1前言

       纖維復(fù)合材料界面性能對(duì)材料性能有著很大的影響。對(duì)于基體較弱而纖維具有高強(qiáng)度高彈性橫量的復(fù)合材料來說，應(yīng)力是通過界面而從纖維傳遞到基體中的。對(duì)于短纖維復(fù)合材料，界面強(qiáng)度決定著臨界斷裂長(zhǎng)徑比及復(fù)合材料的增強(qiáng)效果。較高纖維含量、單向短纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度ó可表示為：

          
       由式(1)和式(2)可以看出，對(duì)于高強(qiáng)度短纖維增強(qiáng)熱塑性有機(jī)復(fù)合材料，高的界面強(qiáng)度是必要的。當(dāng)纖維隨機(jī)分布時(shí)，因?yàn)橛械睦w維垂直于應(yīng)力方向，因此界面強(qiáng)度更為重要．

       本文通過對(duì)兩種熱塑性基體復(fù)合材料的研究，探討界面化學(xué)作用對(duì)界面強(qiáng)度和復(fù)合材料性能的影響。

2  實(shí)    驗(yàn)

       實(shí)驗(yàn)選用兩種有代表性的熱塑性有機(jī)高分子材料即聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)作為基體。它們均為無定形透明聚合物，具有相近的強(qiáng)度和彈性模量，但兩者的斷裂行為相差很大，PMMA為典型脆性斷裂，斷裂韌性約為1.5MPa.m1/2，PC具有兩種斷裂模式，脆性斷裂時(shí)其斷裂韌性約為2MPa．ml/2，韌性斷裂時(shí)其韌性高達(dá)9MPa．ml/2。表1示出兩種基體材料的有關(guān)性能。

       所用纖維為高強(qiáng)度BK-10光學(xué)玻璃纖維，其強(qiáng)度為600-800MPa，直徑10-30um，纖維長(zhǎng)徑比為50-100。將短纖維在水蒸汽中水化后浸潰在有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑溶液中約30min，然后用乙醇將多余偶聯(lián)劑洗除，最后在50℃以上溫度下干燥。
       另一種耦聯(lián)劑的施用方法是將其加入基體溶液中然后再進(jìn)行纖維復(fù)合。   
          
       根據(jù)基體的性能分別選取兩種不同的偶聯(lián)劑用于PMMA和PC，它們分別選自丙烯酸酯和胺類的有機(jī)硅浣。

       復(fù)合材料的制備是將基體有機(jī)物溶于二氯甲烷中，加入纖維并攪拌分散，倒入具有涂層的淺容器中使其成一均勻薄層，干燥后裁成適當(dāng)形狀于250℃下模壓成復(fù)合材料試樣。

       復(fù)合材料斷裂行為采用復(fù)合材料單元進(jìn)行考察。在基體中復(fù)合一單根長(zhǎng)纖維制成復(fù)合單元。為實(shí)驗(yàn)方便，采用直徑為70-80um的同材質(zhì)纖維。斷裂模式由光學(xué)及電子顯微鏡觀察研究。復(fù)合材料強(qiáng)度及斷裂韌性根據(jù)ASTM有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)由Instron試驗(yàn)機(jī)測(cè)試。
 
                 
                
    一——
   
3  結(jié)果和討論

3.1界面強(qiáng)度測(cè)量

       玻璃纖維與基體的界面強(qiáng)度由單絲纖維復(fù)合材料單元拉伸試驗(yàn)法測(cè)量。拉伸試樣在受到張應(yīng)力達(dá)一定值后纖維開始斷裂。當(dāng)應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)纖維繼續(xù)斷裂，長(zhǎng)度逐漸變短，直至達(dá)到應(yīng)力傳遞臨界長(zhǎng)度。圖1給出PC基體復(fù)合材料單元拉伸試樣的光學(xué)顯微照片。根據(jù)纖維強(qiáng)度、直徑及纖維臨界斷裂長(zhǎng)度便可以計(jì)算出界面結(jié)合剪切強(qiáng)度：
                  
                

3.2纖維與基體界面的控制

        如前所述，短纖維熱塑性有機(jī)復(fù)合材料界面強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料性能的影響很大。要取得好的復(fù)合增強(qiáng)效果，界面強(qiáng)度需較強(qiáng)。通常玻璃纖維表面與熱塑性基體間的結(jié)合界面比較弱，為改善界面結(jié)合，提高界面強(qiáng)度，可以采用有機(jī)硅烷耦聯(lián)劑在玻璃纖維表面上涂覆，有機(jī)硅烷的極性端與玻璃表面結(jié)合，而非極性端與聚合物結(jié)合使界面結(jié)合更加緊密，玻璃纖維界面通過在水蒸汽中水化，產(chǎn)生活性中心，這些活性中心與耦聯(lián)劑的極性端結(jié)合，而非極性端與有機(jī)基，體結(jié)合形成較強(qiáng)的表面。與不進(jìn)行表面處理的試樣相比，纖維與基體的界面強(qiáng)度有明顯的提高，見表2。從圖2中可以看出，對(duì)于PMMA和PC基體復(fù)合材料來說，纖維表面進(jìn)行涂覆使得基體與纖維的結(jié)合更為緊密。當(dāng)復(fù)合材料破壞時(shí)，有殘余基體材料留在纖維表面上，而未進(jìn)行處理的纖維與基體結(jié)合較弱，在破壞時(shí)纖維表面很光滑，無殘余基體材料。

