微波固化碳纤维增强树脂基复合材料界面剪切强度的测试方法技术

一种微波固化碳纤维增强树脂基复合材料界面剪切强度的测试方法，该方法通过在碳纤维束表面均匀涂覆一层树脂基体有效避免碳纤维在微波场中发生放电打火；通过合理设计纤维束样品的几何外形与尺寸实现碳纤维束从树脂基体中稳定拔出；通过选择常温成型的夹持材料有效避免其成型过程对碳纤维与树脂间界面性能的影响。本发明专利技术可以方便、准确的测量微波固化碳纤维增强树脂基复合材料的界面剪切强度。

【技术实现步骤摘要】
微波固化碳纤维增强树脂基复合材料界面剪切强度的测试方法
本专利技术涉及一种复合材料技术，尤其是一种复合材料界面剪切强度测试方法，具体地说是一种微波固化碳纤维增强树脂基复合材料界面剪切强度的测试方法。
技术介绍
众所周知，碳纤维增强树脂基复合材料拥有超高的比强度和比刚度，因而被广泛应用于航空航天等领域。众所周知，碳纤维与树脂间的界面结合强度的高低直接决定了其各项性能的好坏。良好的界面可以有效的将外载从树脂基体传递到增强纤维上，这不仅降低了材料内部的应力集中，还可以大幅提升材料的力学性能。因此，从根本上理解并定量表征碳纤维与树脂间的界面结合性能是设计碳纤维增强树脂基复合材料的重中之重。目前，用于定量表征纤维与树脂间界面剪切强度的方法主要可以分为两大类。第一类是纤维承载方法，主要包括：单丝拔出、微滴脱粘、单丝压出、三纤维法及各种纤维束拔出方法。在传统制造工艺中，这些方法可以有效测量碳纤维与树脂间的界面剪切强度，但却无法表征微波固化碳纤维增强树脂基复合材料的界面剪切强度。由于存在裸露的碳纤维(除单丝压出方法外)，上述试样在微波场中会发生严重的放电打火现象，从而使后续试验无法开展。而在单丝压出方法中，碳纤维往往倾向于压缩失效而不是脱粘破坏。另一类是基体承载法，主要由单丝断裂方法及其相关变形组成。虽然这些方法可以有效避免碳纤维在微波场中放电击穿，但却存在以下限制和缺点。一方面，树脂基体的拉伸应变必须大于纤维拉伸应变4倍以上。另一方面，断裂纤维的临界长度难以准确测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有复合材料界面强度测试方法不能用于微波场合的问题，专利技术一种微波固化碳纤维增强树脂基复合材料界面剪切强度的测试方法，实现对微波固化碳纤维增强树脂基复合材料界面剪切强度的有效测量。本专利技术的技术方案是：一种微波固化碳纤维增强树脂基复合材料界面剪切强度的测试方法，其特征在于：将碳纤维束3固定在下模6上，保持纤维束3拉直；纤维束3表面均匀涂覆一层树脂4，将上模1盖在下模6上，通过垫块9使模具整体倾斜；向模具凹槽中注入树脂4后进行微波固化；将固化完成的纤维束样品裁剪后一端置于中空模具中，使纤维束样品和模具保持直立，并利用能在常温成型的夹持材料7固定纤维束样品的端部；纤维束样品的另一端也按照同样的方法处理；待两端夹持材料成型后进行脱模，完成试样制备；对所制得的试样进行拉伸拔出实验，并按下式计算其界面剪切强度：其中，τ是待测的界面剪切强度，FP是纤维束(3)与树脂基体(4)脱粘时的拉伸载荷，Ae是纤维束3在树脂基体4内的埋入面积。上模1、下模6与垫块9所用材料为不明显反射微波的材料；上模1和下模6上的凹槽是一种对称结构，且其截面几何形状为长径比大于或等于1的圆，椭圆，三角形，四边形，五边形或六边形。纤维束3表面涂覆的树脂层4的厚度控制在10～300um，且涂覆均匀。模具整体倾斜的角度在1°～60°之间。将固化完成的纤维束样品裁剪时应满足以下条件：纤维束埋入深度(Le)满足其中，Cf和Af分别是纤维束3的横截面周长和面积，σf是碳纤维的拉伸强度，τ1是环氧树脂4的剪切强度，λ是安全系数，在0.8～1.0之间取值；树脂基体4与夹持材料7在截面A处的截面尺寸满足τ1CfLe≤σ2(A2-A1)，其中，σ2是夹持材料7的拉伸强度，A2和A1分别是夹持材料7和树脂基体4在截面A处的横截面积；纤维束自由长度(Lf)控制在3.0～15.0mm之间；纤维束埋入深度(Le)远小于纤维束夹持长度Lg，Lg≥5Le。夹持材料7具有良好的粘结强度且在0～30℃成型。本专利技术的有益效果：本专利技术通过在碳纤维束表面均匀涂覆一层树脂基体有效避免碳纤维在微波场中发生放电打火；通过合理设计纤维束样品的几何外形与尺寸实现碳纤维束从树脂基体中稳定拔出；通过选择常温成型的夹持材料有效避免其成型过程对碳纤维与树脂间界面性能的影响。本专利技术可以方便、准确的测量微波固化碳纤维增强树脂基复合材料的界面剪切强度。附图说明图1是本专利技术的纤维束样品制备示意图。图2是本专利技术的纤维束拔出试样试验状态示意图图中：1为上模、2为胶带、3为碳纤维束、4为基体树脂、5为测温光纤、6为下模、7为夹持材料、8为万能测试机夹头、9为垫块。LMe为可供剪取后埋入的纤维束最大长度，LMg为可供剪取后夹持的纤维束最大长度。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。如图1-2所示。一种微波固化碳纤维增强环氧树脂复合材料界面剪切强度的测试方法，其具体步骤如下：用毛刷在3K碳纤维束3表面均匀涂覆一层20μm厚的环氧树脂4，并放置在具有椭球形(具体实施时截面还可为圆，三角形，四边形，五边形或六边形之一)凹槽的硅胶模具6上，5个样品整齐排列，且用铝箔胶带2固定纤维束3两端，保持纤维束3拉直，将硅胶上模1盖在下模6上，用聚四氟乙烯垫块9将模具整体倾斜20°(可在1-60°之间任意选择)，向模具的凹槽中充满环氧树脂4后进行微波固化；固化后，先按下面的公式计算Le的长度，按至少5倍Le选取Lg的长度，在3-15mm之间选择Lf的长度，得到Le＝7.5mm，Lf＝5.5mm及Lg＝45mm(此处等于6倍的Le)剪裁纤维束样品，Le为纤维束埋入深度，Lf为纤维束自由长度，Lg为纤维束夹持长度，并置于圆柱形中空模具中，保持直立，向其中充满常温(～20℃，最佳固化温度，也可选择其它在0-30℃范围内固化的基体树脂来代替环氧树脂)固化的环氧树脂7制造夹持端。对所制得的试样进行拉伸拔出实验，并按下式计算其界面剪切强度。其中，τ是待测的界面剪切强度，FP是纤维束3与树脂基体(即环氧权脂4)脱粘时的拉伸载荷，Ae是纤维束3在树脂基体(即环氧权脂4)内的埋入面积。所述的纤维束3埋入深度Le满足：其中，τ1(60MPa)是环氧树脂4的剪切强度，Cf(5.06mm)和Af(0.59mm2)分别是纤维束3截面的周长和面积，λ是安全系数，取值为0.95，σf(4900MPa)是碳纤维的拉伸强度。此外，截面A处椭球形环氧树脂4截面圆的半径R1(8mm)和夹持端7的截面圆半径R2(20mm)满足：其中，σ2(90MPa)是夹持端7固化后的拉伸强度。以上仅是本专利技术的具体应用范例，对本专利技术的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本专利技术权利保护范围之内。本专利技术未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微波固化碳纤维增强树脂基复合材料界面剪切强度的测试方法，其特征在于：将碳纤维束(3)固定在下模(6)上，保持纤维束(3)拉直；纤维束(3)表面均匀涂覆一层树脂(4)，将上模(1)盖在下模(6)上，通过垫块(9)使模具整体倾斜；向模具凹槽中注入树脂(4)后进行微波固化；将固化完成的纤维束样品裁剪后一端置于中空模具中，使纤维束样品和模具保持直立，并利用能在常温成型的夹持材料(7)固定纤维束样品的端部；纤维束样品的另一端也按照同样的方法处理；待两端夹持材料成型后进行脱模，完成试样制备；对所制得的试样进行拉伸拔出实验，并按下式计算其界面剪切强度：其中，τ是待测的界面剪切强度，FP是纤维束(3)与树脂基体(4)脱粘时的拉伸载荷，Ae是纤维束(3)在树脂基体(4)内的埋入面积。

