玻璃纤维增强热塑性有机复合材料界面强度及其对材料力学性能的影响

1前言

       纤维复合材料界面性能对材料性能有着很大的影响。对于基体较弱而纤维具有高强度高弹性横量的复合材料来说，应力是通过界面而从纤维传递到基体中的。对于短纤维复合材料，界面强度决定着临界断裂长径比及复合材料的增强效果。较高纤维含量、单向短纤维复合材料的拉伸强度ó可表示为：

          
       由式(1)和式(2)可以看出，对于高强度短纤维增强热塑性有机复合材料，高的界面强度是必要的。当纤维随机分布时，因为有的纤维垂直于应力方向，因此界面强度更为重要．

       本文通过对两种热塑性基体复合材料的研究，探讨界面化学作用对界面强度和复合材料性能的影响。

2  实    验

       实验选用两种有代表性的热塑性有机高分子材料即聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)作为基体。它们均为无定形透明聚合物，具有相近的强度和弹性模量，但两者的断裂行为相差很大，PMMA为典型脆性断裂，断裂韧性约为1.5MPa.m1/2，PC具有两种断裂模式，脆性断裂时其断裂韧性约为2MPa．ml/2，韧性断裂时其韧性高达9MPa．ml/2。表1示出两种基体材料的有关性能。

       所用纤维为高强度BK-10光学玻璃纤维，其强度为600-800MPa，直径10-30um，纤维长径比为50-100。将短纤维在水蒸汽中水化后浸溃在有机硅烷偶联剂溶液中约30min，然后用乙醇将多余偶联剂洗除，最后在50℃以上温度下干燥。
       另一种耦联剂的施用方法是将其加入基体溶液中然后再进行纤维复合。   
          
       根据基体的性能分别选取两种不同的偶联剂用于PMMA和PC，它们分别选自丙烯酸酯和胺类的有机硅浣。

       复合材料的制备是将基体有机物溶于二氯甲烷中，加入纤维并搅拌分散，倒入具有涂层的浅容器中使其成一均匀薄层，干燥后裁成适当形状于250℃下模压成复合材料试样。

       复合材料断裂行为采用复合材料单元进行考察。在基体中复合一单根长纤维制成复合单元。为实验方便，采用直径为70-80um的同材质纤维。断裂模式由光学及电子显微镜观察研究。复合材料强度及断裂韧性根据ASTM有关标准由Instron试验机测试。
 
                 
                
    一——
   
3  结果和讨论

3.1界面强度测量

       玻璃纤维与基体的界面强度由单丝纤维复合材料单元拉伸试验法测量。拉伸试样在受到张应力达一定值后纤维开始断裂。当应变增加时纤维继续断裂，长度逐渐变短，直至达到应力传递临界长度。图1给出PC基体复合材料单元拉伸试样的光学显微照片。根据纤维强度、直径及纤维临界断裂长度便可以计算出界面结合剪切强度：
                  
                

3.2纤维与基体界面的控制

        如前所述，短纤维热塑性有机复合材料界面强度对复合材料性能的影响很大。要取得好的复合增强效果，界面强度需较强。通常玻璃纤维表面与热塑性基体间的结合界面比较弱，为改善界面结合，提高界面强度，可以采用有机硅烷耦联剂在玻璃纤维表面上涂覆，有机硅烷的极性端与玻璃表面结合，而非极性端与聚合物结合使界面结合更加紧密，玻璃纤维界面通过在水蒸汽中水化，产生活性中心，这些活性中心与耦联剂的极性端结合，而非极性端与有机基，体结合形成较强的表面。与不进行表面处理的试样相比，纤维与基体的界面强度有明显的提高，见表2。从图2中可以看出，对于PMMA和PC基体复合材料来说，纤维表面进行涂覆使得基体与纤维的结合更为紧密。当复合材料破坏时，有残余基体材料留在纤维表面上，而未进行处理的纤维与基体结合较弱，在破坏时纤维表面很光滑，无残余基体材料。

      从表3的结果可以看出在基体中加入耦联剂然后与纤维复合的效果较差，基体与纤维界面强度较低，这是由于耦联剂有相当一部分存在于基体中，而在纤维与基体界面上起的作用较小。从表中还可以看出，耦联剂使PMMA和PC基体两种复合材料的拉伸强度和断裂韧性也显著提高。界面强度与复台材料力学性能之间有着显著的对应关系。

3.3  复合材料单元破坏形式

       前面提到本研究采用两种强度、弹性模量均相近但断裂韧性及断裂行为不同的基体材料，其一仁要目的就是研究不韧性的基体材料的复合效果及其破坏形式的差别。对于达到临界状态的复合材料单元来说，不同的破坏起源及不同的破坏形式是由于基体和纤维的性能以及基体和纤维问界面的性质所决定的。利用光学显微镜，可以分别观察到脆性基体和韧性基体在界面强度较高（有耦联剂）和界面强度较低（无耦联剂）的情况下复合材料单元的四种破坏形式，如图3所示。当界面强度弱时，复合材料单元的纤维与基体通过界面破坏来调节其纤维与基体应变的不匹配，纤维的破坏对基体的影响很小，凡基体的脆性和韧性对破坏形式影响较小，此时无论是脆性基体还是韧性基体纤维破坏局部无显著的差异。然而当采用耦联剂使界面强度提高时，脆性即PMMA基体在纤维断裂的附近由丁纤维裂纹扩艘口{起的局部应力集中而发生开裂，而韧性即PC蔟体在裂纹开裂时发生形变，纤维裂纹不继续向基体扩展。这样脆性基体复合材料在界面强度较高的情况下会发生很多裂纹，这些裂纹在基体巾相瓦作用便会导致材料破坏；而韧性基体则先通过基体变形以调节局部应变和应力分布，最终由于材料所受应力超出其强度极限而发生断裂。

                
       由此可见，对于脆性基体复合材料，基体和界面的结合强度太高不是最好的选择，这往往导致纤维开裂裂纹直接扩展到基体中引起脆性基体的开裂，而韧性基体复合材料则应尽可能地提高基体与纤维的界面强度以有效地发挥纤维的优异的力学性能。

3.4复合材料的光学透明性

       采用适当的制备工艺，严格控制纤维基体界面，。并使纤维有效均匀地分散干基体中，当基体与纤维的折光率相近时，可以制备出透明复合材料。图4a示出20v.-%纤维含量的PMMA复合材料的断口显微结构，可以看出纤维分布均匀且纤维与基体结合紧密。图4b示出5mm厚20v.-%纤维含量的PMMA-BKIO纤维复合材料样品，其光学透明性非常明显，该试样可见光透过率约为78%。这便给复合材料的应用提出了一个新的课题。
               
                 
4  结    论

        采用适当有机硅烷涂覆纤维表面可有效地提高复合材料基体和纤维的界面强度并相应提高复合材料的力学性能。验发现分别在强和弱的脆性及韧性基体复合材料体系中存在着四种纤维基体界面破坏形成。选用折光率相匹配的基体和玻璃纤维，严格控制制备工艺可以制备出高。
光学透明度的复合材料。