詳解碳纖維復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的測試方法

在碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中，碳纖維與樹脂基體之間的有效黏結(jié)是復(fù)合材料具有優(yōu)異性能的保證。復(fù)合材料內(nèi)碳纖維與樹脂基體間的界面結(jié)合強(qiáng)度越高，越有利于應(yīng)力在纖維-樹脂基體間的轉(zhuǎn)移，得到的復(fù)合材料力學(xué)性能較好；但是界面結(jié)合強(qiáng)度也并非越高越好，因?yàn)檫^高的界面結(jié)合強(qiáng)度極易導(dǎo)致復(fù)合材料的韌性下降。

復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的表征檢測，可以從微觀和宏觀兩個(gè)層面上進(jìn)行：微觀測試是指將碳纖維絲束中的一根單絲作為研究對象，采用單絲拔出法、微脫黏法、單絲壓出法等測定復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度（IFSS）；宏觀測試是指以束絲碳纖維為對象，通過與樹脂基體復(fù)合制備成復(fù)合材料，然后利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試其層間剪切強(qiáng)度（ILSS）。下面將針對兩種方法進(jìn)行詳細(xì)分析：

01 

復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度

復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度（IFSS）最常用的測試方法有四種，分別為：單絲拔出法（pull-out）、微脫粘法（microbond）、單絲壓出法（push-out）和單絲包埋法（fragmentation），四種不同方法的示意圖如圖1所示。

在單絲拔出、微脫粘、單絲壓出三種方法中，外部載荷會(huì)直接作用在單根碳纖維上，而單絲包埋法中外部載荷是對樹脂基體進(jìn)行加載。

a、單絲拔出法：將埋入樹脂基體的單根纖維進(jìn)行拔出測試，該方法對纖維埋入樹脂基體內(nèi)長度的要求較高，如果過長在拔出過程中纖維易發(fā)生斷裂，因此埋入長度的高要求限制了該法的使用。

b、微脫粘法：樹脂基體在纖維表面形成微球，利用機(jī)械裝置將微球剝離，該方法對樹脂埋入纖維的長度要求也較高，埋入長度過大，機(jī)械剝離時(shí)易于造成纖維斷裂，埋入長度過小，機(jī)械裝置易從微球上方滑移，因此，埋入長度過大或過小均無法獲得有效值。

c、單絲壓出法：使用堅(jiān)硬的金剛石壓頭將單根碳纖維從樹脂中壓出，在壓出過程中考慮的因素較多（如殘余應(yīng)力、摩擦因子等），存在主要問題有壓出過程中在垂直于滑移方向產(chǎn)生的側(cè)向力數(shù)值難以估計(jì)等。

d、單絲包埋法也稱臨界斷裂長度法，隨著作用在基體上外部載荷的逐漸增大，應(yīng)力也逐步由基體轉(zhuǎn)移到纖維，纖維發(fā)生斷裂分成幾段，但斷裂長度達(dá)到臨界長度時(shí)碳纖維強(qiáng)度的確定困難，因此使用該法測定復(fù)合材料界面剪切時(shí)，基體多選用韌性材料。

總而言之，在復(fù)合材料IFSS測試時(shí)影響因素很多，造成其測試難度較大；而且由于研究對象為單根碳纖維，無論是從制樣過程亦或是測試階段，對操作要求極高，稍有不慎很容易造成纖維斷裂，目前IFSS測試僅適合與學(xué)術(shù)研究，對于工業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)意義十分有限。

02 

復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度（ILSS）測試時(shí)，首先要進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料制樣，詳細(xì)制樣流程如下：將基體樹脂與固化劑按照一定質(zhì)量比混合后，均勻涂覆于碳纖維表面，然后將其置于特定金屬模具內(nèi)高溫環(huán)境下固化，最后將加工成型后的樣品取出并打磨表面即得到實(shí)驗(yàn)用復(fù)合材料樣品。復(fù)合材料樣品的制備過程簡易示意圖如圖2所示。

制樣結(jié)束后，使用短梁剪切實(shí)驗(yàn)工具，利用三點(diǎn)彎曲方法對碳纖維復(fù)合材料ILSS進(jìn)行測試，外力加載示意圖如圖3所示。材料發(fā)生剪切破壞后，可以根據(jù)試樣尺寸、破壞時(shí)最大載荷等參數(shù)計(jì)算得到復(fù)合材料ILSS數(shù)值。目前該方法標(biāo)準(zhǔn)較多，如JC/T 773-2010、GB/T 30969-2014、ASTM D2344等，這些標(biāo)準(zhǔn)原理及操作過程相同，只是在樣品尺寸、支座半徑等上略有差異。

在圖2制樣前需要計(jì)算好涂覆在碳纖維表面的樹脂量，以保證最終碳纖維復(fù)合材料內(nèi)纖維與樹脂比例。上述試驗(yàn)是以快速評價(jià)碳纖維為目標(biāo)，尤其是適用于表面處理及上漿工藝調(diào)整后纖維與樹脂結(jié)合情況評價(jià)，因此制備方法較為簡單實(shí)用，而為了詳實(shí)反映界面狀態(tài)，也可以將束狀碳纖維浸在樹脂基體中制成預(yù)浸料、再經(jīng)裁剪、模具加工成復(fù)合材料后測試ILSS。

由于復(fù)合材料ILSS測試是以束絲碳纖維為對象，因此測試數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映碳纖維與樹脂基體界面結(jié)合狀態(tài)，因此，在工業(yè)生產(chǎn)中ILSS是表征復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度最常用的檢測方法。