一种纤维增强热固性树脂基复合材料界面剪切强度测试装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种纤维增强热固性树脂基复合材料界面剪切强度测试装置及方法。包括树脂模具、支撑板、空心丝杆、套筒、弹簧夹、底托板，空心丝杆与支撑板刚接，套筒通过内螺纹与空心丝杆连接，支撑板由螺钉固定垂直置于底托板上方，树脂模具嵌入在支撑板中间并置于底托板之上，纤维经钢针引导通过空心丝杆刺穿树脂模具壁，嵌入一定长度，弹簧夹夹持套筒外部纤维的自由端。测试方法基于单纤维拔出技术，按以下步骤进行：纤维埋入树脂模具，调控埋入长度；浇注树脂，制备测试试样；脱模，进行单纤维拔出试验，计算复合材料界面剪切强度。本发明装置构造简单，解决了纤维单丝拔出试验试样制备困难等问题，界面测试方法操作方便、快捷。
【专利说明】
一种纤维増强热固性树脂基复合材料界面剪切强度测试装置 及方法
技术领域
[0001] 本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种纤维增强热固性树脂基复合材料界 面剪切强度测试装置及方法。
【背景技术】
[0002] 纤维增强聚合物基复合材料具有比强度高、比模量高、抗疲劳和耐腐蚀等一系列 优点，广泛应用于航空航天及民用工业领域。其中尤其是植物纤维增强树脂基复合材料除 了具有优异的力学性能外，还拥有隔热吸声、绿色环保、可生物降解等诸多优点，在汽车、建 筑材料和体育器材等领域的应用尤为突出。
[0003]纤维增强树脂基复合材料主要有增强纤维、树脂基体以及两者之间的界面组成， 其中界面相不仅起着连接增强纤维与树脂基体的"桥梁作用"，也是外加载荷从基体向增强 纤维传递的纽带。界面剪切强度作为表征界面性能的重要参数，对复合材料的力学性能及 破坏模式有着重大的影响，因而准确表征界面剪切强度一直是复合材料领域里十分重要的 研究问题。
[0004] 界面性能表征的方法可分为宏观和微观两类，微观测试主要有微脱粘、单纤维断 裂、单纤维拔出等方法，其中单纤维拔出法是最直接、有效测定纤维与树脂基体间界面性能 的方法。单纤维拔出方法的基本原理是将单根纤维一端埋入块状树脂基体中，待树脂固化 后制成单纤维复合材料试样，通过力学试验机施加沿纤维轴向的拉力，将纤维从树脂基体 中拔出，记录拔出载荷通过适当的界面载荷传递模型测得界面剪切强度、界面摩擦系数等 界面常数。根据Greszczuk的界面理论模型= 2ltrf!T，单纤维的拔出长度受到单纤维 强度和与基体间界面强度的影响，能够完全拔出的最大埋入长度与纤维的极限强度成正 比，与纤维基体间剪切强度成反比。相比于传统合成纤维，植物纤维单丝强度较弱，且与热 固性树脂基体间的界面粘结强度较大，因而其单纤维拔出试验的最大埋入长度一般较小 (1mm以下），使得植物纤维增强热固性树脂复合材料的单纤维拔出试验从试样制备到测试 操作都尤为困难。
[0005] 文献"金士九等，单丝拔出试验研究芳纶-环氧树脂界面相，复合材料学报，1994年 第11卷第4期20-25页"中提及了芳纶单纤维与环氧树脂基体间的界面剪切强度测试方法， 纤维穿过硅橡胶垫后，一端用环氧树脂液滴包埋，固化后切除多余部分纤维浇注比色层，脱 模后进行单纤维拔出测试。该方法存在以下问题:利用树脂液滴包埋纤维的方式，无法精确 控制调控纤维的包埋深度;每次只能制备一个纤维拔出试样，试验效率较低。公布专利(CN 104848209 A)中涉及了一种改性超高分子量聚乙烯纤维树脂拔出测试支架及方法，仅适用 于高粘度热塑性树脂基体材料的拔出试验，并且也难以控制纤维的埋入长度。公布专利(CN 104122202 A)涉及了一种陶瓷纤维增强树脂基复合材料界面结合强度的测试方法，可以一 次制备多个单纤维树脂拔出试样，但需对测试试样进行切割、打磨和抛光，这会对纤维与树 脂基体间的界面造成人为的损伤，从而影响实验结果的准确性。
