聚合物基復(fù)合材料是由各種纖維和聚合物通過不同成型工藝組合而成的新型復(fù)合材料，其既保留了原組成材料的主要特點(diǎn)，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組成材料不具備的性能。其中纖維主要起增強(qiáng)作用，聚合物樹脂主要起連接纖維和傳遞載荷的作用，而纖維和聚合物樹脂的界面是連接的紐帶，也是載荷傳遞的橋梁，起著非常重要的作用。聚合物基復(fù)合材料的比剛度以及比強(qiáng)度較高，抗疲勞性能和耐腐蝕性能優(yōu)異，且具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、成型工藝簡(jiǎn)單、過載時(shí)安全性能好等優(yōu)點(diǎn)。目前聚合物基復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、汽車、船舶、電子、無人機(jī)、機(jī)械、醫(yī)療、建筑以及運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域。
復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試是聚合物基復(fù)合材料產(chǎn)品研制與生產(chǎn)的重要組成部分，對(duì)其質(zhì)量保證和產(chǎn)品驗(yàn)證起著重要作用。隨著聚合物基復(fù)合材料的廣泛使用，其力學(xué)性能測(cè)試變得越來越重要。研究人員對(duì)聚合物基復(fù)合材料重要的力學(xué)測(cè)試方法及對(duì)應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了論述，同時(shí)對(duì)聚合物基復(fù)合材料的界面力學(xué)性能表征方法及其研究進(jìn)展進(jìn)行了概括，最后對(duì)聚合物基復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試及其界面的力學(xué)性能表征進(jìn)了總結(jié)和展望。
1、聚合物基復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試
聚合物基復(fù)合材料的力學(xué)測(cè)試及其標(biāo)準(zhǔn)，在最開始制訂的時(shí)候主要參考相應(yīng)的金屬力學(xué)性能測(cè)試，但最近幾十年，隨著人們對(duì)復(fù)合材料的特性和破壞機(jī)理的認(rèn)識(shí)不斷加深，聚合物基復(fù)合材料的力學(xué)測(cè)試方法及其標(biāo)準(zhǔn)的制訂不斷進(jìn)展和完善。下面就聚合物基復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試方法及其標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介紹。
1.1 拉伸性能測(cè)試
拉伸性能是復(fù)合材料最基本的力學(xué)性能之一，反映了材料抵抗拉伸載荷破壞的能力，拉伸性能測(cè)試可以獲得最大拉伸應(yīng)力、斷裂應(yīng)變、拉伸模量以及泊松比等信息。常用的聚合物基復(fù)合材料拉伸性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有 ASTM D3039/D3039M-17 《聚合物基復(fù)合材料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、ASTM D638-22《塑料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》、ISO 527-4:2021《塑料拉伸性能的測(cè)定 第4部分：各向同性和正交異性纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的試驗(yàn)條件》、ISO 527-5:2021《塑料拉伸性能的測(cè)定 第5部分：?jiǎn)蜗蚶w維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的試驗(yàn)條件》等。ASTM D3039/D3039M-17一般用于高模量、高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的拉伸性能的測(cè)定，而ASTM D638-22適用于低模量、低強(qiáng)度纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能的測(cè)定。ISO527-4:2021和ISO527-5:2021在技術(shù)上基本等同于ASTM D638-22。此外，為了考察開孔以及螺釘裝配后復(fù)合材料的拉伸性能，另有開孔拉伸標(biāo)準(zhǔn) ASTM D5766/D5766-02a《聚合物基復(fù)合材料層壓板開孔拉伸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》和填孔拉伸標(biāo)準(zhǔn) ASTM D6742/D6742M-02《聚合物基復(fù)合材料層壓板充填孔拉伸和壓縮標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，除了制樣過程外，這兩種方法具體測(cè)試過程等同于ASTM D3039/D3039M-17。
不同于金屬材料，復(fù)合材料是各向異性材料，其纖維鋪層的方式和方向、裁樣及制樣的方式都對(duì)其拉伸性能影響很大。除此之外，拉力機(jī)及其同軸度、夾具、應(yīng)變測(cè)量方式、試樣形狀及尺寸、狀態(tài)調(diào)節(jié)與試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)速率等都會(huì)對(duì)復(fù)合材料的拉伸測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性有較大的影響。在聚合物基復(fù)合材料拉伸性能測(cè)試過程中，需嚴(yán)格控制上述變量。
