复合材料界面3.ppt

 复合材料界面与设计   秦岩 2009年11月 复合材料界面分析表征提 纲 一、界面浸润性分析 界面浸润性理论认为，浸润是形成复合材料界面基本条件之一，完全浸润则界面的结合强度超过基体的内聚能。 液体树脂对纤维的浸润好坏直接关系两相的结合界面。 纤维的表面处理，表面物理化学变化都会使其表面浸润性能发生改变。 纤维的表面浸润性主要通过接触角和表面能来表征。 1、纤维对液体接触角测定 单丝浸润力法 用电子天平测试纤维脱离液面瞬间表面张力变化ΔP， ΔP＝2лr σl cosθ 可求出接触角θ 互不相溶液体界面张力与接触角 用铂金作纤维，则液体完全润湿纤维，有 ΔP＝2лr σl1/L2 测定ΔP可求出界面张力σl1/L2. 其他增强纤维与界面间存在接触角， θ l1/L2. ΔP＝2лr cosθ σl1/L2 根据以上方法测定的σl1/L2.，可求出θ l1/L2. 。 毛细浸润法 在塑料管中填充一束纤维，填充率ξ＝0.47-0.53,使纤维束与液面接触，因毛细现象，液体沿纤维孔隙上升，用电子天平测出增加质量m随时间t变化，通过流体力学分析可求出接触角θ。 2、增强纤维的表面张力 Good-Girfalco 理论 用一种已知表面张力液体测定对纤维的接触角，可以按公式求出纤维的表面张力，但必须知道纤维对液体相互作用参数Φ 几何平均法 用两种已知表面张力σL及其分量σL d σLp 分别测定其对纤维的接触角，则由几何平均法的联解方程，求出σs及其分量σsd σsp 调和平均法 根据以上条件，可用调和评价法求出纤维表面张力及其分量。 临界表面张力 用一系列已知表面张力的同系液体，测定其对纤维表面的接触角θ，以cos θ对σLv进行Zisman作图，得一条直线，由此直线与cos θ＝1交点的横坐标，求得纤维得临界表面张力σc 状态方程 以一系列已知得测试液测定其对纤维表面的接触角，按上式可求出相应的 ，已对 作图，可得曲线 ，该曲线上得最大值即为固体的表面张力。 二、增强纤维表面形貌分析表征 纤维表面处理额目的是为了增加表面的结合性能； 表面处理：物理方法、化学方法处理表面都会产生形貌变化。 表面处理效果以及形貌变化主要通过电镜表征： 透射电子显微镜 TEM 扫描隧道显微镜 STM 分析电子显微镜 AFM 扫描电子显微镜 SEM 1、纤维表面处理形态表征 2、纤维表面接枝聚合物形态 碳纤维接枝 3、复合材料界面状态 复合材料界面SEM图 三、增强纤维表面化学分析表征 1、XPS X射线光电子能谱是测量材料表面化学组成的有效工具，可以定性测量元素存在，可以根据谱线强弱测定元素含量。以及官能团含量。  2、红外光谱 3、紫外光谱研究 4、核磁共振法 5、原子发射光谱研究 6、化学分析和热分析 四、复合材料界面力学性能表征 界面残余应力 单丝拔脱实验法 临界纤维长度实验法 界面粘结能测试 层间剪切强度 动态力学分析 微量冲击分析 1、界面残余应力 2、单丝拔脱实验法 单丝拨脱试验是将增强纤维单丝垂直埋人基体之中，然后将单丝从基体中拔出、测定纤维拔脱的应力，从而求出纤维与基体间的界面剪切强度。显然，拔出力随埋人深度而增大,达到临界长度Lc时，拔出纤维所需的应力等于纤维的拉伸强度。 ， 4、临界纤维长度试验法 将单丝纤维埋人基体制成哑铃状试样，拉伸使纤维断裂成一段段的残片，测量残片长度，可得到残片的长度分布图，统计出残片平均长度L，临界纤维长度Lc与平均长度L的关系为：  5、界面粘接能测试法 在试样中埋人纤维单丝，试样尺寸30mm×10mm×10mm，试样中间开一直径1.5MM小孔，使小孔穿过纤维。对试样施加压应力，由于纤维与基体压缩模量不同，界面产生剪应力，载荷足够大时，纤维在小孔端点脱粘，此时粘结能G为： 6、层间剪切强度 压剪法 可参见GB1450.1—83，对试样施加均匀连续的剪应力，直至破坏。层间剪切强度可按下式计算： 短梁弯曲法 参见GB3357—82 ASTM D2544—84装置示意如图,连续加载至试样破坏，记录最大载荷值及试样破坏形式。层间剪切强度按下式 计算： 7、动态力学分析 动态力学分析用于对复合材料界面结合的评估，也是一种发展动向。 在基体的玻璃化转变温度之上将会出现一个与界面结合有关的损耗峰，见图中的b、 b1、 b2如果碳纤维未经处理，则该损耗峰就不会出现，除非纤维的排列方向完全一致，而且与应力的作用方向也必须完全相同。 8、微量冲击分析 微量冲击分析是一种以一定速度对