碳纖維復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)的形貌與尺寸的表征

      為了準(zhǔn)確測定碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)的形貌和尺寸，本文中介紹了一種原位納米力學(xué)動態(tài)模量成像技術(shù)，并采用該方法對碳纖維增強(qiáng)熱固性樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行了測試，對該技術(shù)在界面結(jié)構(gòu)測試上的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理方法以及適用性等方面進(jìn)行了分析。研究表明，該方法的橫向分辨率可以達(dá)到納米尺度，適于測量界面尺寸在納米級別的碳纖維復(fù)合材料界面形貌與尺寸。對于碳纖維／環(huán)氧樹脂和碳纖維／雙馬樹脂體系，界面區(qū)的儲能模量呈梯度變化，根據(jù)儲能模量成像圖的統(tǒng)計分析可得到界面的形貌和厚度。所得界面平均厚度在100 nm左右，橫截面上界面形貌呈不均勻的“河流狀”，并與碳纖維表面形貌相似。

       界面是樹脂基復(fù)合材料的重要組成部分，對復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐環(huán)境性能等有很大影響。通常認(rèn)為界面是樹脂與增強(qiáng)體之間有一定厚度的區(qū)域，其物理和化學(xué)特性與本體材料不同，其微觀形貌和尺寸對復(fù)合材料力學(xué)性能有著重要影響，如界面尺寸增大有利于改善復(fù)合材料的沖擊韌性，而界面尺寸減小可提高界面應(yīng)力傳遞效率，從而增大復(fù)合材料的強(qiáng)度日。因此，深入理解復(fù)合材料界面的微觀結(jié)構(gòu)，對于復(fù)合材料的微觀力學(xué)分析、材料設(shè)計和復(fù)合T藝優(yōu)化有著重要意義。

       對于纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，界面相的尺度比較小，通常介于數(shù)十納米到幾微米之間，傳統(tǒng)的方法難以對界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和測量。近幾年，納米力學(xué)測試技術(shù)發(fā)展很快，通過納米級尺寸的針尖對試樣表面進(jìn)行各種形式的加載，可以在分辨率很高的條件下得到材料微觀結(jié)構(gòu)及其性能的信息，其中原子力顯微鏡( AFM)、納米壓痕和納米劃痕邸已經(jīng)用于樹脂基復(fù)合材料界面性能的測試。通過這些方法可以得到界面相的硬度、剛度和模量，從而為界面結(jié)構(gòu)的分析提供重要信息。然而，目前這些技術(shù)在界面形貌和尺度的定量分析上仍受限于儀器橫向分辨率及定位能力的限制，特別是對于碳纖維增強(qiáng)的熱固性樹脂基復(fù)合材料，其界面厚度要明顯小于玻璃纖維復(fù)合材料和熱塑性樹脂基復(fù)合材料，其界面結(jié)構(gòu)的定量分析技術(shù)報道較少。

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