1.2 壓縮性能測(cè)試
壓縮性能反映了復(fù)合材料承受壓力和抵抗沖擊的能力，壓縮性能測(cè)試可以得到材料的壓縮強(qiáng)度、彈性模量、屈服強(qiáng)度等參數(shù)。常見的聚合物基復(fù)合材料壓縮性能測(cè)試有3種不同的加載方式，分別為端面加載、剪切加載以及混合加載(見圖1)。端面加載常用的標(biāo)準(zhǔn)為 ASTM D695—2015 《硬質(zhì)塑料壓縮性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》。剪切加載常用的標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D3410/D3410M-03 《剪切荷載法測(cè)定帶無支撐標(biāo)準(zhǔn)截面的聚合母體復(fù)合材料抗壓特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》和ISO 14126:1999 《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料 平面方向壓縮性的測(cè)定》。混合加載常用的標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D6641/D6641-16 《使用組合加載壓縮(CLC)試驗(yàn)夾具測(cè)定聚合物基復(fù)合材料壓縮性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》以及ISO 14126:1999。除此之外，考察復(fù)合材料開孔壓縮性能的常用標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D6484/D6484M-14《聚合物基復(fù)合材料層壓板開孔抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，考察螺釘裝配后填孔壓縮性能的常用標(biāo)準(zhǔn)為 ASTM D6742/D6742M-02。
聚合物基復(fù)合材料的各種壓縮性能測(cè)試都是通過特定工裝夾具實(shí)現(xiàn)的，因此夾具對(duì)復(fù)合材料的壓縮性能測(cè)試至關(guān)重要。然而，各標(biāo)準(zhǔn)只是對(duì)夾具基本形狀和尺寸進(jìn)行了規(guī)定，具體夾具設(shè)計(jì)因生產(chǎn)廠家不同而有所區(qū)別。因此，需要選擇質(zhì)量合格的夾具，使其對(duì)試樣進(jìn)行均勻加載，以保證壓縮性能測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
1.3 彎曲性能測(cè)試
聚合物基復(fù)合材料的彎曲性能測(cè)試反映了材料在承受彎曲載荷下破壞或達(dá)規(guī)定撓度的過程，彎曲性能測(cè)試可得到彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、規(guī)定撓度下的彎曲應(yīng)力等參數(shù)。常用的試驗(yàn)方法為3點(diǎn)彎曲和4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。3點(diǎn)彎曲因壓頭處施加的應(yīng)力最大，破壞一般發(fā)生在試樣的中部，而4點(diǎn)彎曲因試樣受力均勻，破壞一般發(fā)生在試樣的缺陷處。3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的常用標(biāo)準(zhǔn)有 ASTM D790-17《增強(qiáng)型和非增強(qiáng)型塑料和電絕緣材料曲撓性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》、ISO 178:2019《塑料 彎曲性能的測(cè)定》以及ISO 14125:2011《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的彎曲性能》等。4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的常用標(biāo)準(zhǔn)有 ASTM D7264-15 《樹脂基復(fù) 合 材 料 彎 曲 性 能 測(cè) 試 標(biāo) 準(zhǔn) 方 法 》、ASTM D6272-10《四點(diǎn)彎曲法測(cè)定非增強(qiáng)和增強(qiáng)塑料和電絕緣材料的撓性特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》等。不同彎曲性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣尺寸、壓頭以及支座半徑、跨度與厚度比等參數(shù)的要求不同，因而測(cè)試結(jié)果不具有可比性。
1.4 剪切性能測(cè)試
常用聚合物基復(fù)合材料剪切性能的測(cè)試方法主要有層間剪切測(cè)試、面內(nèi)剪切測(cè)試、搭接剪切測(cè)試、V型缺口梁剪切試驗(yàn)以及V型缺口軌道剪切試驗(yàn)等。
層間剪切測(cè)試主要考察復(fù)合材料層與層之間的最大剪切應(yīng)力，被廣泛用于評(píng)價(jià)復(fù)合材料纖維與樹脂之間界面的結(jié)合強(qiáng)度。主要的測(cè)試方法為短梁剪切測(cè)試，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為 ASTM D2344/D2344M-16《聚合物基體復(fù)合材料及其層壓件短梁強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》以及ISO14130:1997 《纖維增強(qiáng)塑料短梁法測(cè)定層間剪切強(qiáng)度》。由于加載處存在峰值應(yīng)力，因此該方法并不能反映材料真正的剪切性能，測(cè)試結(jié)果為表觀剪切應(yīng)力，且該測(cè)試方法跨距與厚度比很小，受力遠(yuǎn)大于3點(diǎn)彎曲。
