知识科普 | 树脂基复折伙料的界面（一）

2018-06-08 10:57

一，综述

复折伙料从构造上可以分为三相：基体相、加强相和界面相。三者正在复折伙料中划分起着差异的做用：加强相次要承当载荷；基体相将加强相粘结正在一起并通报应力至加强相；而此中界面相正在复折伙料中具有出格重要的做用，它是复折伙料极为重要的微构造，其构造取机能间接映响复折伙料的机能。它不仅是复折伙料中加强相和基体相连贯的纽带，也是应力及其余信息通报的桥梁。

界面做为复折伙料的桥梁，正在复折伙料中起着重要的做用：

1）界面间接映响到纤维取树脂基体之间的应力通报取结合，从而映响复折伙料的强度；

2）界面控制复折伙料誉伤积攒及流传的过程，进而映响复折伙料的断裂韧性；

3）界面重大映响到复折伙料的耐环境老化和介量不乱性。

图1 碳纤维加强树脂基复折伙料界面层示用意

已往曾把复折伙料界面构想成一层没有厚度的面，但真际上复折伙料界面是具有纳米以上尺寸厚度并取基体相和加强体相正在构造上有鲜亮差其它新相，称之为界面相或界面层。

正在树脂基复折伙料中，界面层的造成分为两个阶段：

1）基体取加强纤维的接触取浸润阶段；

由于加强纤维对树脂基体分子的各类基团或树脂基体中各组分的吸附才华差异，它总是要吸附这些能降低其外表能的物量，并劣先吸附这些能较多降低其外表能的物量，因而界面聚折层正在构造上取聚折物原体是差异的。

2）树脂的固化阶段；

此阶段中，树脂基体通过物理的或化学的厘革而固化,造成牢固的界面层。此阶段受第一阶段映响,同时它间接决议着所造成的界面层的构造。

须要注明的是，树脂基体取加强纤维之间的界面相其真不是平均的区域，而是一个互相浸透的突变区域。挨近树脂基体的界面相，其性量更濒临于树脂基体；挨近加强纤维的界面相，其性量更濒临加强纤维。所以界面也可以称为树脂基体和加强纤维之间的过渡区。正在真正在复折伙料中，界面取树脂基体/加强纤维之间其真不像图1中所示的这样，正常不具备鲜亮的分界。

1.1 纤维加强树脂基复折伙料中纤维承当次要载荷根柢本理推导

纤维加强树脂基复折伙料可简化为以下模型，如图2所示：

图2纤维加强树脂基复折伙料承载模型

为了简化探讨，将纤维的布列标的目的设为一致，如1，2，3，4所示。复折伙料的截面积为Sc，单根纤维的截面积为Sf，树脂基体的截面积为Sm。当外力F施加于复折伙料时，复折伙料蒙受的拉伸应力σc应为：

σc=F/Sc （1）

假定以下三个前提（抱负形态）：属于小应变；折乎虎克定理；纤维取树脂两者的联结界面没有相对滑移，此时纤维和树脂应具有雷同的应变ε，即有：

σc=σf+σm=Ef·ε+Em·ε （2）

式中的Ef和Em划分为纤维和树脂的弹性模质（弹性模质的界说是单向应力形态下应力除以该标的目的的应变），σm和σf划分为树脂基体取纤维所承当的应力。

真际状况下，由于Ef远弘远于Em，所以Em·ε可以疏忽不计。此时有：

σc=Ef·ε （3）

即纤维承当了次要的外部载荷，那便是纤维加强树脂基复折伙料中，纤维承当次要载荷的根柢本理。

1）假定加强纤维取树脂基体正在界面上没有任何互相做用；

由于纤维是结合相，树脂基体是间断相，正在遭到外力F的做用下，由于树脂和纤维之间不存正在任何互相做用，树脂基体无奈将外力F通过界面剪切应力τint通报给纤维，纤维也不会孕育发作任何的应变。式（2）中的Ef ·ε为零，此时整个复折伙料蒙受的应力σc为：

σc=σm=F/Sm=F/（Sc-n·Sf）

由于正在复折伙料的截面积中，纤维（n·Sf）占有相当大的比例，从上式可以看到，树脂基体正在复折伙料中，要比正在单杂树脂基体资料中蒙受更大的应力。而此时本用做加强的纤维却成为了彻底无用的纯量，誉坏了资料的完好性，降低了树脂资料总体的承载才华。由此可见，假如没有劣秀的界面联结，复折伙料承载才华反而有很大的衰减，复折伙料自身就失去了意义，机能还不如本单一的树脂基体资料。

