【正文】 。 (4)將界面強度 與 XPS 和潤濕性結果分析可得，基體能潤濕纖維表面是形成良好界面的前提；界面強度隨著纖維表面含氧官能團含量的增加而提高，這是因為含氧官能團一方面使基 體與增強體發(fā)生潤濕，另一方面與基體的環(huán)氧基團發(fā)生化學作用以形成良好的界面。 (3)在確定樹脂的固化制度、測試速度、刀口的位置及適當?shù)陌耖L度的情況下，測量碳纖維與 TDE85環(huán)氧樹脂的界面強度。 碳纖維與 TDE85 環(huán)氧樹脂復合后，界面只含有 C、 O、 N 三種元素，且界面產(chǎn)生了較強的物理和化學作用，形成了性能較好的界面。由此可知，界面化學鍵合作用是界面強度的重要影響因素 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 38 結 論 本課題以 T800為研究對象，采用微滴脫粘的方法測試其與 TDE85環(huán)氧樹脂的復合材料界面剪切強度，并與日本東麗公司生產(chǎn)的 T300 碳纖維和國產(chǎn)的 CCF300進行對比分析，以此表征 T800復合材料的界面性能，并分析影響其界面性能的因素，為材料結構及工藝優(yōu)化設計奠定基礎。 (4)與第三章 XPS和本章界面性能結果比較分析，基體潤濕纖維表面是形成良好界面的先決條件；單纖維復合材料的界面強度隨著纖維表面含氧官能團含量的增加而提高。最大脫粘力與纖維在樹脂小球中的包埋長度有一定的線性關系。 (2)依據(jù)部分極性理論，獲得三種纖維的表面能。但是其試樣制備及實驗技術較為困難和復雜，需要測量大量的數(shù)據(jù)才能得到可信值；另外，實驗采用的樣品屬于單纖維復合材料，其成型條 件與真實復合材料工藝存在差異，由此形成的界面與實際復合材料界面的性質存在一定差異。 CF/TDE85界面強 度由大到小的順序為： T800、 T300、 CCF300，與第三章的 XPS 結果比較可得，其與碳纖維表面含氧官能團的含量是一致的，即與 CF/TDE85界面化學鍵合作用強弱相一致，說明其界面強度的重要影響因素是碳纖維表面的含氧官能團。 埋入長度過短，樹脂基體在碳纖維表面鋪展時形成的微球直徑小，上下刀口難以夾持，測試時易滑脫；而埋入長度過長，纖維環(huán)氧樹脂間剪切強度超過了碳纖維單絲拉伸強度，此時碳纖維發(fā)生斷裂取代微球脫粘成為主要的破壞方式。因為當埋入長度超過一定值時，測試中的纖維極易發(fā)生斷裂，而此時小球并未脫粘。 0 10 20 30 40 50 60 70020406080 Fmax/mNL/um 圖 包埋長度 L與最大脫粘力 F關系曲線 隨著包埋長度的增加，最大脫粘力逐漸增大。 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)氧樹脂的界面剪切強度值依次為 、 、 ，這表明 TDE85環(huán)氧樹脂與碳纖維表面粘結良好，充分發(fā)揮了 纖維優(yōu)異的強度性能，尤其是對高強度的 T800碳纖維；相對 T800單纖維復合材料， T300、 CCF300單纖維復合材料界面強度要小得多。 圖 其中 a)脫粘前 b)脫粘后 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 33 0 50 100 150 20001020304050 Force/mNTi me/s 圖 單纖維樹脂微滴復合材料界面強度測試曲線 以 T800為例，圖 ，從圖可以看出，微滴脫粘時，力有一個明顯的突變。界面粘結強度與纖維和基體的表面形態(tài)、結構有關，而兩者間形成的界面層也會對其產(chǎn)生重要影響，從而進一步影響復合材料的性能 (如強度、韌性、熱阻等 )[45]，因此需要利用有效的表征手段測定復合材料的界面粘結強度。) 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產(chǎn)碳纖維，哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 32 T300、 T800差距不大。 表 不同纖維種類碳纖維表面能測試結果 纖維種類 θH2O(176。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。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)來自文獻 [44]， TDE85的數(shù)據(jù)來自實驗測量 結果。區(qū)間內，從數(shù)據(jù)可以看出 TDE85環(huán)氧樹脂能潤濕三種纖維。分布在 30176。、 176。) CCF300(176。 表 三種纖維與 TDE85接觸角測試結果 纖維種類 T800(176。 依據(jù)計算機擬合直線在縱軸上的截距，就可算出接觸角。 接觸角測試結果與分析 三種碳纖維試樣與 TDE85環(huán)氧樹脂浸潤性測試的曲線如圖 、 、 所示。θ90176。θ30176。