面內(nèi)剪切測(cè)試采用纖維方向和載荷呈±45°的拉伸或壓縮性能測(cè)試，且適合剪切變形小于5%的情況，也較多地用于評(píng)價(jià)復(fù)合材料纖維與樹脂之間的界面結(jié)合強(qiáng)度。常用標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D3518/D3518M-13《±45℃層壓板拉伸試驗(yàn)法測(cè)定聚合物基質(zhì)合成材料平面內(nèi)剪切應(yīng)力反應(yīng)性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》以及ISO 14129:1997 《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料試驗(yàn)法測(cè)定平面剪應(yīng)力/剪應(yīng)變特性》，測(cè)試過程中的橫縱向應(yīng)變測(cè)試普遍采用的是應(yīng)變片，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性受人為因素的影響較大。
搭接剪切測(cè)試主要用于確定兩層合板之間的黏合剪切強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果為面內(nèi)剪切強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn) EN 2243-1:2005《航空航天系列 非金屬材料 結(jié)構(gòu)膠黏劑的試驗(yàn)方法第1部分：?jiǎn)蚊娲罱蛹羟小芬约癆STM D3846-08 《增強(qiáng)塑料的平面剪切強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》內(nèi)容為單邊簡(jiǎn)單搭接和溝槽搭接測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)EN 2243-6:2005 《航空和航天系列 非金屬材料 結(jié)構(gòu)膠粘劑的試驗(yàn)方法 第6部分：剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變量測(cè)定》以及ASTM D3528-96《采用拉向載荷測(cè)定雙搭接剪切黏接接頭強(qiáng)度特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》內(nèi)容為雙邊簡(jiǎn)單搭接和溝槽搭接測(cè)試。該類測(cè)試中的制樣過程較復(fù)雜。
V型缺口梁剪切試驗(yàn)通過特制夾具實(shí)現(xiàn)壓縮加的測(cè)試，常用測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D5379/D5379M-19e1《用V形切口梁法測(cè)定復(fù)合材料剪切性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，通常用于高模量纖維或者織物的壓縮剪切測(cè)試，在測(cè)試過程中，纖維應(yīng)該平行或垂直于加載方向，應(yīng)變片黏貼在剪切面45°方向上，因而應(yīng)變片黏貼的方法和位置對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大。
V型缺口軌道剪切試驗(yàn)的測(cè)試方法為通過特制夾具以及拉伸加載方式將剪切力傳入試樣，常用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D7078/D7078M-20e1 《復(fù)合材料剪切性能試驗(yàn)方法》，纖維需要平行或者垂直加載方向，應(yīng)變片黏貼在剪切面45°方向上。該方法的夾具安裝過程較復(fù)雜，且應(yīng)變片黏貼的方法和位置對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大。
1.5 沖擊性能測(cè)試
聚合物基復(fù)合材料層間結(jié)合性能較差，在受到?jīng)_擊后，該材料容易出現(xiàn)基體開裂、纖維斷裂、界面分層等問題。沖擊性能測(cè)試方法包括簡(jiǎn)支梁沖擊、懸臂梁沖擊以及落錘沖擊等。對(duì)于聚合物基復(fù)合材料來說，主要采用落錘沖擊方法來表征其損傷阻抗。
常用的聚合物基復(fù)合材料簡(jiǎn)支梁沖擊性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有ASTM D6110-18 《測(cè)定塑料缺口試樣夏氏沖擊強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、EN ISO 179-1:2000《塑料 擺錘式?jīng)_擊特性的測(cè)定 第1部分：非儀器沖擊試驗(yàn)》以及GB/T 1043.1:2008《塑料 簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定 第1部分：非儀器化沖擊試驗(yàn)》等，懸臂梁沖擊測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有ISO 180:2023 《塑料 懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定》、GB/T 1843—2008《塑料 懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定》等,試樣分為缺口試樣和無缺口試樣。