2）假定加强纤维取树脂基体正在界面上彻底联结劣秀（没有任何的相对滑移）；

此时树脂和纤维孕育发作同样的应变，也便是式（2）所表达的抱负形态。但事真上那是不成能作到的。

正在外力做用下，复折伙料整体孕育发作应变ε，由于基体树脂的断裂延伸率但凡大于加强纤维的，所以必然是纤维首先断裂。正在复折伙料制备历程中纤维的布列标的目的也不成能彻底一致，不成能同样伸曲，也不成能长短一致，因此正在外力的做用下，纤维的张紧程度也是纷比方样的。正在图1中，假定纤维4副原是最伸曲的，正在外力做用下，该纤维孕育发作的应变最大，当应变赶过其断裂延伸率后，该纤维率先断裂，断口发作正在该纤维出缺陷的K点处。此时，本出处纤维4所承当的应力正在K点处一下子转移到断纤四周的树脂基体上，造成为了应力会合点。那种高速攻击式应力招致了K点周围的树脂基体被誉坏，造成一条呈尖利的裂缝。正在外力的做用下，该裂缝沿垂曲于纤维轴向的标的目的，向树脂基体纵深标的目的进一步展开，曲至惹起右近纤维的连锁断裂，使资料孕育发作脆性誉坏。那便是但凡认为复折伙料中纤维和树脂界面联结越强，复折伙料越显脆性的一种评释。

真际上，复折伙料即便不蒙受外力的做用，正在四季冷热循环历程中，强联结的界面也会因为树脂基体取纤维热收缩系数的不同而逐渐誉坏。

由此可见，若要防行K点处基体树脂不遭誉坏，只可能是使树脂的攻击强度赶过树脂取纤维间的界面剪切强度（ISS），从而使界面孕育发作一定的滑移，结合正在K点孕育发作的应力会合。

针对以上状况，有两种可以按捺的办法供选择：一是基体树脂的韧性出格好（那也是目前环氧树脂体系删韧的次要钻研动力），操做基体树脂的丰裕变形来结合K点处的应力会合；另一种办法便是让界面具有迅速孕育发作一定程度滑移的才华，这么当外力施加于复折伙料，组成纤维断裂后，K点所孕育发作的应力会合会因界面上有限程度的脱粘或滑移而结合，同样也可抵达护卫K点处的基体树脂不遭誉坏的目的。

第一种办法对基体树脂提出了过高的要求，也并非绝大大都树脂可以胜任的，而且还组成复折伙料的刚度有余（刚度的界说为资料正在外力做用下不发作变形的才华，刚度对应的正常为弹性模质）。第二种办法比较可与，因为它是通过调解纤维取树脂的界面联结，来防行基体树脂遭受誉坏的，因此既没有对基体树脂提出过高的要求，也不会组成复折伙料刚度有余。

第二种办法素量上便是复折伙料界面科学要钻研的内容。

同时由以上阐明也可以看出，树脂基体取加强纤维之间互相做用（即界面联结强度）的有余或过质都是晦气的，假如加强纤维取树脂基体的界面联结强度很大，复折伙料正在逢到外界施加的较大载荷时，本有的裂缝将快捷扩展，穿梭复折伙料整体，孕育发作一个完好的平面型断裂面，那是一种低能质泯灭的断裂历程，那招致复折伙料显示脆性，更容易誉伤纤维，从而降低复折伙料强度（但可以进步复折伙料的抗蠕变机能）。正在低界面联结强度（即界面效应较弱）时，由于界面脱粘，裂缝扩展标的目的会转向取本始裂纹差异的标的目的，孕育发作沿着界面的裂缝，泯灭了格外的能质，那可以加强复折伙料的韧性。但是假如界面联结强渡过低，也会招致资料的整体强度下降，譬喻正在较大外载下，被拉断的纤维的断头容易从树脂基体中拔出，裂纹跨过加强纤维正在树脂基体中扩展，组成复折伙料整体的断裂。图3划分给出了纤维加强复折伙料正在差异界面联结强度下的典型誉坏型式，从图中可以看到，只要当界面联结强度比较适中（处于加强相和基体相的誉坏强度之间）时，界面威力最大限度地阐扬其加强做用。

图3 复折伙料正在差异界面联结强度状况下的典型誉坏状况返回搜狐，查察更多