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界面性能对芳纶/环氧复合材料冲击能量吸收影响的研究

赵晓  
【摘要】: 纤维增强复合材料在受到低速冲击时,会通过各种形式的损伤耗散冲击能,这些产生于材料内部的损伤严重影响材料的弯曲强度、压缩强度等力学性能。材料的损伤模式及吸收能量的机理非常复杂,受多种因素影响。其中纤维/基体界面作为传递载荷的载体,其粘结性能会对材料的冲击性能有较大影响。不同增强材料与基体形成的界面,其性能对复合材料冲击性能的影响机理及影响结果不同。因此,针对特定的纤维与基体,研究界面粘结性能对低速冲击性能的影响具有实际意义。 本课题采用低温等离子体对芳纶纤维进行表面处理后,用SEM观察纤维表面,发现未经等离子体处理的纤维表面比较光滑;等离子体处理6分钟后,纤维表面变得粗糙,产生很多微小的刻蚀坑;等离子体处理9分钟后,纤维表面受到的刻蚀程度明显增加,并产生表面剥离现象。 测试了处理前后纤维的拉伸性能,并借助数理统计的方法对试验数据进行检验,结果表明,经等离子体处理后,芳纶纤维的拉伸强度、初始模量以及断裂伸长率都有所下降,但幅度不大。 用单纤维抽拔法对纤维/基体界面的粘结强度进行了定量表征,发现纤维经等离子体处理后,界面剪切强度有所提高。等离子体处理6分钟时,界面剪切强度提高幅度最大,比未处理前提高了16.22%。随着等离子体处理时间的进一步延长,界面剪切强度反而有下降趋势。处理9分钟后,界面剪切强度比处理6分钟时有所下降,但仍比未处理前有所增加。处理12分钟后,界面剪切强度与处理6分钟的试样相比下降较多。 用摆锤低速冲击仪对界面粘结强度不同的材料进行冲击试验,借助数据采集系统得到冲击过程中材料吸收的总能量、承受载荷、摆锤速度等参数与时间的关系曲线,并通过PC机处理,将载荷—时间曲线转化为载荷—位移曲线。通过对载荷—位移曲线进行积分,可得到不同试样在冲击过程中吸收的总能量、裂纹起始区吸收的引发能以及裂纹扩展区吸收的扩展能,从而分析界面粘结强度对材料能量吸收能力的影响。结果表明,未经处理的芳纶/环氧界面剪切强度较小,在较低载荷下就出现初始裂纹,极限载荷相对较小,引发能较小,但所吸收的扩展能相对较多。 界面剪切强度增加后,材料的冲击极限载荷有所增加,在裂纹起始区吸 收的引发能增加较多,其中增强纤维经等离子体处理6分钟的试样所吸 收的引发能增加了18.57%;由于裂纹扩展阶段所吸收的能量相对有所下 降,材料总的能量吸收能力虽有所改善,但增加不多,其中界面剪切强 度增加最多的试样,吸收的总能量增加了12.89%。 分析材料的冲击断口形貌发现界面剪切强度改变后,材料的损伤模 式也受到了影响。界面性能未发生变化的试样断口处有大量的纤维抽拔 现象,说明材料在冲击过程中主要的损伤模式为纤维抽拔;界面剪切强 度增加后,试样断口比较平整,主要损伤模式由纤维抽拔变为纤维/基体 界面脱粘以及分层。


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