[发明专利]一种表征高性能纤维与非透光树脂基体间界面剪切强度的方法

说明书

本发明公开了一种表征高性能纤维与非透光树脂基体间界面剪切强度的方法，创造性地把单纤维复合材料的显微拉伸实验与能谱仪结合起来使用，解决了采用传统的单纤维复合材料断裂实验表征纤维与树脂界面剪切强度时，要求树脂基体必须透光的问题。具体操作方法：一、对单纤维复合材料进行显微拉伸，直到单纤维复合材料破坏；二、对单纤维复合材料进行均匀打磨减薄处理，然后再进行抛光处理，直止纤维表面漏出；三、将抛光后的单纤维复合材料进行能谱测试，分析复合材料纤维露出表面微区的元素分布，进而获得纤维的断裂情况；四、计算出测试长度内纤维的临界断裂长度，最终表征纤维与非透光树脂基体间界面剪切强度。

技术领域

本发明涉及一种复合材料界面剪切强度的测试方法，属于复合材料性能测试技术领域。

背景技术

纤维/树脂间的界面对复合材料的力学性能起着至关重要的作用，它是纤维与树脂间载荷传递的桥梁，因此，对于界面结构与界面性能的研究一直是复合材料研究工作者所关心的重要科学问题。近年来发展起来的复合材料界面微观测试方法，包括临界断裂长度法、单丝顶出法、单丝拔出法和树脂微滴脱粘法等，可以弥补宏观测试方法精确度差的缺点，能够精确、直观地评价复合材料的界面性能。其中，通过单纤维复合材料断裂实验实现的临界断裂长度法具有操作简单、对仪器的要求较低、结果精度高等优点，已成为复合材料界面测试方法中应用最为广泛的一种方法。

采用传统的临界断裂长度法表征纤维与树脂间的界面剪切强度一般是在偏光显微镜的辅助下完成的，单纤维复合材料经过拉伸之后，在偏光显微镜下可以捕捉到纤维断点处的双折射现象，得到纤维在基体中的断裂情况，进而计算出纤维与树脂基体间的界面剪切强度。但是在纤维与非透光树脂基体复合的单纤维复合材料中，光线不能透过树脂基体，复合材料经过拉伸之后，无法通过偏光显微镜看到纤维断点处的双折射现象，因此无法通过临界断裂长度法表征纤维与非透光树脂间的界面剪切强度。但在复合材料的实际生产和应用中，采用无机填料(如碳纳米管、石墨烯、SiO₂、Al₂O₃和蒙脱土等)对树脂基体改性已经非常普遍，这些改性后的树脂基体是不透光的。因此，如何测试高性能纤维与非透光树脂基体间的界面剪切强度是目前纤维增强树脂基复合材料领域急需要解决的问题。

发明内容

本发明创造性地把单纤维复合材料的显微拉伸实验与能谱测试结合起来，解决了单纤维复合材料断裂实验不能测试高性能纤维与非透光树脂间界面剪切强度的难题。

具体操作方法：一、把单纤维复合材料在显微拉伸仪上进行拉伸，直至单纤维复合材料被破坏；二、对单纤维复合材料进行逐级均匀打磨减薄处理，直至打磨到纤维表面露出，然后再进行抛光处理；三、将抛光后的单纤维复合材料进行能谱测试，分析单纤维复合材料表面微区的元素分布得到纤维的断裂情况，进而获得测试长度内高性能纤维的临界断裂长度l_c，

其中，l_avg是测试长度内增强体纤维片段的平均长度，l_i是能谱测试中单个纤维片段的长度，n是测试长度内增强体纤维片段的数量；四、对增强体纤维的拉伸强度进行离散性分析，得到增强体纤维在临界断裂长度下的强度：

其中，a＝1，l_c是临界断裂长度，l₀是增强体纤维拉伸测试使用的纤维长度，σ是韦伯尺寸参数，ρ是韦伯形状参数；五、计算纤维和非透光树脂基体间的界面剪切强度，

其中，τ_IFSS是界面剪切强度，d是增强体纤维直径，l_c是临界断裂长度，σ_f是增强体纤维在临界断裂长度时的强度。