      從表3的結(jié)果可以看出在基體中加入耦聯(lián)劑然后與纖維復(fù)合的效果較差，基體與纖維界面強(qiáng)度較低，這是由于耦聯(lián)劑有相當(dāng)一部分存在于基體中，而在纖維與基體界面上起的作用較小。從表中還可以看出，耦聯(lián)劑使PMMA和PC基體兩種復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂韌性也顯著提高。界面強(qiáng)度與復(fù)臺(tái)材料力學(xué)性能之間有著顯著的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.3  復(fù)合材料單元破壞形式

       前面提到本研究采用兩種強(qiáng)度、彈性模量均相近但斷裂韌性及斷裂行為不同的基體材料，其一仁要目的就是研究不韌性的基體材料的復(fù)合效果及其破壞形式的差別。對(duì)于達(dá)到臨界狀態(tài)的復(fù)合材料單元來說，不同的破壞起源及不同的破壞形式是由于基體和纖維的性能以及基體和纖維問界面的性質(zhì)所決定的。利用光學(xué)顯微鏡，可以分別觀察到脆性基體和韌性基體在界面強(qiáng)度較高（有耦聯(lián)劑）和界面強(qiáng)度較低（無耦聯(lián)劑）的情況下復(fù)合材料單元的四種破壞形式，如圖3所示。當(dāng)界面強(qiáng)度弱時(shí)，復(fù)合材料單元的纖維與基體通過界面破壞來調(diào)節(jié)其纖維與基體應(yīng)變的不匹配，纖維的破壞對(duì)基體的影響很小，凡基體的脆性和韌性對(duì)破壞形式影響較小，此時(shí)無論是脆性基體還是韌性基體纖維破壞局部無顯著的差異。然而當(dāng)采用耦聯(lián)劑使界面強(qiáng)度提高時(shí)，脆性即PMMA基體在纖維斷裂的附近由丁纖維裂紋擴(kuò)艘口{起的局部應(yīng)力集中而發(fā)生開裂，而韌性即PC蔟體在裂紋開裂時(shí)發(fā)生形變，纖維裂紋不繼續(xù)向基體擴(kuò)展。這樣脆性基體復(fù)合材料在界面強(qiáng)度較高的情況下會(huì)發(fā)生很多裂紋，這些裂紋在基體巾相瓦作用便會(huì)導(dǎo)致材料破壞；而韌性基體則先通過基體變形以調(diào)節(jié)局部應(yīng)變和應(yīng)力分布，最終由于材料所受應(yīng)力超出其強(qiáng)度極限而發(fā)生斷裂。

                
       由此可見，對(duì)于脆性基體復(fù)合材料，基體和界面的結(jié)合強(qiáng)度太高不是最好的選擇，這往往導(dǎo)致纖維開裂裂紋直接擴(kuò)展到基體中引起脆性基體的開裂，而韌性基體復(fù)合材料則應(yīng)盡可能地提高基體與纖維的界面強(qiáng)度以有效地發(fā)揮纖維的優(yōu)異的力學(xué)性能。

3.4復(fù)合材料的光學(xué)透明性

       采用適當(dāng)?shù)闹苽?a href="http://m.shijieche.cn/tech/" target="_blank">工藝，嚴(yán)格控制纖維基體界面，。并使纖維有效均勻地分散干基體中，當(dāng)基體與纖維的折光率相近時(shí)，可以制備出透明復(fù)合材料。圖4a示出20v.-%纖維含量的PMMA復(fù)合材料的斷口顯微結(jié)構(gòu)，可以看出纖維分布均勻且纖維與基體結(jié)合緊密。圖4b示出5mm厚20v.-%纖維含量的PMMA-BKIO纖維復(fù)合材料樣品，其光學(xué)透明性非常明顯，該試樣可見光透過率約為78%。這便給復(fù)合材料的應(yīng)用提出了一個(gè)新的課題。
               
                 
4  結(jié)    論

        采用適當(dāng)有機(jī)硅烷涂覆纖維表面可有效地提高復(fù)合材料基體和纖維的界面強(qiáng)度并相應(yīng)提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分別在強(qiáng)和弱的脆性及韌性基體復(fù)合材料體系中存在著四種纖維基體界面破壞形成。選用折光率相匹配的基體和玻璃纖維，嚴(yán)格控制制備工藝可以制備出高。
光學(xué)透明度的復(fù)合材料。