溫度對碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料界面性能的影響

程海霞,孫寶忠

(東華大學 紡織學院，上海 201620)

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溫度對碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料界面性能的影響

程海霞,孫寶忠

(東華大學 紡織學院，上海 201620)

摘要：通過束纖維抽拔方法，獲得了在不同溫度條件下碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的載荷-位移曲線.結果表明：隨著溫度的升高，碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料抽拔破壞最大載荷值逐漸降低，界面黏結強度降低；碳纖維束拔出位移先增大后減小，在環(huán)氧樹脂玻璃化轉變溫度處達到最大值；用掃描電子顯微鏡觀察抽拔后碳纖維束表面發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，復合材料的失效模式由界面脫黏轉變?yōu)榛w破壞.

關鍵詞：溫度； 碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料； 束纖維抽拔； 界面強度

復合材料的界面是指從與增強體內(nèi)部性質不同的各個點開始，直到與基體中性質一致的點組成的區(qū)域[1].界面作為復合材料一個重要的微結構, 不僅起著連接增強纖維與樹脂基體的“橋梁”作用, 也是外加載荷從基體向增強纖維傳遞的“紐帶”[2].界面性能是影響復合材料力學性能、熱學性能等的關鍵因素，研究復合材料界面性能是研究復合材料性能的基礎.

界面問題一直是復合材料性能中的重點研究問題，目前已有學者對碳纖維復合材料界面性能進行了大量研究[3-7]，主要有常溫下陽極氧化處理、丙烯酸處理、高溫高壓氨溶液法、表面沉積碳納米管等方法對碳纖維表面進行改性，以提高碳纖維復合材料的界面性能.

已有部分學者研究了溫度對界面的影響，但直接研究溫度對碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料界面的影響卻鮮有報道.文獻[8]通過微黏法測試玻璃纖維/聚丙烯基復合材料在-40～100℃條件下的界面剪切強度，研究結果表明，隨著溫度的提高，界面剪切強度呈降低趨勢.文獻[9]分別測試經(jīng)相對濕度為95%以及溫度為60和70℃處理1200h的玻璃纖維/樹脂基、碳纖維/樹脂基復合材料層合板界面黏結強度，研究表明，在吸收水分相同的條件下，溫度越高則層間剪切強度越低.文獻[10]通過微黏法分別測試玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料在20，40，60，80，100，120，150℃的界面黏結強度，試驗結果表明，隨著溫度的提高，復合材料的界面黏結強度呈降低趨勢.在-40～70℃條件下，文獻[11]測定了纖維布與混凝土間的抗剪切黏結強度，當溫度為-40～60℃， 其抗剪切黏結強度變化較小，而當溫度達到70℃時，抗剪切黏結強度大幅下降.

纖維拔出試驗是最早出現(xiàn)，也是較為直觀測定界面參數(shù)的方法[1].大部分學者采用單纖維的方法研究界面性能.相較于單纖維，束纖維更接近復合材料中紗線與樹脂結合的真實狀態(tài).本文通過束纖維抽拔試驗，研究溫度對碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料界面性能的影響.

1試驗

1.1試驗材料

本文采用T700S-12K型碳纖維(Toray Carbon Fibers America， Inc)和JA-02型環(huán)氧樹脂(常熟佳發(fā)化學有限責任公司)作為試驗原材料，采用澆注的方法制作試樣，試樣固化工藝為90℃(2h)→110℃(1h)→130℃(4h).碳纖維束抽拔測試試樣基體尺寸(長×寬×高)為15 mm×10 mm×1 mm.

1.2樹脂的熱力學性能測試

用動態(tài)熱機械分析儀(DMA-8000型)對樹脂進行熱力學性能測試，試樣尺寸(長×寬×高)為28.0 mm × 5.5 mm × 2.8 mm，采用單懸臂梁加載模式，加載頻率為1Hz,振幅為0.5mm.測試溫度為20～220℃,升溫速度為3℃/min.此外,為探求加熱時間對環(huán)氧樹脂力學性能的影響,分別在90和210℃兩個溫度點進行1h掃描測試.

1.3碳纖維束抽拔試驗

試驗前，先用有限元ABAQUS軟件對試樣進行傳熱分析，確定試樣達到熱平衡的時間為6min.

