纤维表面处理对复合材料力学性能的影响

能的影响。 由 复 合 材 料 混 合 定 律 [1]（ 如 式 1 和 式 2 所
示 ） 可 知 ， FRP 的 性 能 主 要 有 赖 于 3 个 因 素 ： ①
适合于拉挤工艺的碳纤维表面处理方法。
１ 试验原材料
纤维的强度及模量；② 树脂的强度及化学稳定 性；③ 应力在界面间传递时树脂与纤维的粘结效
作用，与未固化纤维布的力学性能有差异，特别 和分散应力、使纤维更好的协同工作，以最大限度
是粘贴 1 层以上的纤维布。因此，混凝土结构中 地发挥纤维抗拉强度高的特点。在树脂基体所发挥
固 化 后 的 FRP 的 实 际 状 况 难 以 掌 握 ； 二 是 ， 粘 贴 效果受现场操作工人的技术熟练程度影响。因
响。
配方的主要性能如表 2 所示。
E =α1E1V1 +α2E2V2 +α3E3V3 +… … （式 1）
σ =α 1σ 1V1 +α2σ2V2 +α3σ3V3 +… … （式 2） ２ 试 验 设 计
收稿日期：2003-04-29；修定日期 ：2003-05-30 基 金 项 目：江苏省高技术研究计划资助项目（ BG2002001） 作 者 简 介：钱 春 香 （ 1966-） ，女，浙江桐庐人，博士，教授，博士生导师，从事水泥基复合材料和聚合物基复合材料 研 究 。
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高科技纤维与应用
第二十八卷
表4 不同处理方法时碳纤维/环氧树脂间界面粘结性能
纤维表面处理方法
未处理 表面胺基化处理 表面偶联剂处理
单丝纤维直径 d f（μm） 6.9
6.9
6.9
纤维单丝强度
σLC（GPa）
3.84
3.84
3.84
纤维临界长度 LC （mm） 2.94
1.23
1.38
界面剪切强度
埋置单丝碳纤维
R36
纤 维 平 均 断 裂 长 度 （mm） 2.94 1.23 1.38
τS
=
σLc C d f
2 Lc
（式 3）
对经过不同表面处理的碳纤维，采用自行研
55
制 的 基 体 配 方 做 成 FRP 片 材 ， 测 定 其 抗 拉 强 度 和
250
10
弹性模量。
50
图1 界面剪切强度测试试件图
３ 试验结果及分析
３．１ 纤维表面处理对界面剪切强度的影响
不同纤维表面处理后的相关试验结果如表 3 和表 4 所示。
由 式 3，可得纤维表面处理后和未进行表面 处 理 的 纤 维 与 基 体 树 脂 之 间 的 界 面 剪 切 力 （ τ s） 的变化情况，结果如表 4所示。
从表 4 可见，未处理纤维与基体的界面剪切 强 度 只 有 9.0MPa， 用 表 面 胺 化 处 理 方 法 进 行 处 理 的 碳 纤 维 界 面 剪 切 强 度 达 到 了 21.5MPa， 提 高 幅 度 为 139.9％ ； 添 加 偶 联 剂 后 ， 碳 纤 维 界 面 剪 切 强 度 为 19.2MPa， 提 高 幅 度 为 113.3％ 。
和有效粘接界面的面积；采用偶联剂对碳纤维表 操作性；
面处理时，偶联剂的偶联作用很好的改善了碳纤
维同树脂基体间联结状况，从而很大的提高了界
面剪切强度。
３．２ 纤 维 表 面 处 理 对ＣＦＲＰ片 材 力 学 性 能 的 影响
⑵ 碳纤维表面经胺基化或偶联剂处理后，以 碳 纤 维 体 积 率 为 60％ 、 改 性 环 氧 树 脂 为 基 体 ， 采 用 手 工 拉 挤 工 艺 成 型 的 CFRP 片 材 的 抗 拉 强 度 可 提 高 20％ 以上，弹性模量可提高 10％ 以 上 。
[1] D.赫尔. 复合材料力学导论[M]. 北京:中国建筑工业出 版社, 1989.
[2] 韩风, 潘鼎, 黄 永 秋. 电 化 学 表 面 处 理 提 高 碳 纤 维 复 合 材 料 界 面 性 能 的 机 理 研 究 [J]. 化 工 新 型 材 料 , 2000,28: 20－23.
[3] 余木火, 找世平, 腾翠青, 韩克清, 顾丽霞. 碳纤维表 面胺基化处理提高复合材料的界面粘合性[J]. 纤 维 复 合材料, 1999,(4): 20－22.