【技术特征摘要】
1.一种微波固化碳纤维增强树脂基复合材料界面剪切强度的测试方法，其特征在于：将碳纤维束(3)固定在下模(6)上，保持纤维束(3)拉直；纤维束(3)表面均匀涂覆一层树脂(4)，将上模(1)盖在下模(6)上，通过垫块(9)使模具整体倾斜；向模具凹槽中注入树脂(4)后进行微波固化；将固化完成的纤维束样品裁剪后一端置于中空模具中，使纤维束样品和模具保持直立，并利用能在常温成型的夹持材料(7)固定纤维束样品的端部；纤维束样品的另一端也按照同样的方法处理；待两端夹持材料成型后进行脱模，完成试样制备；对所制得的试样进行拉伸拔出实验，并按下式计算其界面剪切强度：其中，τ是待测的界面剪切强度，FP是纤维束(3)与树脂(4)脱粘时的拉伸载荷，Ae是纤维束(3)在树脂(4)内的埋入面积。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：上模(1)、下模(6)与垫块(9)所用材料为不明显反射微波的材料；上模和下模上的凹槽是一种对称结构，且其截面几何形状为长径比大于或等于1的圆，椭圆，三角...

【专利技术属性】
技术研发人员：李迎光，李楠垭，周靖，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32