玻璃纤维增强聚丙烯复合材料界面结合的研究 1. 界面剪切强度

利用单丝临界断裂长度法研究了玻璃纤维(GF) 与聚丙烯(PP) 的界面结合, 发现在纤维 与基体均未作任何处理以前, PP 与GF 的界面剪切强度( ISS) 只有2. 75M Pa。在GF 经偶联剂处 理情况下, 若在PP 中加入0. 3% 不饱和芳香酰亚胺, ISS 增至4. 42M Pa 提高60%。酸酐改性PP 的使用, 可使ISS 达9. 20M Pa, 提高233. 9%。这一方法不仅可以准确判断PP 与GF 界面结合的 优劣, 而且可以为最终的复合材料设计提供可靠依据。      

基于PVA纤维-基体界面性能分析水泥基材料的弯曲性能

通过调整水胶比形成三种配比的聚乙烯醇纤维增强水泥基材料(PFRCC),应用单纤维拔出试验测定了PVA纤维-水泥基体界面参数(化学脱粘能Gd和摩擦粘结强度τ0),发现水胶比增加,界面性能参数Gd、τ0均降低;应用三点弯曲试验获得了材料的弯曲韧度和强度,基于PVA纤维-基体界面性能分析,并结合断裂面处PVA纤维宏观影像和微观的扫描电镜(SEM)影像,研究了界面性能对材料弯曲性能的影响。结果表明:低水胶比下由于裂缝处高的应力和界面处纤维与水泥基体高的化学粘结力使大量桥接裂缝的纤维瞬间断裂而失效,导致材料的弯曲韧度和从开裂到弯曲材料强度的增幅较小;中水胶比下裂缝处纤维脱粘后滑动并受摩擦粘结强度作用被严重刮削;高水胶比下裂缝处大量纤维由于界面处低的化学粘结力被拔出,而且拔出的纤维在滑动过程中由于低的摩擦粘结强度被轻微刮削,故桥接裂缝的纤维经历长的滑动,宏观上呈现出高的弯曲挠度特征,因而材料的弯曲韧度和强度的增加幅度显著提高。     

界面脱粘对正交铺设SiC/CAS复合材料基体开裂的影响

采用细观力学方法研究了正交铺设SiC/CAS复合材料在单轴拉伸载荷作用下界面脱粘对基体开裂的影响。采用断裂力学界面脱粘准则确定了0°铺层纤维/基体界面脱粘长度, 结合能量平衡法得到了主裂纹且纤维/基体界面发生脱粘(即模式3)和次裂纹且纤维/基体界面发生脱粘(即模式5)的临界开裂应力, 讨论了纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能对基体开裂应力的影响。结果表明, 模式3和模式5的基体开裂应力随纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能的增加而增加。将这一结果与Chiang考虑界面脱粘对单向纤维增强陶瓷基复合材料初始基体开裂影响的试验研究结果进行对比表明, 该变化趋势与单向SiC增强玻璃陶瓷基复合材料的试验研究结果一致。     

PP/GF复合材料横晶结构对界面剪切强度的影响EI

利用单纤维断裂实验方法 ,测试了聚丙烯 (PP) /玻璃纤维 (GF)单纤维复合材料的界面剪切强度 ,研究了 PP/GF单纤维复合材料体系中 ,横晶结构对界面剪切强度的影响。结果表明 ,随着横晶结构的完善 ,界面剪切强度下降 ,当结晶时间较长时 (如长于 10 m in) ,存在横晶结构试样的界面剪切强度下降的幅度大于不存在横晶结构的试样 。     

纤维与基体界面剪切强度研究

采用微脱粘法,在改装的光学显微镜下测得复合材料单根纤维与基体界面发生微脱粘时的微脱粘力。在建立单根纤维—基体—复合材料的层套细观力学模型基础上,依据复合材料最大应力失效判据,使用自行设计的专门有限元分析程序,对已发生微脱粘界面进行分析,从而得到单根纤维与基体界面剪切强度。      

玻璃纤维增强聚丙烯的动态粘弹行为及其界面

本文研究了PP及GFRPP的动态粘弹谱(110、35、11Hz).结果表明,GF的加入尽管提高了PP的[E]值,但影响了PP的结晶;PP中含GF量适当时,可以形成致密界面层.此时,材料的密度和[E]值最大.界面层的内耗峰(α'-峰)强烈地依赖于频率和纤维含量,在形成致密界面层时,最易显示出来;α'转变的活化能也高于α转变的活化能.     

