2022复合材料界面论坛

4月与你相约宁波

发展一种有效而又方便的实验方法，用以检测复合材料中增强体与界面之间的结合程度和外负载下的力学行为，始终是许多复合材料研究工作者追求的目标。

有了对界面性质的充分了解，人们可以在复合材料设计时获得某些依据，并且可以合理地评估复合材料在加工和使用过程中可能发生的问题，例如温度湿度、溶液吸收和疲劳等环境因素对增强体与基体间界面和复合材料性能的影响。

单纤维拉出试验

在真实的纤维增强复合材料中，由于纤维的高体积比，存在复杂的纤维间相互作用，界面性质也不可能均匀一致，同时也存在实验程序上的困难，通常大都使用单纤维模型复合材料模拟真实复合材料进行界面性质的研究。对其它形状的增强体，也使用类似的模型复合材料，例如碳纳米管/树脂模型复合材料。

有许多实验方法可用于复合材料界面力学行为的研究，其中纤维拉出试验是最早出现的，也是较为直观的方法，在复合材料发展的初期就获得了应用。这种方法实验程序简单，只需将纤维一端的一定长度包埋入基体，随后在纤维另一端加一负载，将纤维从基体中拉出。

将单纤维或单丝包埋于纯净的树脂中，随后将其拉出，用以模拟复合材料的破坏过程。这种模拟提供了一种实验方法，用于比较各种表面处理方法和不同包埋基体材料对复合材料性能的影响。

图片来源：《亚高温下不同粉煤灰掺量高延性混凝土的力学性能》张志刚等

纤维拉出试验能给出界面结合情况的最直接测量。这种直观表征的特点使其得到广泛应用。对于高熔点而又有脆性的玻璃或玻璃-陶瓷基体复合材料，拉出试验更具吸引力。这是因为:首先，纤维与基体的脱结合和纤维从基体中拉出这两个过程都是控制这类材料韧性的重要机制，而单纤维拉出试验恰恰能直观地予以表征;其次，对这类基体材料，除弯曲试验外，用其它方法在实验设计和操作技术上都比较困难。

尽管已经出现了许多其它试验方法，单纤维拉出试验仍然受到人们的偏爱，尤其是用于树脂基复合材料。

微滴包埋拉出试验

若将纤维拉出试验中的基体形状由块状改变为微滴状，可进行微滴包埋纤维拉出试验。这种方法在试样制备方面与前述单纤维拉出试验相比更为方便。

微滴包埋拉出试验是单纤维拉出试验的方式之一，只是将试样呈块状的基体改变成微滴状的基体，而且用阻挡或推移微滴的方式替代对基体的夹持。这种方法避免了单纤维拉出试验试样制备的困难。在单纤维拉出试验中，如果纤维包埋长度超过临界长度，纤维将在拉出之前发生断裂，而制备很短包埋长度的试样要求工作人员有丰富的经验和操作技巧。

微滴包埋拉出试验，图片来源：《微滴包埋拉出法测定复合材料界面剪切强度的影响因素分析》乔月月等.

适用范围：微滴包埋拉出试验能方便地测定脱结合瞬间力的大小，而且能用于几乎任何纤维/聚合物基体组合，这是这种技术的突出优点。

这种技术的应用所受到的限制也是明显的，主要有下列几项。

1. 脱结合力是包埋长度的函数。当应用直径在5~50um范围的很细的增强纤维时，相应的最大纤维包埋长度范围为0.05~1.0mm，更长的包埋长度会引起纤维断裂。

2. 由于实验参数的多变性而引起的问题复杂性。例如，弯月区的存在使纤维长度测定值的不确定性，并且引起界面应力状态的复杂化，微滴内的应力状态随阻挡板与微滴接触点位置的变化而变化，以及微滴力学性质有时随其大小不同而不同(因为固化剂浓度的变化)等。即便对同一种纤维/基体组合，测试获得的数据常有大的分散。

3. 由于试样制备的困难，这种试验方法难以应用于高熔点的陶瓷和金属基体。

纤维压出试验

纤维压出试验是一种可对真实复合材料在原位测定界面剪切强度的实验方法。将复合材料沿垂直于纤维轴向的方向切成薄片，随后用探头对纤维施以压负载，测定压力和位移，直到纤维与基体脱结合被压出基体之外。

单纤维压出实验原理图，图片来源：《单向碳纤维复合材料界面力学性能测试研究》

与前述几种模型复合材料试验不同，在压出试验中，试样使用真实复合材料制作，是一种可对真实复合材料在原位测定界面力学性能的试验方法。将高纤维体积百分比的真实复合材料沿与纤维轴向垂直的方向切割成片状，将截面抛光，选定合适形状的压头，在纤维端面沿纤维轴向施压，直至发生界面脱结合和纤维滑移。记录纤维压出过程中的负载与位移的函数关系，据此可计算出表征界面力学性能的各项参数。

优点：压出试验的测试对象不是前述几种方法所用的模型复合材料，而是真实材料，因而能反映复合材料实际制备和加工工艺对材料界面性能的影响，也能用于测定材料使用过程中疲劳或环境因素(如温度、湿度和化学物质)作用下的界面剪切强度，监测界面性质的变化。

缺点：由于试样制备上的限制，单纤维拉出试验和微滴包埋拉出试验一般只用于聚合物基复合材料。压出试验为金属基复合材料和陶瓷基复合材料提供了一种合适且能快速获得资料的试验方法。

不适用于聚合物纤维这类低模量的韧性纤维增强复合材料，而对脆性材料，施压过程中常发生纤维崩碎的情况，因而对适用的纤维有所限制。此外，如欲观察界面的破坏情景或脱结合的位置，在压出试验中是难以实现的。

传统试验方法的缺陷

毫无疑问，上述几种试验方法为探索复合材料的力学性质做出了巨大贡献，迄今仍然得到广泛应用。几十年来，试验技术和数据处理方法都在不断得到改善，使得试验操作更为简便，影响试验结果的可变因素更少，对试验结果的解释更趋合理。例如，使用微小的类似圆盘形试样替代微滴试样的微滴包埋拉伸试验，能获得更为可靠的界面剪切强度数据。然而，一个明显的事实是不同研究者对同一种纤维/基体复合材料系统的测试，即便使用同一种试验方法，结果也往往相差甚远。

内容来源：《复合材料的界面行为》，杨序纲 吴琪琳著，内容有删减。

界面是决定复合材料性能的关键因素，是复合材料研究领域的焦点问题。为了更好的促进复合材料界面领域的学术交流和探讨，DT新材料联合哈尔滨工业大学黄玉东教授、浙江大学彭华新教授，共同举办《2022复合材料界面论坛》，会议围绕复合材料界面微观结构及其表征、界面微观力学、界面结构与界面行为之间的关系以及它们对材料宏观性能的影响等研究领域展开。