樹脂基體在纖維表面上的浸潤性與樹脂基體和碳纖維的表面能有關，基體的表面能越低，越有利于其在碳纖維表面的浸潤；哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 28 碳纖維的表面能越高，越有利于基體在其表面的浸潤；即碳纖維表面能越大，基體表面能越小，接觸角就越小，碳纖維與樹脂的浸潤性能就越好。 圖 接觸角與各界面張力的關系 三種界面張力同時作用在三相交會處的液體分子上，當固體表面為光滑的水平面，上述三種力處于平衡狀態(tài)時，滿足楊氏方程 γSVγSL=γLV cosθ 固體與液體接觸時，可產(chǎn)生固 液界面；而潤濕是固 液界面發(fā)生的一種常有現(xiàn)象，它是指固體與液體接觸后，液體取代原來固體表面上氣體而產(chǎn)生的固 液界面過程。 Zisman 于1963 年指出，復合材料兩組分間如果能夠實現(xiàn)完全浸潤，那么樹脂在高能表面的物理吸附所提供的粘接強度，將大大超過樹脂的內聚力。因此，界面的結構和性能直接影響著復合材料的性能。 (3)碳纖維與 TDE85 環(huán)氧樹脂復合，界面只含有 C、 O、 N 三種元素，形成了大量高能量的含氧官能團，使碳纖維表面官能團的含量、結構及化學環(huán)境都發(fā)生了明顯的變化，表明復合后界面產(chǎn)生了較強的物理和化學作用，形成了性能較好的界面。 (2)碳纖維原絲表面含氧官能團含量由大到小順序為 T800、 T300、CCF300，其值分別為 %、 %、 %。 本章介紹了 XPS測試 原理，著重分析了碳纖維原絲和單纖維復合材料試樣 XPS測試結果，包括碳纖維表面元素和表面含氧官能團的分析。這應該是纖維與 TDE85環(huán)氧樹脂結合，形成了大量高能量的含氧官能團，使碳纖維表面官能團的含量、結構及化學環(huán)境都發(fā)生了明顯的變化。 T800碳纖維表面含氧官能團含量高達 %， T300 次之，而國產(chǎn) CCF300 碳纖維僅為%。 292 290 288 286 284 282 280500100015002021250030003500Intensity/cpsBi nd in g En er gy /eV 421292 290 288 286 284 282 28050010001500202125003000Intensity/cpsBi nd in g En er gy /eV54321 292 290 288 286 284 282 280500100015002021250030003500211Intensity/cpsBi nd in g En er gy /eV 292 290 288 286 284 282 2800400800120016002021 5 4 321Intensity/cpsBi nd in g En er gy /eV 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 25 根據(jù)分析結果，可推測出碳纖維表面含氧官能團的分布與含量，見表 。 圖 、 、 T800、 T300、 CCF300碳纖維的 C1s 能譜。由表 ， CCF300M的 O/C 比提高，即其表面活性提高；而 T300M、 T800M的 O/C 比反而下降，但這并不能說明纖維表面含氧組分已被除掉。 T300、 T800 碳纖維原絲中所含有 的 Si、 Cl、 S 元素均檢測不到了，這可能是由于濃硫酸對樹脂刻蝕過度，對復合材料界面造成了一定損傷。 表 三種纖維表面化學元素組成 由碳纖維 XPS能譜可以看出：國產(chǎn) CCF300碳纖維原絲表面只含有 C、O 兩種元素， T300、 T800 都含有 C、 N、 O 三種元素，且 T300 含有微量的Cl 元素， T800在此基礎上，還有微量的 S元素。圖 、 、 T800、 T300、 CCF300哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 21 碳纖維的表面能譜圖，其中 CF 指碳纖維原絲， CFM指由復合材料刻蝕得到的纖維試樣。 碳纖維 XPS 測試結果與分析 在復合材料中，碳纖維表面的化學組分是影響其與樹脂基體之間界面粘結的主要因素之一。其作為一種非破壞性的表面分析技術，除了可以測定纖維表面化學元素組成外，還可以給碳出纖維表面基團種類及含量等信息。 對于纖維表面的基團，除了含量較大 且又屬于強吸收的基團之外，紅外光譜一般是無法測定的，而 XPS可以實現(xiàn)。信號來自表面幾個原子層，樣品量可少至 108 g，絕對靈敏度高達 1018 g。 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 20 第 3章 碳纖維表面化學結構分析 XPS 技術 20世紀 60年代末商品化以來，在短短的幾十年中它已從物理學家的實驗發(fā)展為一種廣泛應用的實用表面分析工具。先用雙面膠把纖維固定在紙板上，然后用 502膠水再次固定纖維，制成后的試樣如圖 ，下圖為制好的實際樣品。 圖 微脫粘測試示意圖 微脫粘試樣的制備 與其它微觀測試方法的試樣制作相比，微滴脫粘的試樣制作相對簡單，其試樣的制備過程如下。 IFSS=Fmax/(πd L) () 式中， IFSS為界面剪切強度值 (MPa)； Fmax為最大脫粘力 (N)； d為纖維直徑 (m)； L為纖維在樹脂小球中包埋長度 (m)