聚合物表面与界面资料.ppt

{220}晶面可分为两组，一组是与碳纤维Z方向垂直的6个晶面，记为{220}r，另外一组是与晶体长轴方向成 的6个晶面。如果在垂直于晶体定向排列的方向测量{220}衍射，由此而得到的应变即是?，且有： （6-11） 根据式（6-9）和式（6-10）便可计算出碳纤维轴向和径向各应变分量。由于碳纤维单丝的直径很小，而且具有较大的长径比，所以可将碳纤维受到的残余应力作为轴对称处理。因此: （6-10） （6-12） 式中，E为碳纤维的弹性模量；v为碳纤维的泊松比；将式（6-9）、式（6-10）代入式（6-11）、式（6-12），即可得到碳纤维/基体界面在轴向和径向的残余应力σz和σr。 其他方法 同步辐射连续X射线是最近提出的方法，具有很高的空间分辨率，可以测定界面附近的残余应变梯度，但成本较高。扫描隧道显微镜及原子力显微镜观察法是通过测量具有方向性共价键的长度变化来测量应变的方法。但一般只能测定自由表面样品的界面应力，常因受到样品截取对界面残余应力重新分布的影响而失真。激光拉曼光谱法是通过测量界面层相邻纤维振动频率，根据纤维应变来确定界面层的残余应力，但只适用于单纤维复合材料的测定。目前应用最广的仍是传统的X射线衍射法。 6.4 复合材料界面微观力学研究 在以往研究复合材料力学性能的模型中，往往是假定纤维与基体间具有理想的界面结合而忽略界面的影响。一般用简单的混合定律(ROM)，根据纤维、基体等组分材料的性能来预测复合材料整体的强度与模量。 6.4.1 界面对复合材料强度的影响 假定界面具有理想的粘合，并取界面拉伸强度为基体本体的强度，采用有限元分析方法对单向碳纤维复合材料的横向拉伸强度进行预报，表明预测值与实际复合材料横向拉伸强度之间存在较大的偏差。若欲使两者取得良好的对应，至多可假定界面强度为基体树脂强度的75％左右，并且横向拉伸断韧性对界面更加敏感。复合材料横向拉伸强度σt与界面拉伸强度σi间存在下列的大致关系： 式中，σm为基体树脂的强度；Vf为纤维体积含量。 在近年的复合材料研究中，人们发现在纤维表面引入具有某种性能的界面层对复合材料力学性能可产生较大影响，因此采用微观力学方法定量评估界面层对复合材料力学性能影响的研究非常多。大多采用网络法、自洽理论、有限元及计算机模拟等方法描述不同界面粘合情况下界面层（EmEiEf或EiEf且EiEm）对应力传递、纤维承载能力以及复合材料弹性常数、拉伸强度、层间剪切强度等性能的影响规律。 有人以复合材料界面为中间相导出了单向纤维增强树脂基复合材料的三相动态黏弹混合模型，得到了界面层的几何结构参数及界面相的动态黏弹性参数，结果表明随着温度的变化，界面相的厚度、体积分数及动态黏弹参数也会发生一定的变化，存在着界面相与基体相之间的相互转变。同时，建立界面相弹性模量在纤维与基体间逐渐过渡的微观力模型，并考虑到各相间的相互反应，由动态力学分析测得不同纤维、基体体系的黏合反应参数，研究了界面相模量、厚度对复合材料性能的影响，据称这些参数可用来决定最佳的界面厚度以改善韧性及有效应力传递能力。 6.4.2 界面对复合材料断裂韧性的影响 除强度与模量外，复合材料的另一个重要指标是断裂阻力。因为在冲击载荷作用下纤维增强复合材料的允用破坏设计标准要求材料具有足够的断裂能的吸收能力，所以改善纤维复合材料断裂韧性的课题得到人们的极大关注。当复合材料受外力的作用，整个材料出现范围较宽或较分散的微观破坏，这些裂纹的产生与传播比均质材料的裂纹复杂得多，由于复合材料的破坏包含承载纤维、基体的断裂及裂纹沿界面传播的复杂结合，因此其断裂韧性不仅取决于组分材料的性能，而且还强烈地依赖于界面的特性。 研究界面对复合材料断裂韧性的影响，在材料界以陶瓷基复合材料最为代表，前面评述的界面摩擦剪应力的表征多半用于陶瓷基复合材料的断裂韧性研究，而在力学界目前又新兴起一门科学：断裂力学的分支-界面断裂力学，专门研究复合材料的断裂韧性理论。 在纤维增强复合材料中，已有许多断裂理论和实验研究用于解释界面的存在对材料断裂行为的影响。当一垂直于纤维方向的裂纹穿入包埋单根纤维的基体时，随后的破坏机制可能为①基体断裂；②纤维/基体界面脱黏；③脱黏后摩擦；④纤维断裂；⑤应力重新分布；⑥纤维拔出等，见下表。 由于所采用的复合材料模型不同，或用于测试断裂韧性的方法不同，有时这些对断裂韧性相对贡献机制之间是矛盾的，因此，没有简单统一的理论能够预测所有情况下纤