詳解碳纖維復合材料界面結合強度的測試方法

在碳纖維增強樹脂基復合材料中，碳纖維與樹脂基體之間的有效黏結是復合材料具有優異性能的保證。復合材料內碳纖維與樹脂基體間的界面結合強度越高，越有利于應力在纖維-樹脂基體間的轉移，得到的復合材料力學性能較好；但是界面結合強度也并非越高越好，因為過高的界面結合強度極易導致復合材料的韌性下降。

復合材料界面結合強度的表征檢測，可以從微觀和宏觀兩個層面上進行：微觀測試是指將碳纖維絲束中的一根單絲作為研究對象，采用單絲拔出法、微脫黏法、單絲壓出法等測定復合材料的界面剪切強度（IFSS）；宏觀測試是指以束絲碳纖維為對象，通過與樹脂基體復合制備成復合材料，然后利用萬能材料試驗機測試其層間剪切強度（ILSS）。下面將針對兩種方法進行詳細分析：

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復合材料界面剪切強度

復合材料界面剪切強度（IFSS）最常用的測試方法有四種，分別為：單絲拔出法（pull-out）、微脫粘法（microbond）、單絲壓出法（push-out）和單絲包埋法（fragmentation），四種不同方法的示意圖如圖1所示。

在單絲拔出、微脫粘、單絲壓出三種方法中，外部載荷會直接作用在單根碳纖維上，而單絲包埋法中外部載荷是對樹脂基體進行加載。

a、單絲拔出法：將埋入樹脂基體的單根纖維進行拔出測試，該方法對纖維埋入樹脂基體內長度的要求較高，如果過長在拔出過程中纖維易發生斷裂，因此埋入長度的高要求限制了該法的使用。

b、微脫粘法：樹脂基體在纖維表面形成微球，利用機械裝置將微球剝離，該方法對樹脂埋入纖維的長度要求也較高，埋入長度過大，機械剝離時易于造成纖維斷裂，埋入長度過小，機械裝置易從微球上方滑移，因此，埋入長度過大或過小均無法獲得有效值。

c、單絲壓出法：使用堅硬的金剛石壓頭將單根碳纖維從樹脂中壓出，在壓出過程中考慮的因素較多（如殘余應力、摩擦因子等），存在主要問題有壓出過程中在垂直于滑移方向產生的側向力數值難以估計等。

d、單絲包埋法也稱臨界斷裂長度法，隨著作用在基體上外部載荷的逐漸增大，應力也逐步由基體轉移到纖維，纖維發生斷裂分成幾段，但斷裂長度達到臨界長度時碳纖維強度的確定困難，因此使用該法測定復合材料界面剪切時，基體多選用韌性材料。

總而言之，在復合材料IFSS測試時影響因素很多，造成其測試難度較大；而且由于研究對象為單根碳纖維，無論是從制樣過程亦或是測試階段，對操作要求極高，稍有不慎很容易造成纖維斷裂，目前IFSS測試僅適合與學術研究，對于工業生產指導意義十分有限。

02 

復合材料層間剪切強度

碳纖維增強復合材料層間剪切強度（ILSS）測試時，首先要進行碳纖維復合材料制樣，詳細制樣流程如下：將基體樹脂與固化劑按照一定質量比混合后，均勻涂覆于碳纖維表面，然后將其置于特定金屬模具內高溫環境下固化，最后將加工成型后的樣品取出并打磨表面即得到實驗用復合材料樣品。復合材料樣品的制備過程簡易示意圖如圖2所示。

制樣結束后，使用短梁剪切實驗工具，利用三點彎曲方法對碳纖維復合材料ILSS進行測試，外力加載示意圖如圖3所示。材料發生剪切破壞后，可以根據試樣尺寸、破壞時最大載荷等參數計算得到復合材料ILSS數值。目前該方法標準較多，如JC/T 773-2010、GB/T 30969-2014、ASTM D2344等，這些標準原理及操作過程相同，只是在樣品尺寸、支座半徑等上略有差異。

在圖2制樣前需要計算好涂覆在碳纖維表面的樹脂量，以保證最終碳纖維復合材料內纖維與樹脂比例。上述試驗是以快速評價碳纖維為目標，尤其是適用于表面處理及上漿工藝調整后纖維與樹脂結合情況評價，因此制備方法較為簡單實用，而為了詳實反映界面狀態，也可以將束狀碳纖維浸在樹脂基體中制成預浸料、再經裁剪、模具加工成復合材料后測試ILSS。

由于復合材料ILSS測試是以束絲碳纖維為對象，因此測試數據能夠真實反映碳纖維與樹脂基體界面結合狀態，因此，在工業生產中ILSS是表征復合材料界面結合強度最常用的檢測方法。