纤维增强复合材料的应用纤维增强复合材料被广泛的用于轻量化结构材料，尤其是承受动态负载的结构材料。高比刚度、强度以及其良好的受到冲击破坏可以有效地吸收能量。


纤维增强复合材料动态响应行为材料的动态响应行为取决于应变的传递过程，而纤维增强复合材料的动态应变过程则是取决于纤维、基材和纤维与基材之间的界面上的应变的传递。


材料界面性能的研究方法宏观上的测试如摆锤实验和动态冲击剪切实验可以用来研究材料的界面性能。微观上的界面行为可以通过微液滴实验和单根纤维破碎实验、单根纤维推出和拔出实验等等，上述的研究方法仅仅采用静态施加负载的方式。虽然也有一些研究这对测试方法进行了改进，但是其测试的速率依然为低速率模式。


新型测试方法来自美国的Sandeep Tamrakar的团队设计了一种新型的测试方法即快速施加负载直接测定纤维和树脂的界面性能，通过改进霍普金森样条用来进行微液滴实验。数值模拟实验用来辅助试验样条的几何尺寸和验证数据还原整个动态界面测试过程。应力波在S-2玻纤/环氧树脂微液滴样品中传递，微液滴的尺寸100 mm-200 mm，纤维标距的长度为2-6 mm。模拟的结果表明当位移速率为10 m/s时可以保持动态平衡。而在S-2玻纤/环氧树脂微液滴样品实验时设定的位移速率为1 m/s。实验结果和损坏后的样品的界面进行检测表明新的测试方法是一种有效地测定高速状况下材料的界面性能。




选定的材料为S-2玻璃纤维，材料的表面已经通过三甲氧基硅氧烷偶联剂进行了表面处理，而环氧的微液滴则是由陶氏化学公司牌号为DER 353的环氧树脂和空气化工产品有限公司牌号为PACM-20的固化剂，配比为100:28制备而成。S-2玻璃纤维的静态拉伸试验选定的标距分别为8 mm和25.4 mm，应变的速率为0.002/s。将纤维通过胶黏剂粘在纸板上，然后施加5N的载荷并监控纤维的受力情况。




S-2玻璃纤维在断裂前显现出线性力响应行为，整个过程的位移大于纤维形变本身，这是由于纤维存在一定的滑移。滑移过程对于测试过程的影响随着纤维测试过程中标距增大而减小。最终测定S-2纤维的在标距为8mm和25.4 mm时，纤维的拉伸强度分别为3.7±0.5 GPa和3.4±0.5 GPa。


微液滴实验微液滴实验是由Miller提出的，用来研究纤维-树脂的界面性能。一个标准的微液滴测试实验的样品由单根纤维上固化树脂或将熔融的热塑性材料的熔滴引入到单根纤维上，从而形成真实的界面，在纤维的末端则可以施加负载，最终界面强度的计算公式如下： 其中为界面强度，F为断裂时的最大应力，D和L分别为纤维的直径和纤维嵌入在液滴内的长度。能量则是根据应力-位移图来进行相应的计算。最终测定S-2玻璃纤维环氧树脂材料的界面强度为47.8±3.8 MPa，而其在脱胶过程与滑移过程的能量分别为760±350 J/m2和9300±3000 KJ/m3。装置示意图见图1。
 
高速试验模式需要引入拉伸霍普金森杆样条，连接微液滴样条的铝合金样条尺寸直径为6.35 mm长度为1.52 m；在铝合金样条的底端连接一个法兰，外径为12.7 mm；在底端存在一个固定装置的外径为12.7mm，长度为203.2 mm。在测试过程中，由一个弹簧驱动法兰的运动，从而对微液滴样条时间动态载荷。并且，在固定装置和法兰之间存在一个缓冲装置来消除高频噪声对测试的影响。一个用来检测样品标距变化的半导体放置于固定装置的表面用来捕捉测试过程的中应力波的变化，相应的测试结果记录如图2。相应的标距的变化则是可以通过半导体的电压输出计算，相应的位移的变化与电压的变化相关的图见图3。
 
动态液滴实验的装置见图4，在液滴的末端存在一个尺寸为14μm的锋利尖端，样品的另一端纤维则通过胶水固定。最终可以通过霍普金森杆施加动态载荷来获取测试数据。在测试过程中对嵌入的长度为80到120 μm的纤维样品进行了测定，测试过程的位移变化速率为1 m/s，因此从施加载荷到断裂过程的时间为75-220 μs。
 
利用扫描电镜对测试后的样品进行检测，见图5。对比静态和动态下获取的剪切强度和吸收能量，表明这两个参数对于负载速率十分敏感。在不同的负载速率下材料的剪切强度和吸收能力相比静态下分别增加了1.7倍和2.6倍，其中静态下的位移速率为1 μm/s，而高速下的位移速率为1 m/s。
 
译自：PolymerTesting

译者：德意