的这些作用中，树脂基体与纤维表面之间的界面性 能起到决定性的作用 [2]。 对 于 碳 纤 维 增 强 复 合 材 料
此 ， 提 高 加 固 用 FRP 的 工 厂 预 制 程 度 很 有 必 要 。 （ CFRP）来说，由于碳纤维与环氧树脂的粘结性
FRP 作 为 一 种 高 性 能 的 复 合 材 料 ， 它 通 过 纤 维 增 能 较 差 ， 因 此 有 必 要 对 碳 纤 维 表 面 进 行 相 关 的 处
碳 纤 维 补 强 片 材 杭 州 索 奇 先 进 复 材 公 司 ０ ５ ７ １ － ６ ３ ３ ７ ３ ２ ３ ６
第三期
钱 春 香 ,等 ： 纤 维 表 面 处 理 对 复 合 材 料 力 学 性 能 的 影 响
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表1 碳纤维的性能
σ － 表 示 FRP 和各组成部分的强度；α 1、 α 2、α3 － 表 示 影 响 系 数 ； V －表示 FRP 中各组分的体积含量；
层或多层纤维布在现场粘贴。这种方式存在两个 问题，一是粘贴后的纤维材料由于固化内应力的
E －表示 FRP 和各组成部分的弹性模量。 在 FRP 中，树 脂 基 体 主 要 起 粘 结 纤 维 、 传 递
16.1
注：固化条件为 120℃/10min+160℃ /1h。
拉伸强度 （ MPa）
33.2
弹性模量 （ MPa）
916
表3 临界长度法测得的碳纤维拉伸断裂后的段数
纤维表面处理方法 未处理
表面胺基化处理 表面偶联剂处理
平均段数 8.5 20.3 18.1
注：平均段数是指 25mm 埋置的单丝纤维的断裂段数。
第二十八卷 第三期 - 36 2-003年06月
高科技纤维与应用 H高i-T科ech技Fib纤er维& A与pp应lica用tion
Vol.28, No.3 第Ju二n.十, 2八00卷3
纤维表面处理对复合材料力学性能的影响
钱春香，陈世欣
（东南大学 材料科学与工程系，江苏 南京 210096）
摘 要： 本文研究了碳纤维表面处理方法对纤维-基体界面剪切强度的影响。研究结果表明，相对于未进行表面处 理的碳纤维，所采用的胺基化处理和偶联剂处理两种表面处理方法都能够提高碳纤维界面的剪切强度，从而提高
τS （MPa）
9.0
21.5
19.2
表5 碳纤维表面不同处理工艺时CFRP片材的性能
碳纤维表面处理方法
未处理 纤维表面胺基化
截面尺寸 （ mm） 50× 0.5
50× 0.5
抗拉强度 （ MPa）
721
915
弹性模量 （ GPa）
114.6
128.1
表面偶联剂处理
50× 0.5
886
125.3
注：以上试件均为手工拉挤成型；试件纤维体积含量均为 60%。
纤维型号 T700SC-12K-50C
抗拉强度 （ MPa）
4 900
弹性模量 （ GPa）
230
极限拉伸率 （%）
2.1
单丝直径 （ μ m）
6.9
密度 （ g/cm3 ）
1.80
表2 基体树脂性能
树脂组分及配方
TDE-85/SA/JX/DM/LZ 100/12/20/15/10
拉伸剪切强度 （ MPa）
由 表 5 的 试 验 结 果 看 出 ， 当 CFRP 片 材 中 的 碳纤维表面进行胺基化或偶联剂处理后，性能要
参考文献：
大大优于未经处理的片材的性能，其抗拉强度可 分 别 提 高 27% 和 22％ ， 弹 性 模 量 可 分 别 提 高 11 ％ 和 10％ 。 这 说 明 ， 碳 纤 维 表 面 处 理 以 后 ， 提 高 了纤维与基体树脂之间界面的粘结强度，同时也 增 加 了 FRP 中 纤 维 -基 体 树 脂 界 面 的 总 面 积 ， 使 纤维与基体之间的应力传递更为有效。另外，碳 纤 维 表 面 胺 基 化 处 理 和 偶 联 剂 处 理 都 能 提 高 FRP 片材的性能，其中以胺基化处理方法效果最为明
碳纤维与树脂基体间的界面剪切强度，采用 临界长度法进行测试。具体操作是将碳纤维单丝 埋入树脂基体的中间位置，并将试件做成图 1 的 形式，然后在拉伸试验机上进行拉伸，拉伸试件 到 延 伸 率 为 5％ 时 ， 在 40 倍 显 微 镜 下 观 察 纤 维 的 段数，简单计算出各段纤维的平均长度，最后根 据 式 3 计算出界面剪切强度 [3]。
由以上试验结果可知，经过表面处理的碳纤 维与基体树脂之间的界面剪切强度有大幅提高， 其中以碳纤维表面胺化处理的提高幅度最大。在 碳纤维表面未经过处理时，碳纤维表面光滑、活
碳 纤 碳 布 芳 纶 芳 纶 布 混 杂 布 蜂 窝 芯 富 阳 特 纤 所 ０ ５ ７ １ － ６ ３ ３ ７ ２ ４ ６ ６
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高科技纤维与应用
第二十八卷
Preparation of aluminosilicate refractory fibers by using sol-gel process
复合材料整体的抗拉强度和弹性模量，并且偶联剂处理方法具有更好的工艺性。
关 键 词： 碳 纤 维 ； 表 面 处 理 ； 加 固 材 料 ； 力 学 性 能
中图分类号： TQ342+.742
文献标识码： A