高性能有机纤维单丝复合体系界面粘结性能实验研究

采用单丝复合体系多次断裂法,通过对纤维单丝断点数的统计及其断点形貌的分析,考察了PBO纤维、芳纶Twaron纤维、超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)3种高性能有机纤维与韧性环氧基体的界面剪切强度;并对比考察了界面剪切强度与对应复合材料单向板层间剪切强度之间的关系;结合XPS、SEM等手段分析了有机纤维表面物理化学特性对界面剪切强度的影响。结果表明,Twaron/环氧的界面剪切强度高于PBO/环氧,UHMWPE/环氧的界面粘结弱,该方法不能测试;上述体系界面剪切强度与对应的复合材料单向板层间剪切强度变化趋势是一致的;表面化学活性高的纤维对应的界面剪切强度高。     

SiC纤维／LCMAS微晶玻璃基复合材料的界面结合和力学性能

本工作通过在母体玻璃中引入ＭｇＯ后进行热处理得到一系列具有不同热膨胀系数的微晶玻璃．ＳｉＣ纤维／ＬＣＭＡＳ微晶玻璃基复合材料在烧结条件下，在纤维和基体间形成一厚度约为２μｍ的界面层．纤维、基体间的界面剪切应力通过单根纤维压出法测试，发现纤维、基体间的界面剪切强度对复合材料的力学性能有严重的影响，并且ＳｉＣ纤维／ＬＣＭＡＳ系微晶玻璃基复合材料具有较高的界面剪切强度，通过降低基体的热膨胀系数减弱界面剪切强度，可使复合材料的强度和断裂韧性都得到明显的改善．     

CF/PMR-15复合材料界面的湿热稳定性研究

研究了CF/PMR-15复合材料界面对湿热的稳定性.结果表明:水在复合材料中的扩散系数与界面粘结强度有关,经沸水浸泡后的复合材料,其ILSS(层间剪切强度)和界面剪切强度均有所提高;SEM复合材料断面观察表明:力学性能的变化与纤维-基体面粘结的湿热稳定性有直接关系;最后讨论了水对界面的作用机理.     

界面上脆性反应区(界面相)中的多重开裂

在某些复合体系的金属基复合材料中,由于纤维与基体发生反应,从而在界面上形成一层较脆的界面相.在轴向拉伸外载作用下,界面层发生多重开裂损伤.开裂裂纹对复合材料强度的作用除了与裂纹的表征尺寸有关外,还应与裂纹间的间距(或裂纹密度)有关.本文应用复合材料的圆柱体模型和改进的剪切滞后理论,分析了界面层多重开裂的过程,以及界面层与纤维、界面层与基体间界面剪切强度、界面层弹性模量等参数与裂纹密度间的关系.      

芳纶纤维复合材料界面粘结性能研究

为了改善芳纶纤维复合材料的界面粘结性能,从自制树脂基体入手,针对芳纶纤维的结构特点,合成了一种新型树脂(AFR)作为基体,制备了芳纶/AFR复合材料.通过宏观力学、微观力学以及接触角测试等方法研究了AFR树脂与芳纶纤维之间的界面粘结性能.结果表明:AFR树脂对芳纶纤维的浸润性好,单丝拔出强度高,复合材料的横向拉伸强度及层间剪切强度高,这说明芳纶纤维与AFR树脂之间具有良好的界面粘结性能.     

Technora纤维表面等离子体处理对其复合材料界面性能的影响

用扫描电子显微镜观察Technora纤维表面物理形貌并测量单丝纤维的拉伸强度以分析等离子体处理对纤维本体性能的影响,再用层间剪切强度和吸水率分别表征复合材料在室温干态和高温湿态下的界面性能,研究了等离子体处理对Technora纤维复合材料界面性能的影响。结果表明,用等离子体处理后纤维表面的物理形貌发生了显著变化,复合材料的层间剪切强度由未处理时的15.74 MPa提高到24.93 MPa,提高的幅度高达58.4%;同时,复合材料的吸水率下降而本体性能基本不受影响。上述结果表明,等离子体对Technora纤维的表面改性能有效地改善其复合材料的界面性能。     

碳纳米管纤维/环氧树脂复合材料的界面剪切强度及微观结构

研究了碳纳米管纤维的微观结构和拉伸性能,并进一步分析了其与环氧树脂形成界面剪切强度及微观结构。采用单丝断裂试验测试了碳纳米管纤维/环氧树脂复合材料体系的界面剪切强度,结合单丝断裂过程中的偏光显微镜照片、复合材料的拉曼谱图和断口扫描电镜照片,研究了碳纳米管纤维/环氧树脂复合材料界面的微观结构。结果表明: 碳纳米管纤维/环氧树脂复合材料的界面剪切强度约为14 MPa;在碳纳米管纤维和环氧树脂形成界面的过程中,环氧树脂可以浸渍纤维,形成具有一定厚度的复合相,这种浸渍过程和界面相的形成都有利于碳纳米管纤维与基体之间的连接。     

树脂基复合材料界面剪切强度的测定

本文建立了一种界面剪切强度表征的新方法,对复合材料的单根纤维施加轴向压力,使其与周围树脂基体脱胶。通过有限元分析,得到界面剪切强度。这种方法适用于实际复合材料制件,克服了其它测试方法的不足,它不仅对于界面研究具有重大的理论价值,而且对复合材料制品检测,力学设计等方面都具有重要的实际意义。并可望用于测定金属基、陶瓷基复合材料的界面剪切强度。     

循环湿热环境下碳纤维复合材料界面性能

为研究循环湿热环境对CCF300/5405复合材料体系界面性能的影响,首先对该体系循环吸湿—脱湿行为进行研究,其次分析湿热环境下层间剪切强度的变化,最后采用扫描电镜观察纤维/基体界面的微观形貌.研究结果表明:CCF300/5405体系吸湿处理后,纤维与基体间界面遭到水分破坏,产生大量空隙和裂纹,使得水分的扩散速率明显增加,吸湿率增大,且这种破坏不可逆;吸湿之后材料层间剪切强度下降,烘干之后可以恢复到近于自然干态水平;相对于水分对复合材料的不可逆破坏,可逆破坏对层间剪切强度值减小的贡献更大.     