本文用配備高溫試驗箱的CZ-8010L型萬能試驗機(東莞眾志檢測儀器有限公司)在環(huán)境溫度為20，50，80，110，140℃下對碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料進行抽拔試驗.測試中試樣夾持點到澆注塊基體間的距離為4cm，拉伸速度為2mm/min,試樣先加熱至指定溫度放置6min進行熱平衡，然后進行拉伸抽拔.在每個溫度點下重復試驗，最終選取4個試驗結果.測試儀器及試樣受力示意圖分別如圖1和2所示.

圖1　萬能試驗機Fig.1　Universal testing machine

圖2　抽拔示意圖Fig.2　Schematic of pull-out

1.4不同溫度下碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料斷面掃描

采用TM 3000型掃描電子顯微鏡測試在溫度20，50，80，110,140℃下進行抽拔后的碳纖維束表面形態(tài).截取長為3mm經(jīng)抽拔后的碳纖維束試樣，用導電膠將試樣黏結在試樣臺上，對試樣噴金處理后進行碳纖維束表面狀態(tài)觀察.

2結果與討論

2.1環(huán)氧樹脂的熱力學性能

圖3為環(huán)氧樹脂的動態(tài)熱力學分析(DMA)溫度掃描曲線.本文根據(jù)儲能模量曲線的折點確定環(huán)氧樹脂的玻璃化轉變溫度約為110℃.由圖3可知,隨著溫度的升高，環(huán)氧樹脂的儲能模量E′降低，在玻璃化轉變溫度前，E′維持在較高的水平，隨后其急劇下降，在130℃時下降至一個很低的平臺.損耗模量E″在116℃前急劇上升，隨后又急劇下降.根據(jù)測試結果可知，環(huán)氧樹脂力學性能受溫度影響很大，在玻璃化轉變溫度后其剛度急劇下降.

圖3　環(huán)氧樹脂動態(tài)熱力學分析溫度掃描曲線Fig.3　DMA temperature sweep curves of epoxy resin

圖4為環(huán)氧樹脂的DMA時間掃描測試結果.從圖4可以看出，在90和210℃這兩個溫度點下加熱1h過程中，在相同溫度條件下環(huán)氧樹脂的儲能模量沒有明顯的變化.由此表明，環(huán)氧樹脂在加熱1h 之內(nèi)，力學性能基本保持不變，在抽拔試驗對試樣加熱至平衡過程中，可以認為樹脂力學性能不隨時間的增加而改變.

(a) 90℃

(b) 210℃

2.2不同溫度下復合材料的失效模式

圖5為通過掃描電子顯微鏡(SEM)獲得的在不同溫度下進行抽拔后的碳纖維束表面狀態(tài).從圖5可以看出，在不同溫度下抽拔斷口有明顯區(qū)別.在較低溫度下(如20，50℃)進行抽拔后，被拔出的纖維束表面比較光滑，黏附很少的環(huán)氧樹脂碎片，這表明抽拔導致纖維與樹脂發(fā)生剝離，因而大量的界面被破壞.隨著溫度的升高，抽拔出來的纖維表面黏附的基體碎片逐漸增多，斷面越來越粗糙，這是因為相比于纖維束和樹脂之間的界面強度，基體自身的力學性能隨溫度升高有更大程度的下降，基體的破壞在整體的抽拔破壞過程中占據(jù)了越來越大的份額，在高溫140℃時甚至成為主導破壞因素.

(a) 20℃

(b) 50℃

(c) 80℃

(d) 110℃

(e) 140℃

2.3溫度對碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料界面的影響

圖6為在不同溫度下碳纖維束抽拔的載荷-位移曲線.

圖6　不同溫度下碳纖維束抽拔的載荷-位移曲線Fig.6　Load-displacement curves of carbon fiber bundle pull-out at different temperature

由圖6可以看出，載荷-位移曲線初始段斜率逐漸上升，然后載荷線性增長，隨著位移的增加，載荷很快達到最大值后迅速下降.這主要因為抽拔初始段碳纖維束中的纖維受力不均勻，當所有纖維共同受力時，載荷出現(xiàn)線性增長，界面或基體出現(xiàn)裂紋時，試樣產(chǎn)生損傷，裂紋逐步擴展，直至試樣完全失效，即載荷達到臨界值后急劇下降.在溫度110和140℃條件下載荷-位移曲線有明顯的屈服段，這主要受樹脂基體軟化的影響.