短纤维增强橡胶密封复合材料界面疲劳损伤行为

依据广义自洽方法,建立了包含芳纶纤维、界面相、橡胶基体和等效介质的代表性体积单元(RVE)模型。采用自定义材料子程序对内聚力疲劳累积损伤模型进行编译,分别在基体/界面相的界面和纤维/界面相的界面设置内聚力单元,研究界面相性能参数对纤维增强橡胶密封复合材料(SFRC)界面疲劳损伤行为的影响。探讨了界面相厚度和模量的确定方法,获得了不同界面相厚度和模量下SFRC界面脱粘起始位置以及脱粘起始疲劳次数。结果表明,较低的界面相模量能够抑制界面脱粘的产生;随着界面相厚度的增加,界面脱粘的起始疲劳次数增加,SFRC抗疲劳损伤能力得到提高。     

界面对纤维增强陶瓷基复合材料拉伸性能的影响

建立了桥联纤维细观力学模型, 研究了界面对纤维增强陶瓷基复合材料拉伸模量及强度的影响。分别引入纤维应力均匀系数和界面脱粘率作为界面完全脱粘和局部脱粘条件下界面性能的表征参数。研究表明, 应力均匀系数及界面脱粘率越大, 材料模量越低, 而断裂时纤维所承担的应力越高。基于混合率给出了拉伸强度表达式, 同时也分析了基体裂纹分布、界面脱粘和纤维拔出对强度的影响。计算结果表明, 本文强度模型给出的预测值与试验值吻合较好。      

连续纤维增强PPESK树脂基复合材料的界面性能

用SEM观察了复合材料的微观断面结构,用横向拉伸强度和层间剪切强度表征玻璃纤维(GF)、T700碳纤维(CF)、芳纶纤维(F-12)增强PPESK树脂基复合材料的界面性能,研究了界面性能对三种复合材料耐湿热性能的影响.结果表明,T700/PPESK和F-12/PPESK复合材料的界面粘接性能均优于GF/PPESK复合体系.三种纤维复合材料的破坏机理不同:玻璃纤维发生纤维与树脂的界面脱粘破坏,碳纤维复合材料在破坏时,树脂与纤维并没有完全脱粘,破坏发生在树脂内;而芳纶纤维复合材料的破坏总伴随着纤维本身横向的撕裂破坏.三种复合材料体系均具有较低的吸湿率和良好的耐湿热性能,T700/PPESK复合材料在湿热条件下的性能保持率最高.     

碳/铝复合材料的冲击性能研究

研究了碳/铝复合材料在不同的界面结合状态下的冲击性能。用真空热处理的方法和室温至450℃温度范围内热循环的方法改变界面的结合状态。发现界面结合增强,冲击能量下降,界面结合松驰,冲击能量提高。用扫描电镜观察了试样的冲击断口的形貌,发现基体变形、纤维拨出、基体和纤维脱粘、脱粘造成的界面摩擦等是冲击能量吸收的几种方式。      

聚丙烯与玻璃纤维界面结晶行为的研究

通过偏光显微镜研究了不同组成聚丙烯与不同表面线玻璃纤维界面上结晶形态的变化。在玻纤采用含胺硅烷联剂处理,基体ＰＰ中加入酸酐类改性聚丙烯时,由于界面上化学键结合及冷缩产生界面应力的作用,从而导致在通常物理结合和弱化学键结合情况下不能产生的横晶出现。通过广角Ｘ射一衍射 现,ＭＰＰ的加入虽然使ＰＰ的结晶度有所提高,但却未改变其晶型。     

纤维/聚合物基体界面性能的原位表征

建立了复合材料界面强度原位测试系统,研制出界面剪切强度有限元分析软件并探讨了影响界面剪应力分析的因素,提出了改进的微观力学模型;利用该系统,研究了表面经不同改性处理的CF增强PMR-15聚酰亚胺复合材料界面的微观力学性能,结果表明:有效的表面处理可使CF/PMR-15界面剪切强度明显提高,并与其宏观性能具有较好的对应趋势。本文还初步探讨了界面破坏的过程。     

纤维／聚合物基体界面性能的原位表征

建立了复合材料界面强度原位测试系统，研制出界面剪切强度有限元分析软件并探讨了影响界面剪应力分析的因素，提出了改进的微观力学模型；利用该系统，研究了表面经不同改性处理的ＣＦ增强ＰＭＲ—１５聚酰亚胺复合材料界面的微观力学性能，结果表明：有效的表面处理可使ＣＦ／ＰＭＲ—１５界面剪切强度明显提高，并与其宏观性能具有较好的对应趋势。本文还初步探讨了界面破坏的过程。     

纤维涂层法制备SiCf/Cu复合材料及其性能分析

为研究纤维涂层法制备SiCf/Cu复合材料的性能特点,通过磁控溅射法先后将Ti6Al4V界面改性层和基体Cu涂层涂覆到SiC纤维表面,并通过真空热压法将被涂覆的纤维制备成SiCf/Cu复合材料.对Ti6Al4V涂层、Cu涂层以及复合材料进行了微观分析,并测试了复合材料的拉伸强度.研究表明,复合材料的Cu基体由致密而细小的晶粒组成;Ti6Al4V提高了纤维/基体界面结合强度,复合材料轴向抗拉强度高达500 MPa,界面脱粘主要发生在纤维表面的碳涂层与纤维之间.     