高温热循环对LP-15聚酰亚胺复合材料界面性能的影响

研究热循环对LP-15/G827聚酰亚胺复合材料界面及其力学性能的影响。结果表明:LP-15浇铸体的热膨胀系数在45×10-6/℃左右,远大于LP-15/G827聚酰亚胺复合材料的热膨胀系数(0.1×10-6/℃～0.3×10-6/℃)。复合材料的层间剪切强度和界面剪切强度均随热循环次数的增加而迅速降低,当热循环次数达到30次以后,层间剪切强度仅能维持在50%左右,而当热循环次数达到80次以后,界面剪切强度仅能维持在20%左右。经扫描电镜研究表明,可能主要是由于上浆剂和树脂基体的降解以及纤维与树脂的热膨胀系数不匹配,导致界面处发生破坏,力学性能下降。     

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。     

甲基丙烯酰氧基倍半硅氧烷改性碳纤维/聚芳基乙炔复合材料界面性能

利用微脱粘法、三点弯曲法、扫描电镜（SEM）、力调制模式原子力显微镜（AFM）和动态力学热分析（DMTA）研究了甲基丙烯酰氧基倍半硅氧烷（Methacryl-POSS）涂层改性前后的碳纤维增强的聚芳基乙炔（PAA）复合材料的界面性能。用Wilhelmy法研究了处理前后的碳纤维与PAA树脂的浸润性。结果表明: POSS涂层处理后的碳纤维表面粗糙度增大,与PAA树脂的浸润性提高;复合材料的界面剪切强度提高了36%,层间剪切强度提高了50%。DMTA图谱表明, POSS涂层改性后,复合材料的玻璃化转变温度提高了12℃,损耗因子降低了53%,表明复合材料的界面粘接性能得到大幅度的改善。      

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 。     

碳纤维表面处理对C/PLA复合材料界面粘结强度的影响(Ⅱ)

对硝酸表面处理前后碳纤维增强聚乳酸（Ｃ／ＰＬＡ）复合材料的界面状态进行了研究。重点研究了碳纤维的硝酸表面处理对Ｃ／ＰＬＡ复合材料界面粘结强度的影响以及粘结机理。研究表明,硝酸表面处理可使复合材料的界面粘结强度大幅度增加,复合材料的冲击强度、弯曲强度、弯曲模量和剪切强度亦有不同程度的提高。ＸＰＳ研究发现,央纤维与ＰＬＡ基体间有化学反应发生。界面化学反应程度的增加是复合材料界面粘结强度提高的主要原因;此外,碳纤维表面粗糙度的增加也对界面粘结强度的提高有一定的贡献。     

Grafting Low Contents of Branched Polyethylenimine onto Carbon Fibers to Effectively Improve Their Interfacial Shear Strength with an Epoxy Matrix

The mechanical properties of carbon fiber (CF) reinforced composites are greatly dependent on the interfacial strength between the CFs and matrix. To improve the interfacial adhesion of carbon fiber/epoxy composites, branched polyethylenimine (PEI) is grafted onto the CFs treated in a mixed acid at optimized process time. The chemical compositions and bonds of functionalized CFs are characterized by thermal gravimetric analysis, Fourier‐transform infrared, and X‐ray photoelectron spectroscopy. The surface structures and morphologies of various CFs are analyzed by Raman spectroscopy and scanning electron microscopy, respectively. Microbond test is adopted to evaluate the interfacial shear strength (IFSS) between the CFs and epoxy matrix. The results show that the CFs modified by low molecular weight PEI are better than those modified by high molecular weight PEI. The IFSS of PEI modified CFs can reach a maximum of 107.2 ± 14.3 MPa at a low functionalization degree compared with 78.1 ± 11.6 MPa of unmodified CFs. The branched structure and high density of active amine groups on the PEI chains are responsible for the improved interfacial strength.     

RTM成型复合材料的界面改性

研究了反应注塑(RTM)成型的复合材料不同层次界面的特点，并分别采用冷等离子处理和超声处理对RTM成型的复合材料界面性能进行改性。结果表明，RTM成型复合材料不同层次界面性能是不同的，通过冷等离子体和超声处理可以提高树脂对纤维增强体的浸润性，进而可以改善复合材料的界面性能，而界面的好坏直接影响RTM成型复合材料的力学性能。     

陶瓷基复合材料界面结合强影响断裂过程的有限元研究

提出了纤维增强复合材料断裂有限元模型,该模型既用弹簧单元考虑了基体与纤维之间的分离,又用接触单元考虑了基体与纤维之间的摩擦,较真实地模拟了纤维增强复合材料的断裂过程。通过有限元计算,预测了基体与纤维之间的界面结合强度对整个复合材料断裂模式的影响。还对强弱两种不同基体弹性模量的材料进行进一步的探讨。对比其他文献 , 本文中预测结果与真实情况较为吻合。结果表明,对于纤维增强复合材料,不论是强基体还是弱基体,适中的界面结合强度有助于提高其韧性及整体抗拉强度。       

金属基复合材料界面摩擦剪切强度的测试

用自制的亚微压痕仪测得了一组金属基复合材料的载荷一位移曲线，以决定纤维从基体中拔出时的滑动力，由于试件很薄，可估算得界面摩擦剪切强度。