碳纤维复合材料界面结构的形貌与尺寸的表征

      为了准确测定碳纤维增强树脂基复合材料界面结构的形貌和尺寸，本文中介绍了一种原位纳米力学动态模量成像技术，并采用该方法对碳纤维增强热固性树脂基复合材料进行了测试，对该技术在界面结构测试上的参数设置、数据处理方法以及适用性等方面进行了分析。研究表明，该方法的横向分辨率可以达到纳米尺度，适于测量界面尺寸在纳米级别的碳纤维复合材料界面形貌与尺寸。对于碳纤维／环氧树脂和碳纤维／双马树脂体系，界面区的储能模量呈梯度变化，根据储能模量成像图的统计分析可得到界面的形貌和厚度。所得界面平均厚度在100 nm左右，横截面上界面形貌呈不均匀的“河流状”，并与碳纤维表面形貌相似。

       界面是树脂基复合材料的重要组成部分，对复合材料的力学性能和耐环境性能等有很大影响。通常认为界面是树脂与增强体之间有一定厚度的区域，其物理和化学特性与本体材料不同，其微观形貌和尺寸对复合材料力学性能有着重要影响，如界面尺寸增大有利于改善复合材料的冲击韧性，而界面尺寸减小可提高界面应力传递效率，从而增大复合材料的强度日。因此，深入理解复合材料界面的微观结构，对于复合材料的微观力学分析、材料设计和复合T艺优化有着重要意义。

       对于纤维增强树脂基复合材料，界面相的尺度比较小，通常介于数十纳米到几微米之间，传统的方法难以对界面结构进行观察和测量。近几年，纳米力学测试技术发展很快，通过纳米级尺寸的针尖对试样表面进行各种形式的加载，可以在分辨率很高的条件下得到材料微观结构及其性能的信息，其中原子力显微镜( AFM)、纳米压痕和纳米划痕邸已经用于树脂基复合材料界面性能的测试。通过这些方法可以得到界面相的硬度、刚度和模量，从而为界面结构的分析提供重要信息。然而，目前这些技术在界面形貌和尺度的定量分析上仍受限于仪器横向分辨率及定位能力的限制，特别是对于碳纤维增强的热固性树脂基复合材料，其界面厚度要明显小于玻璃纤维复合材料和热塑性树脂基复合材料，其界面结构的定量分析技术报道较少。

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