[0006] 针对纤维与树脂基体难以垂直包埋、包埋深度误差大等问题，本发明特设计一种 纤维热固性树脂拔出试验装置，使纤维垂直包埋于树脂基体中，并能较为精确得控制纤维 的埋入长度，提高了单纤维拔出试验的成功率和结果的可靠性。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于针对现有纤维增强热固性树脂基复合材料中纤维与基体界面 剪切强度测试制样困难、测试效率低等问题，提供一种纤维增强热固性树脂基复合材料界 面剪切强度测试装置及方法。
[0008] 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的： 本发明提出的一种纤维增强热固性树脂基复合材料界面剪切强度测试装置，其特征在 于，包括树脂模具、支撑板、空心丝杆、套筒、弹簧夹和底托板，4块支撑板两两连接，组成框 架结构，所述框架结构固定于底托板上，每块支撑板上均设有空心丝杆，且空心丝杆与支撑 板刚接，所述套筒通过内螺纹与相应的空心丝杆连接，所述树脂模具嵌入于框架结构内，并 置于底托板之上，纤维经钢针引导通过空心丝杆刺穿树脂模具壁，嵌入树脂模具中，所述弹 簧夹夹持位于套筒外部纤维的自由端。
[0009] 本发明中，所述空心丝杆螺距为0. l-o. 5mm，内径为0.5-lmm，所述支撑板上设有纤 维插入孔，所述纤维插入孔与空心丝杆相通，其孔径大小与空心丝杆内径相同。
[0010] 本发明中，所述树脂模具为无盖立方体结构，与支撑板紧密贴合，其主要成分为硅 橡胶。
[0011] 本发明中，所述纤维为直径大于20WI1的植物纤维或人工合成纤维中任一种。
[0012] 本发明中，所述树脂为环氧、酚醛和不饱和聚酯等热固性树脂。
[0013] 本发明提出的纤维增强热固性树脂基复合材料界面剪切强度测试装置的使用方 法，具体步骤如下： (1) 连接4块带有空心丝杆和套筒的支撑板，并置于底托板上方，将树脂模具竖直嵌入4 块支撑板组成的框架结构中间，并置于底托板之上； (2) 利用钢针引导待测试纤维穿过空心丝杆，刺穿树脂模具壁，并垂直插入在树脂模具 中，利用剪刀修剪纤维端部，修剪过程刀身紧贴树脂模具壁使得纤维修剪后嵌入树脂模具 内的长度固定； (3) 使用弹簧夹紧贴套筒夹紧纤维另一自由端，旋转套筒使其带动被弹簧夹夹紧的纤 维沿空心丝杆轴向往树脂模具外部移动，通过控制套筒旋转的圈数确定纤维移动的距离， 纤维埋入基体的长度可以估测为修剪后的长度减去移动的距离； (4) 将树脂基体注入树脂模具内，待树脂完全固化后，拆开支撑板，割开模具取出单纤 维树脂拔出试样； (5) 将拔出试样中的树脂基体固定在力学试验机的夹具上，纤维的另一自由端固定于 试验机下夹具上，控制位移速率进行拔出试验，并记录每一次的拔出力值P; (6) 利用光学显微镜，观察纤维拔出端形貌，精确测量纤维直径D和埋入长度1，采用公 式
，计算纤维与树脂基体的界面剪切强度$。
[0014] 与现有的方法相比，本发明采用单纤维拔出技术测量纤维增强热固性树脂基复合 材料的界面剪切强度，具有以下有益效果： (1)本发明构造简单，操作方便，可实现多根纤维同时制样。