聚乙烯醇交联改性对天然纤维增强聚丙烯复合材料性能的影响

采用聚乙烯醇(PVA)交联对洋麻(KF)增强聚丙烯(PP)、棕榈(PF)增强聚丙烯(PP)复合材料进行改性,通过模压成型工艺制备KF/PP和PF/PP复合材料。研究不同交联方法对复合材料的结构和性能的影响,采用SEM、DMA等技术研究了改性对复合材料的界面结合及力学性能影响。结果表明:PVA协同偶联剂交联改性对天然纤维/PP复合材料的综合改性效果最好,当用5%PVA+3%偶联剂对KF/PP改性时,KF/PP复合材料的弯曲强度提升25.2%,弯曲模量提升35.49%,剪切强度提升28%,分别达到了50.90 MPa、5.76 GPa、5.4MPa。当用5%PVA+2%偶联剂对PF/PP改性时,PF/PP复合材料的弯曲强度提升31.46%,弯曲模量提升27.07%,剪切强度提升21.75%,分别达到44.33MPa、2.32GPa、5.18MPa。改性后KF/PP、PF/PP复合材料的含水率分别下降了46.89%、10.63%,吸水率分别下降了8.57%、6.12%。KF/PP改性后储能模量提高20.93%,PF/PP改性后Tg值由90.1℃上升到113.8℃。SEM表明:PVA协同偶联剂交联改性有效改善了纤维与PP间的粘结,纤维与PP间的界面结合得到改善。     

玻璃纤维增强PP性能、界面及基体晶态研究

本文通过扫描电镜、红外光谱、偏光显微、DSC分析和材料力学性能试验等方法考察了PP/玻纤的界面粘结性与其材料性能及基体结晶的关系.结果表明:在材料复合过程中加入的界面反应性试剂及其与PP接枝而形成的接枝物可与玻纤表面及其硅烷发生化学作用,促使玻纤表面树脂包覆层的形成,从而显着提高复合材料的界面粘结强度及其力学性能;复合材料试样成型过程中,因树脂冷却收缩而产生的界面应力可应变诱导玻纤周围基体树脂的结晶,促使其结晶形态和结晶度产生显着变化;而复合材料的界面粘结强度则是产生应变诱导作用和控制异相结晶的关键.     

玻璃纤维增强HDPE的性能及界面研究

通过扫描电镜观察、红外光谱分析及材料力学性能试验等方法考察了不同界面粘结形式下玻璃纤维增强HDPE的力学性能及其与界面粘结性的关系。结果表明,复合过程中加入的界面反应性试剂及其与HDPE接枝而形成的接枝物可与玻纤表面及其硅烷发生化学作用或交(?),从而显著提高复合材料的界面粘结强度及其力学性能。     

Mechanical properties and toughening mechanisms of polypropylene/barium sulfate composites

The effect of interfacial interaction on the mechanical performance of a group of polypropylene (PP)/barium sulfate (BaSO₄) composites were studied. It was found that PP can be toughened with specially treated BaSO₄ particles. The interfacial modification contributes to the toughening in two aspects. The first is to provide a proper interfacial adhesion and control the interfacial debonding occurs at well-timed stages. This ensures the inorganic particles transfer the stress and stabilizes the cracks at the initial stage of the deformation, and satisfy the stress conditions for plastic deformation of matrix ligaments subsequently via debonding. The second is that the modified interface between PP matrix and filler particles increases the nucleating ability of the fillers and retards the motion of the PP chains. This leads to the formation of PP crystals with less perfection and smaller size in the matrix and promotes plastic deformation of the matrix after the debonding occurs.     

Measurement of stress relaxation in broken fibers embedded in epoxy using Raman spectroscopy

Raman spectroscopy was used to study the stress relaxation in broken fibers in a unidirectional composite. A single-fiber model composite consisting of a high modulus PAN-based carbon fiber and an epoxy resin matrix was loaded incrementally until the fiber got broken.Then the stress profile in the broken fiber was monitored under constant overall strain for 1000 hours by determining fiber stress through the stress dependence of the 2700 cm–1 Raman band peak position. Three experiments were done at different overall strains.It was observed that the stress profile in each broken fiber changed only a little even after 1000 hours whereas matrix normal stress in the fiber direction relaxed to about a quarter of the initial value in about 200 hours. It is shown that this result does not support linear viscoelastic solutions based on perfect bonding at interface since the present experiments had interfacial debonding and matrix shear yielding around fiber breaks.