详解碳纤维复合材料界面结合强度的测试方法

在碳纤维增强树脂基复合材料中，碳纤维与树脂基体之间的有效黏结是复合材料具有优异性能的保证。复合材料内碳纤维与树脂基体间的界面结合强度越高，越有利于应力在纤维-树脂基体间的转移，得到的复合材料力学性能较好；但是界面结合强度也并非越高越好，因为过高的界面结合强度极易导致复合材料的韧性下降。

复合材料界面结合强度的表征检测，可以从微观和宏观两个层面上进行：微观测试是指将碳纤维丝束中的一根单丝作为研究对象，采用单丝拔出法、微脱黏法、单丝压出法等测定复合材料的界面剪切强度（IFSS）；宏观测试是指以束丝碳纤维为对象，通过与树脂基体复合制备成复合材料，然后利用万能材料试验机测试其层间剪切强度（ILSS）。下面将针对两种方法进行详细分析：

01 

复合材料界面剪切强度

复合材料界面剪切强度（IFSS）最常用的测试方法有四种，分别为：单丝拔出法（pull-out）、微脱粘法（microbond）、单丝压出法（push-out）和单丝包埋法（fragmentation），四种不同方法的示意图如图1所示。

图1 碳纤维复合材料IFSS常用测试方法 a、单丝拔出法  b、微脱粘法  c、单丝压出法  d、单丝包埋法

在单丝拔出、微脱粘、单丝压出三种方法中，外部载荷会直接作用在单根碳纤维上，而单丝包埋法中外部载荷是对树脂基体进行加载。

a、单丝拔出法：将埋入树脂基体的单根纤维进行拔出测试，该方法对纤维埋入树脂基体内长度的要求较高，如果过长在拔出过程中纤维易发生断裂，因此埋入长度的高要求限制了该法的使用。

b、微脱粘法：树脂基体在纤维表面形成微球，利用机械装置将微球剥离，该方法对树脂埋入纤维的长度要求也较高，埋入长度过大，机械剥离时易于造成纤维断裂，埋入长度过小，机械装置易从微球上方滑移，因此，埋入长度过大或过小均无法获得有效值。

c、单丝压出法：使用坚硬的金刚石压头将单根碳纤维从树脂中压出，在压出过程中考虑的因素较多（如残余应力、摩擦因子等），存在主要问题有压出过程中在垂直于滑移方向产生的侧向力数值难以估计等。

d、单丝包埋法也称临界断裂长度法，随着作用在基体上外部载荷的逐渐增大，应力也逐步由基体转移到纤维，纤维发生断裂分成几段，但断裂长度达到临界长度时碳纤维强度的确定困难，因此使用该法测定复合材料界面剪切时，基体多选用韧性材料。

总而言之，在复合材料IFSS测试时影响因素很多，造成其测试难度较大；而且由于研究对象为单根碳纤维，无论是从制样过程亦或是测试阶段，对操作要求极高，稍有不慎很容易造成纤维断裂，目前IFSS测试仅适合与学术研究，对于工业生产指导意义十分有限。

02 

复合材料层间剪切强度

碳纤维增强复合材料层间剪切强度（ILSS）测试时，首先要进行碳纤维复合材料制样，详细制样流程如下：将基体树脂与固化剂按照一定质量比混合后，均匀涂覆于碳纤维表面，然后将其置于特定金属模具内高温环境下固化，最后将加工成型后的样品取出并打磨表面即得到实验用复合材料样品。复合材料样品的制备过程简易示意图如图2所示。

图2 碳纤维复合材料ILSS测试制样流程

制样结束后，使用短梁剪切实验工具，利用三点弯曲方法对碳纤维复合材料ILSS进行测试，外力加载示意图如图3所示。材料发生剪切破坏后，可以根据试样尺寸、破坏时最大载荷等参数计算得到复合材料ILSS数值。目前该方法标准较多，如JC/T 773-2010、GB/T 30969-2014、ASTM D2344等，这些标准原理及操作过程相同，只是在样品尺寸、支座半径等上略有差异。

图3 碳纤维复合材料ILSS测试时加载示意图

在图2制样前需要计算好涂覆在碳纤维表面的树脂量，以保证最终碳纤维复合材料内纤维与树脂比例。上述试验是以快速评价碳纤维为目标，尤其是适用于表面处理及上浆工艺调整后纤维与树脂结合情况评价，因此制备方法较为简单实用，而为了详实反映界面状态，也可以将束状碳纤维浸在树脂基体中制成预浸料、再经裁剪、模具加工成复合材料后测试ILSS。

由于复合材料ILSS测试是以束丝碳纤维为对象，因此测试数据能够真实反映碳纤维与树脂基体界面结合状态，因此，在工业生产中ILSS是表征复合材料界面结合强度最常用的检测方法。

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