[0015] (2)利用空心丝杆-套筒机构可确保纤维垂直埋入树脂基体中，并能精确得控制其 埋入长度，提高了单纤维拔出试验的成功率和结果的可靠性。
[0016] (3)无需对测试试样进行切割或抛光，提高了实验效率，同时避免了人为的对复合 材料界面的损伤，使测试结果更加准确。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明装置的结构示意图。
[0018] 图2是本发明装置的俯视图。
[0019] 图3是本发明装置的局部示意图。
[0020] 图4是单纤维拔出实验示意图。
[0021] 图5是实施例1中纤维树脂基体拔出实验的载荷-位移曲线。
[0022]图中出现的标号依次为：1.套筒；2.空心丝杆;3.支撑板;4.树脂模具;5.弹簧夹； 6.纤维;7.底托板;8.树脂基体。
【具体实施方式】
[0023] 下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体说明。
[0024] 实施例1:剑麻纤维增强环氧树脂基复合材料 纤维增强热固性树脂基复合材料界面剪切强度测试装置，包括树脂模具、支撑板、空心 丝杆、套筒、弹簧夹、底托板，所述空心丝杆与支撑板刚接，所述套筒通过内螺纹与空心丝杆 连接，所述支撑板由螺钉固定垂直置于底托板上方，所述树脂模具嵌入在支撑板中间并置 于底托板之上，所述空心丝杆螺距为0.3mm，内径为0.5mm，所述树脂模具为边长10mm的立方 体硅橡胶模具。
[0025] 纤维增强热固性树脂基复合材料界面剪切强度测试方法： 本实施例采用剑麻纤维，树脂基体为E-51常温固化环氧树脂，按以下步骤进行： (1) 通过螺钉将4块带有空心丝杆的支撑板连接，并置于底托板上方，将套筒与空心丝 杆连接，并旋转套筒直至其与支撑板接触，将树脂模具竖直嵌入支撑板中间置于底托板之 上； (2) 利用钢针引导剑麻纤维穿过空心丝杆并垂直插入树脂模具中，利用剪刀修剪纤维 端部，修剪过程刀身紧贴树脂模具壁使得纤维修剪后嵌入树脂模具内的长度为2mm; (3) 使用弹簧夹紧贴套筒夹紧纤维另一自由端，旋转套筒4圈，使其带动被弹簧夹夹紧 的纤维沿丝杆轴向往树脂模具外部移动，根据空心丝杆螺距为0.3mm，确定纤维移动的距离 为1.2mm，从而剑麻纤维埋入基体的长度可以估测为0.8mm; (4) 重复步骤(2)和(3)至模具四个侧壁都嵌有剑麻纤维后，将调配好的环氧树脂注入 模具内，室温固化18h后，拆开支撑板，割开模具取出单纤维树脂拔出试样，并在烘箱内60°C 后固化4h; (5) 将环氧树脂基体固定在力学试验机上夹具上，剑麻纤维的另一自由端固定于试验 机下夹具上，控制位移速率为1mm/min进行拔出试验，从图5中记录的载荷-位移曲线得出拔 出力值P为8.75N; (6)利用光学显微镜，观察剑麻纤维拔出端形貌，精确测量纤维直径D为llOwn，埋入长 度1为0.8_，采用公式
，计算纤维与树脂基体的界面剪切强度l=29MPa。
[0026]实施例2:芳纶纤维增强乙烯基不饱和聚脂复合材料 采用实施例1所述装置，本实施例采用芳纶纤维，树脂基体为乙烯基不饱和聚脂，按以 下步骤进行： (1) 通过螺钉将4块带有空心丝杆的支撑板连接，并置于底托板上方，将套筒与空心丝 杆连接，并旋转套筒直至其与支撑板接触，将树脂模具竖直嵌入支撑板中间置于底托板之 上； (2) 利用钢针引导芳纶纤维穿过空心丝杆并垂直插入树脂模具中，利用剪刀修剪纤维 端部，修剪过程刀身紧贴树脂模具壁使得纤维修剪后嵌入树脂模具内的长度为2mm; (3) 使用弹簧夹紧贴套筒夹紧纤维另一自由端，旋转套筒4.5圈，使其带动被弹簧夹夹 紧的纤维沿丝杆轴向往树脂模具外部移动，根据空心丝杆螺距为0.3mm，确定纤维移动的距 离为1.35_，从而芳纟仑纤维埋入基体的长度可以估测为0.65mm; (4) 重复步骤(2)和(3)至模具四个侧壁都嵌有芳纶纤维后，将调配好的不饱和聚酯注 入模具内，室温固化24h后，拆开支撑板，割开模具取出单纤维树脂拔出试样，并在烘箱内50 。