S mm)，作成试件，试件如图 l 所示。1 天后脱模，在室温 2 0 C，6 0 a ll下放置 7 天，然后在纤维拉力仪上进行单丝拔出实验，并用显徽镜测单 丝 的直径 三、实验结果与讨论 l-单丝拔出实验的应力一应变曲线 如图 2所示，可明显看出，曲线分为三个 阶段 I 线性增长阶段；在此过程 中 纤维受到拉伸载荷的 作用，应 力 一应变 呈弹性变化，直到 载荷达 到 F

9、。I 回落和振荡阶段；载荷达到 F。时，纤维和水泥基体河 物理吸附形成的结合键开始解离 直至键全部解离 这 时 t 由 于 拉 紧 的 纤 维突 然 放 松，载荷 有 明显 的 回 落，随后 出现的振荡阶段，是从键破坏过程转变 到纤 维拔出时，由于歼维和基体 河存在粘 阻和滑动而共 同作用的结果 一矸维拔出阶段 J 此后受载的野维在 一定的摩擦阻力下被拔出来 2 钎缝拔出过程中的能量吸收机理 位咎x 田 2 单熊拄出实验直力一应变曲线 维普资讯 http:/“奸I|复合材料 1 9 9 5 年 纤维增强水泥基体的主要作用在于当基体受载时，通过界面将载荷传递 给纤维，由于纤维 在受载时被拔出或断

10、裂，吸收了大量的能量，阻止了裂纹的进一步扩展纤维拔出过程中主要 吸收了两部分能量 界面破坏能 o(相当于纤维贮存的弹性能)及纤维的拔出功 w 界 面破坏 能 t o一 e 2 (1)、e-分别为第 1阶段纤维最终的应力和应变 应力一应变曲线第 1 阶段所包古的面积代表界 面 破坏 能 r r l 纤维拔出功t w=J F d x 暑J o 2 m (1 一x)d x 篁 r 1。3 (2)为界面摩擦剪切强度应力一应变曲线第 1 阶段所包含的面积代表了纤维的拔出功 综上所述，应力一应变 曲线的形状就代表复合材料的韧性，曲线所包古 的面积越大，纤维 所吸收的能量就越多 从而对复合材料韧性的贡献就越

11、大 3 界 面参 数的表征(1)界面结合强度 纤维复合材料的性能除与基体、纤维的性能有关外 另一个重要的因素就是复合材料的界 面界面结合的好坏 往往在一定程度上决定 了复合材料的力学性能 r r 对于纤维拔出过程t J d F 一J 2 r t d x 一F-(2 L)(3)寰 2 界面结合量度随纤维长度的变化 奸堆长度 L(m m)拔出力 F ()界面结合强度 T(MF a)1 1 6 t 2 4l ：L 9 1 吼 l 2 1 3 土 8 1 2 5 1 7 B 1 1 9 1 4 5 O 1 丘 O 1 2O 应指出，根据(3)式所求得的界面结合强度 只是梧纤维长度方向的平均值这是因为应

12、 用(3)式的前提条件是载荷梧纤维长度方 向均匀分布 而实际上纤维长度方向载荷的分布受基 体和纤维 的性质 以及 界面的影响是 不均 匀的 表 2列出 了埋人 不同长度纤维 情况 下的界面 结合 强度 值 可以用 C o x的剪切套理论 来解释载荷的分布情况这个理论是候设由纤维承受全部的 拉伸载荷，而由基体全部承受剪切载荷图 3 给出了界面处的拉伸应力和剪切应力的分布情 况 图 3 中 L t 定义为纤维承受载荷的有效长度，纤维长度超出 L|的部分定义为非有效长度，因为长度虽增加，但不再承受更大的拉伸载荷 从图 3 可看到载荷沿纤维长度方向的分布是不 均 匀 的，而且 当纤维 的埋人 长度 L

13、 大 于 L】时 根据(3 式所计算 的界面结合强度就会 偏小 因 此，埋人长 度越小，所得 的界面 强度 就越大，当 L 趋于零 时，可得最大的界面结合 强度 t 一 根据表 2 中的 和 L值作图，可得一条直线，如图 d 所示 这是符合 C o x的剪切套理论的 维普资讯 http:/ s 期 郭全贵菩 泥复舍材料的再面 拈 外推 L O 时，可得 t 一 一2 7 0 MP a 图 3 界面址应力的分布情况 田 f 随纤维埋 长窿的变化(2)牡界 长度 L。在制作 F R c时，碳纤维的长度影响复合材料 的失效方式，这可用图 5 来解释垂直于裂缝方向的 纤 维，可以最有效地阻止裂纹的扩展

14、。在这种情况&下，纤维在裂缝处架成桥 由于纤维 的拉仲及纤维吸I 收破坏能，从而造成裂缝两边键的破坏纤维嵌入长 度 L 是 指从 裂缝表面到纤 维末 端的长度 根 据 L 的 维普资讯 http:/ 圩维复古材辩 1 9 9 5 燕 图 6中 b、c两种情况 衰 3 界面破坏能和拔出功 圩维长度L(m m)羿西 n 菠 坏能(1 0 一 r J)拔出功w(】0=J)】卫 2 6 】9】B 0 置 B 2札 2 9】J 1 4卫 5 5 札 9 0 5卫 5 B 卫 5 田 6 I f 对应力一应变曲线的髟响 臣 7 f I 与 P Q 的关景 如果对 和 P。作图。就可得到条直线(见图 7)，

15、直线的斜率代表界面摩擦系数 受纤 维和基体界面间的粗糙程度、纤维形状和取向等因素影响采取措施提高摩擦系数，是增加 C F R C韧性的个重要手段 据报导，采用高压釜养生工艺(1 8 o c，l O 个大气压)制作的 C F R Ct 具有非 常好的抗弯、抗压性能。分析其原因，可能是在高温高压下，基体密实化，基体收缩压较大，并且提高了摩擦 系数值的原因 四、结 语 单丝拔出实验是表征 C F R C界面的一个非常有效的手段，它可以获得 许多有关界面参数 的信息 表征这些参数，并分析影响这些参数的因索，就可以采取有效的措施控制这些参数，并 获得好的界面，最终得到 优 良力学性 能的 C F RC 参 考 文 献 郭垒赍等 新型碳材料 1 9 9 5 】6-1 2 c Y YUE，J Ma t e rS 盯(】4)M 4 3-3 8 5 5 M LP I TKE I ,Y，c o mI 赴 瞎，2 1(5)，3 8 冒 一曲 5 A P o HI BB E RT m口 o B n 酋，Z 3(Z)】0 5-1 1 1 0 E Y LB UNGo咖 峭 i t 坤 2 1()，3 0 5-3 1 7 日本幕i 论 司研宽中心 9 0 年代高级复合材料新进展 1 9 8 9，8 1-8 9 维普资讯 http:/