【正文】 position /mm 圖 T300/TDE85體系接觸角測(cè)試曲線 0 1 2 3 4 5 00 0 00 5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 y= 5* 10 x+ 7* 104weight/gposition /mm 圖 CCF300/TDE85體系接觸角測(cè)試曲線 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 30 每種碳纖維測(cè)得的數(shù)值不少于 15個(gè)，除去外界干擾等因素造成的波動(dòng)比較大的數(shù)據(jù)，得到 10 組數(shù)據(jù)取均值，即得到不同種類碳纖維與 TDE85 環(huán)氧樹(shù)脂的接觸角，如表 所示。 表 三種纖維與 TDE85接觸角測(cè)試結(jié)果 纖維種類 T800(176。) T300(176。) CCF300(176。) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均值 由表 ， T800、 T300、 CCF300三種纖維與 TDE85環(huán)氧樹(shù)脂的觸角分別為 176。、 176。、 176。，分布在 30176。~90176。區(qū)間內(nèi)，從數(shù)據(jù)可以看出 TDE85環(huán)氧樹(shù)脂能潤(rùn)濕三種纖維。 碳纖維表面能分析 本實(shí)驗(yàn)采用 OWRK(OwensWendtRabeland Kaelble)方法 [43]，選用極性較強(qiáng)的二次蒸餾水和極性較弱的二碘甲烷為浸潤(rùn)液，通過(guò)測(cè)定這兩種液體與碳纖維的動(dòng)態(tài)接觸角，依據(jù)部分極性理論，通過(guò)幾何平均法來(lái)計(jì)算碳纖維的表面能。液體表面能極性分量和色散分量如表 所示，其中，二次蒸餾水和二碘甲烷的數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn) [44]， TDE85的數(shù)據(jù)來(lái)自實(shí)驗(yàn)測(cè)量 結(jié)果。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 31 表 三種液體的表面能 浸潤(rùn)液 γ(mJ/m2) γd(mJ/m2) γp(mJ/m2) 蒸餾水 二碘甲烷 TDE85 Owens 和 Wendt 認(rèn)為固液之間的粘附功 γ(1+cosθ)為固液間色散力相互作用的幾何平均與非色散力相互作用的幾何平均之總和，即： γ1(1+cosθ1)=2(γsdγ1d)1/2+2(γspγ1p)1/2 γ2(1+cosθ2)=2(γsdγ2d)1/2+2(γspγ2p)1/2 γs= γsd+γsp 在式中， γ γ2分別為兩種液體的表面能； θ θ2分別為纖維與兩種液體的動(dòng)態(tài)接觸角； γs 為纖維表面能； γsd、 γsp分別為纖維表面能的色散分量和極性分量； γ1 d、 γ2p分別為兩種液體表面能的極性分量； γ1 p、 γ2d分別為兩種液體表面能的色散分量； 多次測(cè)量取平均值，得到兩種浸潤(rùn)液體與碳纖維的接觸角。把數(shù)值代入上述的方程組中求解，可得出不同種類碳纖維的表面能。碳纖維表面能的測(cè)試結(jié)果如表 ，測(cè)試時(shí)恒溫 25℃ 。 表 不同纖維種類碳纖維表面能測(cè)試結(jié)果 纖維種類 θH2O(176。) θC2H2I2(176。) γsd(mJ/m2) γsp(mJ/m2) γs(mJ/m2) 300 T300 T800 由上表可以看出，日本東麗的 T系列纖維表面能明顯高于國(guó)產(chǎn)碳纖維，哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 32 T300、 T800差距不大。 CF/TDE85界面強(qiáng)度表征 復(fù)合材料綜合了增強(qiáng)體和基體各自的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)異的性能；但這是建立在兩者可以通過(guò)界面剪切方式傳遞載荷的基礎(chǔ)之上的，因此，碳纖維與樹(shù)脂基體間的有效粘結(jié)是復(fù)合材料具有優(yōu)異性能的保證。界面粘結(jié)強(qiáng)度與纖維和基體的表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)有關(guān)，而兩者間形成的界面層也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生重要影響，從而進(jìn)一步影響復(fù)合材料的性能 (如強(qiáng)度、韌性、熱阻等 )[45]，因此需要利用有效的表征手段測(cè)定復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度。 圖 ，從圖可以看出，樹(shù)脂小球脫粘前后，有明顯 的位移。 