(:后固化3h; (5) 将树脂基体固定在力学试验机上夹具上，芳纶纤维的另一自由端固定于试验机下 夹具上，控制位移速率为lmm/min进行拔出试验，根据载荷-位移曲线得出拔出力值P为 1.98N； (6) 利用光学显微镜，观察芳纶纤维拔出端形貌，精确测量纤维直径D为25mi，埋入长度 1为0.65_，采用公式
，计算纤维与树脂基体的界面剪切强度l=39MPa。
【主权项】
1. 一种纤维增强热固性树脂基复合材料界面剪切强度测试装置，其特征在于，包括树 脂模具、支撑板、空心丝杆、套筒、弹簧夹和底托板，4块支撑板两两连接，组成框架结构，所 述框架结构固定于底托板上，每块支撑板上均设有空心丝杆，且空心丝杆与支撑板刚接，所 述套筒通过内螺纹与相应的空心丝杆连接，所述树脂模具嵌入于框架结构内，并置于底托 板之上，纤维经钢针引导通过空心丝杆刺穿树脂模具壁，嵌入树脂模具中，所述弹簧夹夹持 位于套筒外部纤维的自由端。2. 根据权利要求1所述的纤维增强热固性树脂基复合材料界面剪切强度测试装置，其 特征在于，所述空心丝杆螺距为0.1-0.5mm，内径为0.5-lmm，所述支撑板上设有纤维插入 孔，所述纤维插入孔与空心丝杆相通，其孔径大小与空心丝杆内径相同。3. 根据权利要求1所述的纤维增强热固性树脂基复合材料界面剪切强度测试装置，其 特征在于，所述树脂模具为无盖立方体结构，与支撑板紧密贴合，其主要成分为硅橡胶。4. 根据权利要求1所述的纤维增强热固性树脂基复合材料界面剪切强度测试装置，其 特征在于，所述纤维为直径大于20μπι的植物纤维或人工合成纤维中任一种。5. -种如权利要求1所述的纤维增强热固性树脂基复合材料界面剪切强度测试装置的 使用方法，其特征在于具体步骤如下： (1) 连接4块带有空心丝杆和套筒的支撑板，并置于底托板上方，将树脂模具竖直嵌入4 块支撑板组成的框架结构中间，并置于底托板之上； (2) 利用钢针引导待测试纤维穿过空心丝杆，刺穿树脂模具壁，并垂直插入在树脂模具 中，利用剪刀修剪纤维端部，修剪过程刀身紧贴树脂模具壁使得纤维修剪后嵌入树脂模具 内的长度固定； (3) 使用弹簧夹紧贴套筒夹紧纤维另一自由端，旋转套筒使其带动被弹簧夹夹紧的纤 维沿空心丝杆轴向往树脂模具外部移动，通过控制套筒旋转的圈数确定纤维移动的距离， 纤维埋入基体的长度可以估测为修剪后的长度减去移动的距离； (4) 将树脂基体注入树脂模具内，待树脂完全固化后，拆开支撑板，割开模具取出单纤 维树脂拔出试样； (5) 将拔出试样中的树脂基体固定在力学试验机的夹具上，纤维的另一自由端固定于 试验机下夹具上，控制位移速率进行拔出试验，并记录每一次的拔出力值Ρ; (6) 利用光学显微镜，观察纤维拔出端形貌，精确测量纤维直径D和埋入长度1，采用公，计算纤维与树脂基体的界面剪切强度?。
【文档编号】G01N3/24GK105928800SQ201610241141
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】李岩, 章中森, 于涛, 陈朝中, 徐捷
【申请人】同济大学