竹塑复合材料界面微纳力学表征方法研究

摘要

现代先进复合材料的研究认为，复合材料界面并不是简单的二维几何面，而是增强相与基体之间通过分子扩散、化学键合等多种作用机制形成的微小过渡区域，也称界面相。界面相的大小和性能对复合材料的刚度、强度、韧性，甚至耐老化性能有着重要的影响。因此，发展可靠的界面（相）力学表征新技术一直是复合材料的研究重点方向之一。 与人造纤维基复合材料相比，植物纤维高分子复合材料界面研究的难度更大，缺乏可靠的界面力学表征技术。因此，论文以竹纤维/聚丙烯复合材料界面为研究对象，制备模式复合材料开展界面力学表征新技术研究，旨在发展适用于植物纤维热塑高分子复合材料体系的界面力学表征技术，为今后深入研究该类复合材料界面相、界面载荷传递效率与材料宏观性能之间的内在关系奠定方法学基础。论文的第二章基于自主研发的微拉伸设备和纤维拔出测试理念，提出了一种可以直接定量测定单根竹纤维与热塑性聚合物间界面剪切强度(IFSS)的新方法，并将该方法扩展到了竹纤维束与聚丙烯、碳纤维与环氧树脂两种不同的复合材料体系界面载荷传递效率的快速评价;第三章以竹纤维束/PP模式复合材料的界面过度区域（界面相）为研究对象，建立了峰值力定量纳米力学(Peakforce QNM)以及纳米动态力学分析(nano DMA)两种纳米力学成像技术实验方法学;第四章则使用两种不同偶联剂，即马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)和硅烷分别对竹纤维束/聚丙烯(PP)模式复合材料进行改性，并应用第二章和第三章建立的微纳尺度界面力学表征技术对其界面载荷传递效率以及界面相尺度进行定量评价，从力学的角度直接揭示了复合材料中机械互锁、化学结合等界面结合作用机制的存在，定量评估了竹塑复合材料的界面相尺度大小，以及其与界面载荷传递效率之间的内在关系。 以上研究的主要结论归纳如下: (1)应用纤维拔出技术可以直接定量测量单根竹纤维、竹纤维束与PP之间的界面剪切强度。单根毛竹纤维与PP基体间的IFSS最大值为13.7MPa;最小值为1.1MPa，平均值为5MPa。测量值与纤维在基体中的埋入长度之间存在显著的负相关关系。因此，为了提高该拔出方法的可靠性和稳定性，需要对测试样品的纤维埋入长度进行严格控制。竹纤维束样品在PP中的埋入深度容易控制，变异性小，未改性PP与毛竹纤维束之间的界面剪切强度均值为9.3MPa，变异系数仅为19％。 (2)基于拔出测试理念以及先前研发的微拉伸设备，提出了改进的微结合拔出测试技术。应用该技术快速测量得到惰性碳纤维与环氧树脂间的IFSS值为7.08MPa，变异系数为28％，测试效率显著高于传统方法。 (3)nano DMA模量成像技术和Peakforce QNM成像技术均可以获得竹纤维束/MAPP模式复合材料界面区域的高对比度力学分布图像，但两者的空间分辨率存在显著差异。前者使用纳米探针的曲率半径较大，空间分辨率较低，用其评估其界面相厚度小于300nm，后者评估界面相的厚度小于100nm。由此可见，竹纤维束/PP复合材料的界面相尺度很小，减少力学探针曲率半径是提高空间分辨率的有效途径。 (4)MAPP和硅烷偶联剂改性对竹纤维束/PP复合材料的界面结合强度有显著的影响。界面剪切强度随着MAPP含量的增加而显著增大。添加5wt％MAPP可以提高界面剪切强度54.84％;添加10wt％MAPP使大部分纤维束在拔出前断裂，显示两者之间优良的界面结合性能。硅烷偶联剂KH-550改性也可以提高竹塑复合材料的界面剪切性能，但效果不如MAPP显著。竹纤维束从聚丙烯基体拔出的位移-载荷曲线、竹纤维束表面及拔出后基体洞穴内表面形态，分别从微力学和形态学的角度揭示了化学键结合理论、机械互锁理论以及摩擦理论的存在。 (5)本研究发现对于竹纤维/PP复合材料体系，界面载荷传递效率对界面相厚度影响不显著。但考虑到该复合材料体系的实际界面相可能小于Peakforce QNM和nano DMA所能探测到尺度极限，该研究结论是否成立还需进一步深入研究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 复合材料的界面与界面相

1．2．1 复合材料界面

1．2．2 界面相

1．2．3 竹塑复合材料界面改性

1．3 界面力学表征

1．3．1 界面相性能表征

1．3．2 界面载荷传递效率表征

1．4 研究目的与意义

1．5 主要研究内容

第二章 界面载荷传递效率评价方法

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 样品制备

2．2．3 测试方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 单根竹纤维／聚丙烯界面剪切强度

2．3．2 碳纤维／环氧树脂界面剪切强度

2．3．3 毛纤维束／聚丙烯界面剪切强度

2．4 本章小结

第三章 界面相纳米力学成像表征方法

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 样品制备

3．2．3 测试原理

3．2．4 测试过程

3．3 结果与讨论

3．3．1 基体相静态纳米力学测试

3．3．2 界面相nano DMA模量成像

3．3．3 纤维束／MAPP界面相peakforce QNM成像

3．4 本章小结

第四章 偶联剂对竹纤维束／聚丙烯界面性能的影响

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 改性处理方法

4．2．3 样品制备

4．2．4 测试方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 MAPP改性对界面剪切强度的影响

4．3．2 MAPP改性对界面相性能的影响

4．3．3 硅烷偶联剂KH-550改性对界面剪切强度的影响

4．3．4 硅烷偶联剂KH-550改性对界面相性能的影响

4．4 本章小结

第五章 总结论

5．1 界面载荷传递效率评价方法

5．2 界面相纳米力学成像表征方法

5．3 偶联剂对竹纤维束／聚丙烯界面性能的影响

参考文献

在读期间的学术研究

致谢