界面性能对芳纶环氧复合材料冲击能量吸收影响的研究

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1、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

2、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1622

3、％。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，将载荷一时间曲线转化为载荷一位移曲线。通过对载荷一位移曲线进行积分，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

4、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1857％；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

5、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。关键词：芳纶纤维，界面性能，等离子体，复合材料，低速冲击AbstractFiber—reinforcedcompositeswilldissipateenergybyallsortsofdamagewhentheyaresubjecttolow-velocit

6、yimpactThedamageinthecompositesinfluencesthemechanicalpropertiesofthecomposites，includingbendingstrengthandcompressivestrength．ThemechanismsoffailureprocessarecomplicatedandinfluencedbymanyfactorsFiber—matrixinterfaceplaysamajorroleintheimpactperformance

7、ofcompositesbecauseitmainlytransfersmechanicalloadsfrommatrixtofiberduringimpacting．Theeffectofinterfaceonimpactperformancevarieswhendifferentfiber／matrixsystemsarestudiedTheobjectiveofthisthesisistoinvestigatetheinfluenceofinterfaceperformanceonlow-velo

8、cityimpactperformanceofaramid／matrixcomposite．Aramidfilamentsaretreatedbyalow-temperatureplasmawithdifferenttreatmenttimes．ThesurfaceoffilamentsisobservedbySEMandtheresultsshowthatthefilamentsurfaceissmoothbeforethetreatme