树脂基复合材料界面结合的研究Ⅰ界面分析及界面剪切强.pdf

12树脂基复合材料界面结合的研究2004年9月

树脂基复合材料界面结合的研究I：
界面分析及界面剪切强度的研究方法

郑安呐，胡福增
(华东理工大学材料科学与工程学院，上海200237)
摘要：本文分析了树脂基复合材料受力状况下对界面结合的要求，着重介绍了微量冲击和临界纤维断裂长度分析两种
检测树脂基复合材料界面剪切强度的方法及其研究成果。通过对单丝纤维断点周围基体树脂形态的分析，提出了一种判断优
化界面的方法。
关键词：树脂基复合材料；界面剪切强度；临界纤维断裂长度；优化界面
中图分类号：TB-18；TQ31；033；V45文献标识码：A文章编号：1003—0999(2004)05—0012—05

复合材料之所以具有极为优异的性能，是因为如1，2，3，4所示。复合材料的截面积为S，单根纤
它综合了增强材料和基体各自的优点，但这又必须维的截面积为s，，树脂基体的截面积为s。当外
建立在两者可以通过界面剪切方式传递载荷的基础力F施加于复合材料时，其承受的拉伸应力为：

之上，因此界面剪切强度在很大程度决定了复合材=F／S。(1)
料的性能。有关界面结合的研究几乎是伴随着复合假定属于小应变，并符合虎克定理，且两者结合
材料的发展而发展的，当然树脂基复合材料也不可界面没有相对滑移，从而有相同的应变￡，因此
能例外。本文结合笔者在复合材料界面领域从事的crc：f+m=Es。￡+Em·￡(2)
研究，对树脂基复合材料界面提出自己一些看法，不式中和，分别为树脂基体与纤维所承担应
当之处，还望指正。力。可以看到由于Er》E，所以f》。也即纤
1树脂基复合材料形成优化界面的维承担了主要的外部载荷，这也就是纤维增强复合
分析材料的基本原理。
如果纤维与树脂基体在界面上没有任何相互作
广义而言，树脂基复合材料是指以高分子树脂
用，由图1可以看到，由于纤维是分散相，树脂基体
为基体，以无机粉体或纤维来增强的复合材料。由
是连续相，在外力F的作用下树脂基体无法将外力
于无机粉体对树脂的增强效果不大，往往又是以降
通过界面剪切应力(r)传递给纤维，纤维不会产生
低成本为主要目的，因此树脂基复合材料通常狭义
任何应变。在式(2)中可以看到，右边第一项E，·￡
地指纤维增强的复合材料，本文的讨论将限于此范
为零，此时整个复合材料承受的应力完全只由树
围之内。
脂基体所承受的应力=E·￡来替代。此时树脂
基体承受的应力为：
=F／S=r／(S。一n·Sz)(3)
由于在复合材料的截面积中纤维(71,·S，)占有
相当大的比例，从式(3)可以看到，树脂基体在复合
材料中要比在单纯基体材料中承受更大的应力。此
时原用作增强的纤维却成了完全无用的杂质，破坏
了材料的完整性，降低了总体的承载能力。由此可
见，没有良好的界面结合，复合材料本身也就失去了
图1纤维增强树脂基复合材料的承载模型意义，还不如原单一的基体材料。
纤维增强树脂基复合材料可用图1所示的模型与上述相反，如果就基体与纤维间没有任何相
描述。为了简化讨论，将纤维的排列方向设为一致，对滑移的紧结合界面而言，如式(2)所示，似乎完美

收稿日期：2004一Ol—l7
作者简介：郑安呐(1948一)，男，教授，博士生导师，主要从事高分子材料和复合材料的研究。

鞫翻粕

2004年第5期玻璃钢／复合材料13

地体现了复合材料纤维的增强作用。假定所有纤维之，情况将复杂得多。由式(2)可以看到尽管因为纤
的排列方向完全一致，同样伸直，且长短也都完全相维的模量E，大大高于基体树脂的模量E，主要由
同，也许这种情况的确可完美地实现纤维的增强作增强纤维承担外界的载荷，但是在同样应变￡的情
用，但事实上这是不可能做到的。由于纤维的模量况下首先产生断裂的是基体树脂而不是增强纤维。
E，远大于基体树脂的模量E，由式(2)可知纤维将可见这种复合材料只能用于远低于基体树脂断裂延
承担主要的外界载荷。在外力作用下复合材料整体伸率的小应变场合，所有纤维的排列必须尽可能张
产生应变￡。由于基体树脂的断裂延伸率通常大于紧度相同，且树脂越少越好，界面结合越强越好。
增强纤维的，所以必然是纤维首先断裂。在复合材2树脂基复合材料界面剪切强度的研
料制备过程中纤维的排列方向不可能完全一致，同究方法
样伸直，也不可能长短一致，因而在外力的作用下各
研究树脂基复合材料ISS的方法十分丰富，例
单根纤维的张紧程度也不一样。在图I中假定纤维如有层间剪切强度分析法，45。拉伸实验法[3]等宏观
4原本最伸直，在外力作用下应变￡最大，超过其断
力学性能研究方法和单丝纤维拔出法、单丝纤维微
裂延伸率后率先断裂，断口发生在纤维有缺陷的K拉伸法、单丝纤维微压缩法HJ等微观力学分析法。
点处。这样原本由纤维4所承担的应力在K点处
宏观力学性能研究方