[发明专利]陶瓷纤维增强树脂基复合材料界面结合强度的测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷纤维，具体是涉及一种陶瓷纤维增强树脂基复合材料界面结合强度的测试方法。

背景技术

陶瓷纤维主要包括碳纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、氧化铝纤维等新型高性能一维材料，这些纤维直径均在10μm左右，利用它们为增强体制备的树脂复合材料具有优异的力学性能，并可具有电磁功能，有潜力应用在航空航天、国防以及工业领域，是各国正在积极发展的先进复合材料。其中，如何使复合材料具有优异的力学性能是复合材料设计与制备的研究重点之一，而纤维与树脂基体界面力学性能的测定则是评价复合材料力学性能的重要依据，也是进行复合材料性能优化的重要前提。

界面力学性能的研究方法中，单丝拔出实验是最直接、简易、有效的方法，Brontman首先提出了用单丝拔出试验来测量界面粘结强度，其基本原理是将单纤维丝的一端埋入块状基体，制成单纤维复合材料模型试样，然后沿纤维的轴向施加逐渐增加的拉力将纤维从基体中拔出，在这过程中记录载荷-位移曲线。通过适当的界面载荷传递模型，即可测得界面剪切强度、界面摩擦系数及界面裂纹扩展功等界面常数。单丝的拔出长度受到单丝强度影响，能够完全拔出的最大嵌入长度与单丝极限强度及纤维半径成正比，与纤维基体剪切应力成反比。Brontman试验方法提出时，研究对象主要由玻璃纤维、玻璃棒、金属丝等传统的毫米级纤维增强体制备的复合材料，并未针对近年来发展的细直径陶瓷纤维与树脂基体的界面力学性能测试方法进行讨论。由于陶瓷纤维直径小、质量轻、易断裂，单丝拔出的试验操作过程势必与传统大直径纤维存在本质差异，进行拔出实验过程中，任何一步操作不当都可能使纤维被破坏，导致实验失败，因此有必要发展针对新型的陶瓷纤维增强树脂基复合材料的界面力学性能测试方法。

目前还未见关于测量陶瓷纤维增强树脂基复合材料界面结合强度方法的专利及文献报道。仅有个别文献报到了有机纤维增强树脂基复合材料的单丝拔出实验方法，这些方法均不适用于测试陶瓷纤维增强树脂基复合材料界面结合强度的界面结合强度，原因分析如下：

文献“金士九等，单丝拔出实验研究芳纶-环氧树脂界面相，复合材料学报，1994年第11卷第4期20-25页”中提及了芳纶纤维-环氧树脂基复合材料单丝拔出的实验方法，纤维穿过硅橡胶垫后，一端用环氧液滴包埋，固化后将包埋端纤维切断，而后浇注比色层和无色层树脂，固化后，利用未包埋端纤维进行单丝强度测试。该法存在以下几个问题：1，纤维需穿过硅橡胶，为保证树脂不渗入橡胶，橡胶空隙孔径需接近纤维直径，而陶瓷纤维韧性低(一般为1％)，难以像具有高拉伸应变的有机纤维一样无损地穿过硅橡胶，发生断裂的几率过大，试验成功率低；2，受树脂粘度的影响，利用树脂液滴固化的方式包埋纤维，无法精确调控纤维的包埋深度，因而影响实验效果；3，该法每次仅包埋一根纤维，对实验操作要求较高，实验效率较低。

文献“袁海根等，表面处理对Kevlar纤维复合材料界面结合强度的影响，化学推进剂与高分子材料，2005年第3卷第5期38-46页”中提及了kevlar纤维-树脂基复合材料单丝拔出的实验方法。将一定量的双马来酰亚胺树脂压成直径为8mm的圆片，然后放入硅橡胶模具中，再将纤维单丝用引针穿过树脂片，最后垂直固定在单纤维复合材料模具上，在真空干燥箱中固化成型。根据树脂片的厚度来控制纤维埋入深度。复合材料脱模后，将单纤维复合材料上表面的纤维用双面刀片清根，再用金相砂纸打磨平，放于测试夹具中开始测试。该法存在以下几个问题：1，陶瓷纤维增强树脂基复合材料中纤维拔出深度一般为0.2以下，要求树脂片的厚度为微米级，难以获得微米级厚度尺寸的树脂片，影响控制精度；2，树脂片固化产物为圆筒形，普通拉伸试验平板磨具难以固定，需设计和制造新的夹具以配合圆筒试样；若利用平板夹具夹持，则需重新打磨圆筒试，此过程容易对纤维造成破坏；3，为保证纤维顺利通过引针穿过树脂圆片，圆片中心孔径远大于纤维直径，在包埋过程中，树脂容易沿圆片中心穿孔下溢，造成上包埋端凹陷，影响测试精度；4，包埋时，在圆片中心小孔形成的管状通道处，树脂容易在表面张力的作用下形成弯曲页面，影响测试精度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有陶瓷纤维增强树脂基复合材料中纤维与基体界面结合强度测试制样困难、测试效率低等问题，提供一种陶瓷纤维增强树脂基复合材料界面结合强度的测试方法。

本发明包括以下步骤：

A、利用速干胶将1～20根细直径陶瓷纤维平行粘结于印有刻度线的硬纸框上，使陶瓷纤维拉直，固化；

B、制备长方形包埋模具，将纤维连同硬纸框垂直放入模具中，再将树脂导入模具；