圖 其中 a)脫粘前 b)脫粘后 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 33 0 50 100 150 20001020304050 Force/mNTi me/s 圖 單纖維樹(shù)脂微滴復(fù)合材料界面強(qiáng)度測(cè)試曲線 以 T800為例，圖 ，從圖可以看出，微滴脫粘時(shí)，力有一個(gè)明顯的突變。尋找碳纖維在樹(shù)脂小球中包埋長(zhǎng)度相似的微滴，多次測(cè)量，從中選取 10個(gè)點(diǎn)取其平均值做為最終的測(cè)量結(jié)果，表 、 、 。 表 CCF300/TDE85體系 IFSS值 d= L/um F/mN ?/MPa 1 87 2 76 3 79 4 80 5 76 6 77 7 79 8 82 9 87 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 34 10 84 均值 81 表 T300/TDE85體系 IFSS值 d= L/um F/mN ?/MPa 1 93 2 86 3 76 4 78 5 95 6 83 7 87 8 90 9 89 10 92 均值 87 表 T800/TDE85體系 IFSS值 d=5um L/um F/mN ?/MPa 1 66 2 76 3 75 4 75 5 70 6 81 7 73 8 81 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 35 9 71 10 81 均值 75 由 至 ，碳纖維 CCF300、 T300、 T800 與 TDE85 環(huán)氧樹(shù)脂的界面剪切強(qiáng)度值依次為 、 、 ，這表明 TDE85環(huán)氧樹(shù)脂與碳纖維表面粘結(jié)良好，充分發(fā)揮了 纖維優(yōu)異的強(qiáng)度性能，尤其是對(duì)高強(qiáng)度的 T800碳纖維；相對(duì) T800單纖維復(fù)合材料， T300、 CCF300單纖維復(fù)合材料界面強(qiáng)度要小得多。 埋入長(zhǎng)度與最大脫粘力的關(guān)系 以 T800/TDE85 體系單纖維復(fù)合材料為例，樹(shù)脂小球脫粘時(shí)，最大脫粘力與包埋長(zhǎng)度存在一定的線性關(guān)系，如圖 。 0 10 20 30 40 50 60 70020406080 Fmax/mNL/um 圖 包埋長(zhǎng)度 L與最大脫粘力 F關(guān)系曲線 隨著包埋長(zhǎng)度的增加，最大脫粘力逐漸增大。當(dāng)埋入長(zhǎng)度在一定范圍脫粘時(shí)，其應(yīng)力狀態(tài)可看作不變，但是曲線不會(huì)無(wú)限地線性增加 。因?yàn)楫?dāng)埋入長(zhǎng)度超過(guò)一定值時(shí)，測(cè)試中的纖維極易發(fā)生斷裂，而此時(shí)小球并未脫粘。因哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 36 此存在一個(gè)臨界包埋長(zhǎng)度，當(dāng)埋入長(zhǎng)度大于該臨界長(zhǎng)度時(shí)，隨著埋入長(zhǎng)度的增加，最大脫粘力將不再發(fā)生變化 [46]。 埋入長(zhǎng)度過(guò)短，樹(shù)脂基體在碳纖維表面鋪展時(shí)形成的微球直徑小，上下刀口難以?shī)A持，測(cè)試時(shí)易滑脫；而埋入長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，纖維環(huán)氧樹(shù)脂間剪切強(qiáng)度超過(guò)了碳纖維單絲拉伸強(qiáng)度，此時(shí)碳纖維發(fā)生斷裂取代微球脫粘成為主要的破壞方式。用微脫粘法測(cè)界面剪切強(qiáng)度時(shí)，選取測(cè)試的包埋長(zhǎng)度宜控制在40~70μm。 CF/TDE85界面強(qiáng) 度由大到小的順序?yàn)椋?T800、 T300、 CCF300，與第三章的 XPS 結(jié)果比較可得，其與碳纖維表面含氧官能團(tuán)的含量是一致的，即與 CF/TDE85界面化學(xué)鍵合作用強(qiáng)弱相一致，說(shuō)明其界面強(qiáng)度的重要影響因素是碳纖維表面的含氧官能團(tuán)。 與復(fù)合材料宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，微復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)已經(jīng)能夠直接定量或半定量的測(cè)出界面強(qiáng)度，并且有些實(shí)驗(yàn)值已被用于復(fù)合材料宏觀設(shè)計(jì)和估算損傷、殘余剛度及壽命的研究等方面。但是其試樣制備及實(shí)驗(yàn)技術(shù)較為困難和復(fù)雜，需要測(cè)量大量的數(shù)據(jù)才能得到可信值；另外，實(shí)驗(yàn)采用的樣品屬于單纖維復(fù)合材料，其成型條 件與真實(shí)復(fù)合材料工藝存在差異，由此形成的界面與實(shí)際復(fù)合材料界面的性質(zhì)存在一定差異。 (1)采用 DCT21動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量?jī)x獲得了三種纖維與復(fù)配 TDE85環(huán)氧樹(shù)脂的接觸角，結(jié)果表明， TDE85環(huán)氧樹(shù)脂能夠較好地潤(rùn)濕三種纖維。 (2)依據(jù)部分極性理論，獲得三種纖維的表面能。三種纖維與樹(shù)脂的接觸角由大到小順序是 CCF300、 T800、 T300，而其表面能由大到小順序是 T300、T800、 CCF300；兩者對(duì)比可以看出：碳纖維表面能越大，其與 TDE85 接觸角就越小，潤(rùn)濕性就越好 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 37 (3)T800/TDE85體系的界面強(qiáng)度值高達(dá) ， TDE85環(huán)氧樹(shù)脂與碳纖維表面粘結(jié)良好，充分發(fā)揮了 T800 優(yōu)異的強(qiáng)度性能。最大脫粘力與纖維在樹(shù)脂小球中的包埋長(zhǎng)度有一定的線性關(guān)系。選取進(jìn)行測(cè)試的微滴包埋長(zhǎng)度在 40~70μm。 (4)與第三章 XPS和本章界面性能結(jié)果比較分析，基體潤(rùn)濕纖維表面是形成良好界面的先決條件；單纖維復(fù)合材料的界面強(qiáng)度隨著纖維表面含氧官能團(tuán)含量的增加而提高。這是因?yàn)楹豕倌軋F(tuán)一方面改善了纖維表面的極性，增大了纖維的表面能，提高了基體與其潤(rùn)濕性；另一方面，可與環(huán)氧樹(shù)脂基體的化學(xué)官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)作用， 形成強(qiáng)的結(jié)合界面。由此可知，界面化學(xué)鍵合作用是界面強(qiáng)度的重要影響因素 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 38 結(jié) 論 本課題以 T800為研究對(duì)象，采用微滴脫粘的方法測(cè)試其與 TDE85環(huán)氧樹(shù)脂的復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度，并與日本東麗公司生產(chǎn)的 T300 碳纖維和國(guó)產(chǎn)的 CCF300進(jìn)行對(duì)比分析，以此表征 T800復(fù)合材料的界面性能，并分析影響其界面性能的因素，為材料結(jié)構(gòu)及工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。 (1) 碳纖維 XPS分析結(jié)果表明：國(guó)產(chǎn) CCF300碳纖維表面只含有 C、 O兩種元素，而 T300、 T800在此基礎(chǔ)上，還含有 N、 Cl 等元素；碳纖維表面含氧官能團(tuán) T800含 量最高， T300次之， CCF300最低，僅為 %，這些含氧官能團(tuán)大部分為醚鍵，也有少部分的羧基和酯基；它們改善了碳纖維的表面極性，增加了纖維的活性，提高了纖維的表面能。 碳纖維與 TDE85 環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合后，界面只含有 C、 O、 N 三種元素，且界面產(chǎn)生了較強(qiáng)的物理和化學(xué)作用，形成了性能較好的界面。 (2)三種纖維與樹(shù)脂的接觸角由大到小順序是 CCF300、 T800、 T300，而其表面能由大到小順序是 T300、 T800、 CCF300；兩者對(duì)比可以得出：碳纖維表面能越大，其與 TDE85接觸角就越小，潤(rùn)濕性就 越好。 (3)在確定樹(shù)脂的固化制度、測(cè)試速度、刀口的位置及適當(dāng)?shù)陌耖L(zhǎng)度的情況下，測(cè)量碳纖維與 TDE85環(huán)氧樹(shù)脂的界面強(qiáng)度。微脫粘測(cè)試結(jié)果顯示：高性能 T800 碳纖維與 TDE85 環(huán)氧樹(shù)脂形成了較好的界面結(jié)合， T300 與CCF300強(qiáng)度值相差不大，其界面結(jié)合狀況比 T800/TDE85體系差，這說(shuō)明，TDE85充分發(fā)揮了 T800的高強(qiáng)度這個(gè)優(yōu)異性能。 (4)將界面強(qiáng)度 與 XPS 和潤(rùn)濕性結(jié)果分析可得，基體能潤(rùn)濕纖維表面是形成良好界面的前提；界面強(qiáng)度隨著纖維表面含氧官能團(tuán)含量的增加而提高，這是因?yàn)楹豕倌軋F(tuán)一方面使基 體與增強(qiáng)體發(fā)生潤(rùn)濕，另一方面與基體的環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生化學(xué)作用以形成良好的界面。由此可見(jiàn)，提高纖維表面含氧基團(tuán)的含量是改善界面的有效方式 。