鏈狀纖維增強聚合物基復(fù)合材料界面相互作用及性能研究.pdf

1、短纖維增強復(fù)合材料中由于短纖維易引起應(yīng)力集中，容易誘發(fā)基體裂紋的產(chǎn)生，導(dǎo)致復(fù)合材料的強度和韌性降低。界面的合理設(shè)計在改善短纖維復(fù)合材料增強效果的方法中占有重要地位，但強的界面粘結(jié)力可提高復(fù)合材料的強度，卻往往導(dǎo)致韌性下降，而弱的界面結(jié)合改善了復(fù)合材料的韌性，又往往引起強度的降低。近年來，在纖維增強復(fù)合材料設(shè)計中引入“仿生設(shè)計”或“纖維形態(tài)設(shè)計”，有望在同時改善復(fù)合材料的強度和韌性方面開拓一條新的途徑。 在本學(xué)位論文研究中，我們借

2、鑒分析了文獻報道過的已有的纖維形態(tài)設(shè)計，如啞鈴狀纖維、分形樹狀纖維以及竹節(jié)狀纖維等，自行設(shè)計了一種“鏈狀”纖維，即通過機械加壓的辦法將普通的平直纖維制成一種形似鏈條狀的異形纖維，該纖維由多個鏈節(jié)組成，每個鏈節(jié)由一節(jié)圓柱體和一節(jié)橢圓柱體構(gòu)成。同時，以PP與熱塑性彈性體POE共混的方式得到不同強度的基體，用以考察基體性能對鏈狀纖維與基體間的相互作用。 本文首先研究了普通平直纖維制作成鏈狀纖維后力學(xué)性能和熱性能，發(fā)現(xiàn)經(jīng)制作后鏈狀纖維的

3、力學(xué)性能略有降低，但不影響其作為增強材料使用；而鏈狀纖維的熱性能基本沒有改變。在PP與彈性體POE共混物基體的各性能中，對纖維與基體間相互作用影響最大的基體彈性模量，隨POE加入量的增加而減小，即基體的強度降低而彈性增加了。 主要以纖維單絲拔出試驗來研究平直纖維和鏈狀纖維與聚合物基體之間的界面相互作用。由于聚酰胺纖維表面與聚丙烯基體之間不存在化學(xué)或特殊相互作用且界面結(jié)合較弱，可忽略纖維.基體界面化學(xué)作用對研究鏈狀纖維形態(tài)引起的界

4、面作用的影響。實驗結(jié)果表明，平直纖維的單絲拔出曲線與已報道的相同，且與基體間的界面結(jié)合很弱；而鏈狀纖維則明顯不同，其應(yīng)力-位移曲線上出現(xiàn)了很有趣的有規(guī)律的多重峰，且峰的數(shù)目恰好與所埋纖維的鏈節(jié)數(shù)目相對應(yīng)。在多重峰中，第一個峰值最大，以后的峰值逐漸減小。當(dāng)纖維的埋入深度相同時，鏈狀纖維的拔出力比平直纖維的高得多，相應(yīng)的拔出功也明顯增高。通過單絲拔出實驗，初步證明了鏈狀纖維可以同時提高弱界面結(jié)合的纖維增強聚合物復(fù)合材料的強度和韌性。

5、 為了比較鏈狀纖維對纖維.基體界面相互作用的影響，本文設(shè)計了另兩種鏈狀纖維，一種是加大制作壓力，使鏈狀纖維橢圓截面部分形變變大，一種是改變模具尺寸，使纖維中每個鏈節(jié)的長度不同，以此來研究鏈狀纖維形態(tài)的變化對纖維與基體界面相互作用的關(guān)系。單絲拔出實驗研究結(jié)果表明，在相同埋入深度下，使用橢圓截面部分更加扁平的鏈狀纖維，其負載都高于較低壓力下制備的鏈狀纖維，而增加每個鏈節(jié)的長度，其負載得以提高。此外，改變鏈狀纖維的直徑將影響其達到斷裂拉伸強度

6、的埋入深度。 基體的強度也是影響纖維與基體界面相互作用的重要因素，研究結(jié)果顯示，鏈狀纖維在拔出過程中纖維與基體間由于纖維形態(tài)的交替變化而發(fā)生強烈的相互作用，且纖維和基體都發(fā)生了形變。因此，當(dāng)基體的強度較大時，纖維的形變更大一些，隨著基體強度的減小，纖維的形變減小，基體的形變增加，因而實驗測得的鏈狀纖維拔出過程的載荷，是纖維與基體形變共同作用的結(jié)果，使其作用機理趨于復(fù)雜化。同時，隨基體彈性的增加，鏈狀纖維的最大拔出力逐漸減小，纖維

7、與基體間的相互作用減弱。當(dāng)使用銅制鏈狀纖維作比較時，發(fā)現(xiàn)纖維強度的增加并沒有改變鏈狀纖維單絲拔出曲線中多重峰的規(guī)律，只是纖維形變減少，拔出曲線中力與位移的對應(yīng)關(guān)系更為規(guī)整。 研究結(jié)果還顯示，由多根鏈狀纖維增強的復(fù)合材料的拉伸強度較基體和平直纖維復(fù)合材料顯著提高，且隨纖維層數(shù)和加入量的增加，拉伸強度提高的幅度更大。抗沖擊性能研究結(jié)果顯示，鏈狀纖維增強復(fù)合材料的韌性比基體和平直纖維復(fù)合材料高。這從實驗上證明了使用鏈狀纖維確能同時提高