一种评价纤维增强复合材料界面性能的方法及其应用技术

本发明专利技术涉及复合材料增韧领域和多元非线性指标评价领域，具体公开了一种评价纤维增强复合材料界面性能的方法及其应用。本发明专利技术提供的评价方法考虑了纤维、上浆剂、基体树脂的多方耦合，利用商业数学软件MATLAB的多元非线性回归分析建立一种更为全面的评价上浆剂影响复合材料界面性能的模型，基于该模型预测纤维增强复合材料界面性能的优化方向。区别于常用的基于叠加原理的线性评价体系，本发明专利技术能够在复合材料设计阶段标定纤维材料上浆剂对层合板性能的影响，并分析与上浆剂相关的各个界面性能指标的权重因子，优选出对复合材料界面性能有正面影响的上浆剂和/或纤维，提高了纤维增强复合材料的优化效率。增强复合材料的优化效率。增强复合材料的优化效率。

【技术实现步骤摘要】
一种评价纤维增强复合材料界面性能的方法及其应用


[0001]本专利技术涉及复合材料增韧领域和多元非线性指标评价领域，尤其是涉及一种评价纤维增强复合材料界面性能的方法及其应用。

技术介绍

[0002]玻璃纤维是制造高性能复合材料的主要纤维增强材料，基于其优异的力学性能，玻璃纤维复合材料在航天航空领域得到了广泛的应用，并且逐渐向主承力结构件发展。上浆剂是提升玻璃纤维与树脂基体界面性能的重要因素，尤其是由上浆剂连接树脂与玻璃纤维的力学性能过渡区，更是对复合材料的界面性能有着巨大的影响。在复合材料设计阶段，对纤维上浆剂的选用需要通过制成层合板后的力学性能测试来评价。由于评价复合材料界面性能时要考虑到玻璃纤维、上浆剂、基体树脂的多方耦合，而现有的方法是通过4到5个指标分别独立的评价纤维的界面性能，缺乏综合性的整体评价，因而容易出现评价失真的问题，导致不能有针对性的优化界面性能，使材料设计和优化的效率大大降低，这就限制了新型复合材料的不断迭代发展。因此，寻找一种可以真实反映上浆剂性能的指标体系，并依据该体系优化复合材料界面性能的方法就很有必要。

