鏈狀纖維增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度和韌性降低。界面的合理設(shè)計(jì)在改善短纖維復(fù)合材料增強(qiáng)效果的方法中占有重要地位，但強(qiáng)的界面粘結(jié)力可提高復(fù)合材料的強(qiáng)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(qiáng)度的降低。近年來，在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)中引入“仿生設(shè)計(jì)”或“纖維形態(tài)設(shè)計(jì)”，有望在同時(shí)改善復(fù)合材料的強(qiáng)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(xiàn)報(bào)道過的已有的纖維形態(tài)設(shè)計(jì)，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(jì)了一種“鏈狀”纖維，即通過機(jī)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(gè)鏈節(jié)組成，每個(gè)鏈節(jié)由一節(jié)圓柱體和一節(jié)橢圓柱體構(gòu)成。同時(shí)，以PP與熱塑性彈性體POE共混的方式得到不同強(qiáng)度的基體，用以考察基體性能對(duì)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(qiáng)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(duì)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(qiáng)度降低而彈性增加了。 主要以纖維單絲拔出試驗(yàn)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(duì)研究鏈狀纖維形態(tài)引起的界

4、面作用的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，平直纖維的單絲拔出曲線與已報(bào)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(duì)應(yīng)。在多重峰中，第一個(gè)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(shí)，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(shí)驗(yàn)，初步證明了鏈狀纖維可以同時(shí)提高弱界面結(jié)合的纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。

5、 為了比較鏈狀纖維對(duì)纖維.基體界面相互作用的影響，本文設(shè)計(jì)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(gè)鏈節(jié)的長度不同，以此來研究鏈狀纖維形態(tài)的變化對(duì)纖維與基體界面相互作用的關(guān)系。單絲拔出實(shí)驗(yàn)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(fù)載都高于較低壓力下制備的鏈狀纖維，而增加每個(gè)鏈節(jié)的長度，其負(fù)載得以提高。此外，改變鏈狀纖維的直徑將影響其達(dá)到斷裂拉伸強(qiáng)度

6、的埋入深度。 基體的強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度較大時(shí)，纖維的形變更大一些，隨著基體強(qiáng)度的減小，纖維的形變減小，基體的形變?cè)黾?，因而?shí)驗(yàn)測(cè)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(jī)理趨于復(fù)雜化。同時(shí)，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(shí)，發(fā)現(xiàn)纖維強(qiáng)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(duì)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(qiáng)的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度提高的幅度更大?？箾_擊性能研究結(jié)果顯示，鏈狀纖維增強(qiáng)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(shí)驗(yàn)上證明了使用鏈狀纖維確能同時(shí)提高