圖7為不同溫度下碳纖維束抽拔最大載荷值.從圖7可以看出，碳纖維束最大拔出載荷隨溫度的升高而下降.在中低溫環(huán)境下(20，50，80℃)，最大拔出載荷下降幅度相對較小，而在110和140℃高溫環(huán)境下，最大拔出載荷下降幅度較大.結合圖5可知，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因可能在于較低溫度時，溫度影響碳纖維/環(huán)氧樹脂界面間的化學鍵、分子間作用力，隨著溫度升高界面黏結強度降低，而界面黏結強度的降低是纖維束拔出載荷降低的主要原因；當達到樹脂玻璃化轉變溫度之后，基體力學性能迅速下降，容易產(chǎn)生破壞，故高溫狀態(tài)下基體力學性能的大幅降低成為拔出載荷降低的主導因素.

圖7　不同溫度下碳纖維束抽拔最大載荷值Fig.7　The peak load of carbon fiber bundle pull-out at different temperature

圖8為在不同溫度下進行碳纖維束抽拔得到的失效位移-溫度曲線.

圖8　不同溫度下碳纖維束抽拔失效位移Fig.8　The failure displacement of carbon fiber bundle pull-out at different temperature

從圖8可以看出，碳纖維束拔出位移隨溫度的升高先增大后減小，在低于80℃時位移增幅較小，110℃時位移達到最大.這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因：碳纖維熱穩(wěn)定性好，溫度對碳纖維力學性能的影響可以忽略不計.不同溫度下碳纖維束拔出位移的變化主要受基體影響.當試驗溫度小于樹脂的玻璃化轉變溫度時，樹脂基體的模量隨溫度的升高有所降低，在纖維束拔出時，基體受纖維拉伸作用而產(chǎn)生的變形有所增加，從而導致纖維束抽拔位移隨之增大.當試驗溫度在環(huán)氧樹脂的玻璃化轉變溫度左右(110℃)，基體模量大幅下降，抽拔過程產(chǎn)生很大變形，相應位移達到一個較大值.當試驗溫度在140℃時，環(huán)氧樹脂已處于高彈態(tài)，其模量與強度均很低，樹脂強度低容易產(chǎn)生破壞，在抽拔過程中，纖維束容易被抽拔出，其位移相較于110℃反而減小.

3結論

(1) 環(huán)氧樹脂受溫度影響很大，隨著溫度的升高其儲能模量降低，玻璃化轉變溫度后力學性能大幅下降，但在加熱1h之內(nèi)其性能基本保持不變.

(2) 溫度不同，碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的失效模式不同，較低溫度下是界面脫黏主導的失效模式，隨著溫度的升高，失效模式逐漸轉變?yōu)榛w破壞主導的失效模式.

(3) 隨著溫度的升高，碳纖維束抽拔最大載荷值降低，拔出位移先增大后減小，在環(huán)氧樹脂玻璃化轉變溫度處拔出位移最大.

(4) 隨著溫度的升高，碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料界面黏結強度會受到溫度的影響而降低.

參考文獻

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文章編號：1671-0444(2016)03-0318-05

收稿日期：2015-06-02

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11272087)

作者簡介：程海霞(1990—)，女，山東青島人，碩士研究生，研究方向為紡織復合材料界面性能. E-mail:1145998272@qq.com 孫寶忠(聯(lián)系人)，男，教授，E-mail:sunbz@dhu.edu.cn

中圖分類號：TB 332

文獻標志碼：A

Effects of Temperature on the Interfacial Properties of Carbon Fiber/Epoxy Composites

CHENGHai-xia,SUNBao-zhong

(College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract:The load-displacement curves of carbon fiber/epoxy composites under different temperature are measured by fiber bundle pull-out method.The results show that the peak load and interfacial strength of carbon fiber/epoxy composites decrease with the increase of the test temperature, while the failure displacement increases at the first stage and then decreases,the failure displacement reaches the maximum at the glass transition temperature of epoxy resin. The scanning electron microscopy photographs indicate that the failure mode changes from interfacial debonding to matrix damage with the increase of the test temperature.

Key words:temperature； carbon fiber/epoxy composites； fiber bundle pull-out； interfacial strength