技术实现思路

[0003]一、要解决的技术问题
[0004]针对现有技术中复合材料界面性能评价方法容易出现评价失真，不能有针对性的优化复合材料界面性能的问题，本专利技术提出了一种基于可测试的多种界面性能指标的多元非线性纤维上浆剂性能综合评价方法及其在界面性能改进中的应用。
[0005]二、技术方案
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种基于上浆剂性能评价纤维增强复合材料界面性能的方法，包括以下步骤：
[0008](1)将上浆剂涂覆在纤维上，测试得到以下界面性能指标：
[0009]R(Ra)：上浆后纤维表面粗糙度，nm；
[0010]K(K)：50m纤维丝束起毛量，mg；
[0011]S(S)：纤维表面上浆剂含量，％；
[0012]O(O/Si)：纤维表面氧元素与硅元素比例，％；
[0013](2)将测试得到的界面性能指标代入以下模型中进行迭代拟合，得到分析数据组，据此评价复合材料的界面性能；
[0014][0015]其中，指标Y是复合材料界面剪切强度(IFSS)在[0,100]MPa区间内的线性映射，作为评价上浆剂对复合材料界面性能影响的因变量，是一个无量纲的参数；p1
‑
p7因子是描述不同界面性能指标对复合材料界面性能影响的权重参数，其中p2、p5、p7因子对应上浆后纤
维表面粗糙度，p1因子对应50m纤维丝束起毛量，p4因子对应纤维表面上浆剂含量，p3、p6因子对应纤维表面氧元素与硅元素比例。
[0016]作为一种优选的实施方式，步骤(1)中，所述纤维为玻璃纤维，复合材料的基体树脂为环氧树脂。
[0017]作为一种优选的实施方式，步骤(1)中，R、K、S、O是纤维上与上浆剂直接相关的界面性能指标。大写字母R、K、S、O是括号中对应参量的简写，在模型中使用简写形式。
[0018]作为一种优选的实施方式，步骤(1)中，上浆后纤维表面粗糙度R可以采用扫描电镜或原子力纤维镜进行测试，可依据国标《表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值》(GB/T 1031
‑
2009)中所规定的方法进行测试。
[0019]作为一种优选的实施方式，步骤(1)中，50m纤维丝束起毛量K的测试方法为：称取50m纤维丝束样品，精确至0.1mg，记为W1，将丝束按八边形互不接触的缠绕在支架上，固定在两端有过滤网的箱体中，箱体一端放置排风扇；排风90min后取出纤维，称重W2，按下式计算起毛量：
[0020]K＝W1
‑
W2。
[0021]K应小于10mg，起毛量大于10mg后纤维的力学性能得不到保证，会导致评价结果失真，在评价模型中反映出拟合结果不收敛的问题。
[0022]作为一种优选的实施方式，步骤(1)中，纤维表面上浆剂含量S可以使用以下方法进行测试：称取约5.0g纤维样品，精确至0.1mg，记为W1，用滤纸包好放入索氏提取器，在圆底烧瓶中倒入150
‑
170mL丙酮，安装萃取回流装置，调节恒温水浴温度为86
‑
90℃，回流速度6
‑
7min/次，从第一次回流开始计时，加热90min后取出纤维，烘干称重记为W2，按下式计算上浆剂含量：
[0023][0024]作为一种优选的实施方式，步骤(1)中，纤维表面氧元素与硅元素比例O的测试方法为：对纤维样品进行X射线光电子能谱分析，通过对XPS结果中各元素分峰的积分面积得到O/Si比。
[0025]作为一种优选的实施方式，步骤(1)中，所有测试的纤维样品需在同一批次内的纤维取样。
[0026]作为一种优选的实施方式，步骤(2)中，基于得到的分析数据组，通过分析与上浆剂相关的各个界面性能指标的权重因子，综合评价复合材料的界面性能。
[0027]一种基于上浆剂性能评价纤维增强复合材料界面性能的方法在优化或改进复合材料界面性能中的应用。
[0028]作为一种优选的实施方式，所述应用包括以下步骤：
[0029](1)将相同或不同的上浆剂分别涂覆在相同或不同的纤维上，分别进行测试，得到以下界面性能指标：
[0030]R：上浆后纤维表面粗糙度，nm；
[0031]K：50m纤维丝束起毛量，mg；
[0032]S：纤维表面上浆剂含量，％；
[0033]O：纤维表面氧元素与硅元素比例，％；
[0034](2)将测试得到的界面性能指标分组构建样本数据集，将多组数据分别代入以下模型中进行迭代拟合，得到多个分析数据组，据此评价复合材料的界面性能；
[0035][0036]其中，指标Y是复合材料界面剪切强度(IFSS)在[0,100]MPa区间内的线性映射，作为评价上浆剂对复合材料界面性能影响的因变量，是一个无量纲的参数；p1
‑
p7因子是描述不同界面性能指标对复合材料界面性能影响的权重参数，其中p2、p5、p7因子对应上浆后纤维表面粗糙度，p1因子对应50m纤维丝束起毛量，p4因子对应纤维表面上浆剂含量，p3、p6因子对应纤维表面氧元素与硅元素比例。
[0037]作为一种优选的实施方式，步骤(1)中，将不同的上浆剂分别涂覆在相同的纤维上，用于分析不同的上浆剂对复合材料界面性能的影响；或者将相同的上浆剂分别涂覆在不同的纤维上，用于分析不同的纤维对复合材料界面性能的影响；或者将不同的上浆剂分别涂覆在不同的纤维上，用于分析比较两种复合材料界面性能的优劣。
[0038]作为一种优选的实施方式，步骤(2)中，基于得到的多个分析数据组，通过比较Y值的大小和/或分析与上浆剂相关的各个界面性能指标的权重因子，评价涂覆有不同上浆剂的同种纤维或者涂覆有同种上浆剂的不同纤维或者涂覆有不同上浆剂的不同纤维制成纤维增强复合材料后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种评价纤维增强复合材料界面性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将上浆剂涂覆在纤维上，测试得到以下界面性能指标：R：上浆后纤维表面粗糙度，nm；K：50m纤维丝束起毛量，mg；S：纤维表面上浆剂含量，％；O：纤维表面氧元素与硅元素比例，％；(2)将测试得到的界面性能指标代入以下模型中进行迭代拟合，得到分析数据组，据此评价复合材料的界面性能；其中，指标Y是一个无量纲的参数；p1
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p7因子是描述不同界面性能指标对复合材料界面性能影响的权重参数，其中p2、p5、p7因子对应上浆后纤维表面粗糙度，p1因子对应50m纤维丝束起毛量，p4因子对应纤维表面上浆剂含量，p3、p6因子对应纤维表面氧元素与硅元素比例。2.根据权利要求1所述的评价纤维增强复合材料界面性能的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述纤维为玻璃纤维，复合材料的基体树脂为环氧树脂。3.根据权利要求1所述的评价纤维增强复合材料界面性能的方法，其特征在于：步骤(1)中，上浆后纤维表面粗糙度R采用扫描电镜或原子力纤维镜进行测试。4.根据权利要求1所述的评价纤维增强复合材料界面性能的方法，其特征在于：步骤(1)中，50m纤维丝束起毛量K的测试方法为：称取50m纤维丝束，精确至0.1mg，记为W1，将丝束按八边形互不接触的缠绕在支架上，固定在两端有过滤网的箱体中，箱体一端放置排风扇；排风90min后取出纤维，称重W2，按下式计算起毛量：K＝W1
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W2。5.根据权利要求1所述的评价纤维增强复合材料界面性能的方法，其特征在于：步骤(1)中，纤维表面上浆剂含量S的测试方法为：称取5.0g纤维，精确至0.1mg，记为W1，用滤纸包好放入索氏提取器，在圆底烧瓶中倒入150
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170mL丙酮，安装萃取回流装置，调节恒温水浴温度为86
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90℃，回流速度6
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7min/次，从第一次回流开始计时，加热90min后取出纤维，烘干称重记为W2，按下式计算上浆剂含量：...

【专利技术属性】
技术研发人员：张扬，张一川，王峰，
申请(专利权)人：中航复合材料有限责任公司，
类型：发明
国别省市：