复合材料界面【高级教育】.ppt
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1、复合材料界面与设计,秦岩 2009年11月,1,行业学习,复合材料界面分析表征提 纲,界面浸润性分析 增强材料表面形貌分析表征 增强材料表面化学表征 界面力学性能分析表征,2,行业学习,一、界面浸润性分析,界面浸润性理论认为,浸润是形成复合材料界面基本条件之一,完全浸润则界面的结合强度超过基体的内聚能。 液体树脂对纤维的浸润好坏直接关系两相的结合界面。 纤维的表面处理,表面物理化学变化都会使其表面浸润性能发生改变。 纤维的表面浸润性主要通过接触角和表面能来表征。,3,行业学习,1、纤维对液体接触角测定,单丝浸润法 将纤维单丝用胶带粘在试样夹头上,然后悬挂在试样架上,纤维下端挂一重吹,使纤维与液
2、面接触,由于表面张力作用,与纤维接触部分液面会上升,呈弯月面,在放大机下读液面上升最大高度hmax弯月,则可求出接触角: 式中, ,l为液体表面张力,为密度, r为纤维半径,4,行业学习,单丝浸润力法 用电子天平测试纤维脱离液面瞬间表面张力变化P, P2r l cos 可求出接触角,5,行业学习,互不相溶液体界面张力与接触角 用铂金作纤维,则液体完全润湿纤维,有 P2r l1/L2 测定P可求出界面张力l1/L2. 其他增强纤维与界面间存在接触角, l1/L2. P2r cos l1/L2 根据以上方法测定的l1/L2.,可求出 l1/L2. 。,6,行业学习,毛细浸润法 在塑料管中填充一束纤
3、维,填充率0.47-0.53,使纤维束与液面接触,因毛细现象,液体沿纤维孔隙上升,用电子天平测出增加质量m随时间t变化,通过流体力学分析可求出接触角。,7,行业学习,2、增强纤维的表面张力,Good-Girfalco 理论 用一种已知表面张力液体测定对纤维的接触角,可以按公式求出纤维的表面张力,但必须知道纤维对液体相互作用参数,8,行业学习,几何平均法 用两种已知表面张力L及其分量L d Lp 分别测定其对纤维的接触角,则由几何平均法的联解方程,求出s及其分量sd sp,9,行业学习,调和平均法 根据以上条件,可用调和评价法求出纤维表面张力及其分量。,10,行业学习,临界表面张力 用一系列已知
4、表面张力的同系液体,测定其对纤维表面的接触角,以cos 对Lv进行Zisman作图,得一条直线,由此直线与cos 1交点的横坐标,求得纤维得临界表面张力c,11,行业学习,状态方程 以一系列已知得测试液测定其对纤维表面的接触角,按上式可求出相应的 ,已对 作图,可得曲线 ,该曲线上得最大值即为固体的表面张力。,12,行业学习,二、增强纤维表面形貌分析表征,纤维表面处理额目的是为了增加表面的结合性能; 表面处理:物理方法、化学方法处理表面都会产生形貌变化。 表面处理效果以及形貌变化主要通过电镜表征: 透射电子显微镜 TEM 扫描隧道显微镜 STM 分析电子显微镜 AFM 扫描电子显微镜 SEM,
5、13,行业学习,1、纤维表面处理形态表征,低温等离子处理,14,行业学习,热处理,15,行业学习,电晕和低温等离子处理植物纤维,16,行业学习,2、纤维表面接枝聚合物形态,碳纤维接枝聚苯乙烯,17,行业学习,碳纤维接枝,18,行业学习,3、复合材料界面状态,纤维拔出状态,19,行业学习,图 高模量碳纤维复合材料拉伸破坏的断口SEM图片,图中深色部分为纤维拔出后留下的空洞,图 高模量碳纤维复合材料拉伸破坏断口侧壁SEM照片,20,行业学习,碳纤维水泥状态,21,行业学习,玻璃纤维热塑性复合材料,22,行业学习,复合材料界面SEM图,23,行业学习,碳/碳复合材料透射电镜,24,行业学习,三、增强
6、纤维表面化学分析表征,1、XPS X射线光电子能谱是测量材料表面化学组成的有效工具,可以定性测量元素存在,可以根据谱线强弱测定元素含量。以及官能团含量。,25,行业学习,2、红外光谱,26,行业学习,3、紫外光谱研究,27,行业学习,4、核磁共振法,28,行业学习,5、原子发射光谱研究,29,行业学习,6、化学分析和热分析,热失重-COOH在500800分解成CO2,R-OH在9001000分解生成CO,由热失重测定CO2 、CO量,可以求出表面-COOH和OH 化学分析方法 碳纤维表面的羟基与羧基还可以通过化学检测来定量测试,30,行业学习,四、复合材料界面力学性能表征,界面残余应力 单丝拔
7、脱实验法 临界纤维长度实验法 界面粘结能测试 层间剪切强度 动态力学分析 微量冲击分析,31,行业学习,1、界面残余应力,消除残余压力可以通过引入 膨胀单体,提高综合性能, 可用冲击韧性来表示。,32,行业学习,2、单丝拔脱实验法,单丝拨脱试验是将增强纤维单丝垂直埋人基体之中,然后将单丝从基体中拔出、测定纤维拔脱的应力,从而求出纤维与基体间的界面剪切强度。显然,拔出力随埋人深度而增大,达到临界长度Lc时,拔出纤维所需的应力等于纤维的拉伸强度。,33,行业学习,,,3、顶出法,单丝拔脱试验的离散度大,要做大量的试验,找到临界长度,基体对纤维浸润时会沿纤维上爬,影响精 度。作为改进,又发展了顶出法
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