聚合物基復(fù)合材料落錘沖擊試驗(yàn)常用測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D7136/D7136M-20《用于測(cè)量纖維增強(qiáng)聚合物基質(zhì)復(fù)合材料對(duì)跌落沖擊事件的抗損傷性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》，采用帶半球形沖擊頭的落錘，對(duì)試樣施加恒定沖擊載荷，從而得到試樣的損傷尺寸和損傷形式，表征了試樣的損傷阻抗能力。
1.6 沖擊后壓縮性能測(cè)試
在航空、航天領(lǐng)域，通常用沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度來表征聚合物基復(fù)合材料的損傷容限，因此沖擊后壓縮性能測(cè)試非常重要。常用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D7137/D7137M-23 《損壞的聚合物基復(fù)合材料板的壓縮殘余強(qiáng)度特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，該方法采用特定工裝對(duì)含預(yù)損傷的試樣進(jìn)行壓縮性能測(cè)試，從而確定沖擊所帶來的壓縮強(qiáng)度損失。試驗(yàn)機(jī)的同軸度、夾具的選擇以及壓盤的平行度都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生較大影響。
1.7 層間斷裂韌性測(cè)試
層間斷裂韌性是表征復(fù)合材料抗分層擴(kuò)展能力的重要指標(biāo)之一，斷裂模式有I型(裂紋擴(kuò)展)、II型(面內(nèi)剪切)和Ⅲ型(面外剪切)，3種斷裂模式如圖2所示。
測(cè)試單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的I型層間斷裂韌性的標(biāo)準(zhǔn)有ASTM D5528/D5528M-21 《單向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的I型層間斷裂韌性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、ISO 15024:2023《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料 間接增強(qiáng)材料的模型I層間摩擦粗糙度的測(cè)定》，通過確定雙懸臂梁試樣的橫梁位移，測(cè)得裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度。然而，很難同時(shí)獲得準(zhǔn)確的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度以及對(duì)應(yīng)的載荷和位移，因此人為因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響很大，尤其是當(dāng)裂紋擴(kuò)展不穩(wěn)定的時(shí)候。
測(cè)試單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的II型層間斷裂韌性的標(biāo)準(zhǔn)有ASTM D7905/D7905M-19e1 《單向纖維增強(qiáng)聚合物基體復(fù)合材料模式II層間斷裂韌性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》以及ISO 15114:2014 《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料 采用校準(zhǔn)端載荷分裂(C-ELS)試驗(yàn)和有效開裂長(zhǎng)度法對(duì)單向增強(qiáng)材料模式II抗裂強(qiáng)度的測(cè)定》。ASTM D7905/D7905M-19e1采用端部缺口 彎 曲 試 樣,測(cè) 試 方 法 為 3 點(diǎn) 彎 曲 試 樣。ISO 15114:2014采用端部加載撕裂試樣，利用拉力機(jī)對(duì)端部進(jìn)行向上加載，利用橫梁位移或者撓度計(jì)測(cè)試缺口偏移量。
在服役過程中，聚合物基復(fù)合材料受到的載荷一般不是單一方向的,因而發(fā)生純I型分層的情況較少。最常見的為I/II混合型分層模式。測(cè)試單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的I/II混合型層間斷裂韌性的標(biāo)準(zhǔn)為 ASTM D6671/D6671M-22 《單向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的混合模式I-模式II層間斷裂韌性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，其采用雙懸臂梁試樣,利用特殊夾具實(shí)現(xiàn)I型和II型混合加載。
目前，對(duì)于Ⅲ型面外剪切斷裂，還沒有對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。
1.8 疲勞性能測(cè)試
在服役過程中，聚合物基復(fù)合材料長(zhǎng)期承受疲勞載荷，材料易發(fā)生疲勞失效。聚合物基復(fù)合材料即使承受振幅遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度的疲勞載荷，也會(huì)積累疲勞損傷并最終導(dǎo)致產(chǎn)品失效，因此對(duì)聚合物基復(fù)合材料進(jìn)行疲勞性能測(cè)試非常重要。疲勞性能測(cè)試反映了材料承受交變循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變時(shí)所引起的局部結(jié)構(gòu)變化和內(nèi)部缺陷發(fā)展的過程。按加載方式，疲勞失效可分為拉-拉疲勞、拉-壓疲勞、壓-壓疲勞以及彎曲疲勞等；按疲勞破壞周次 來分，低于50000次的稱為低周疲勞，高于50000次的稱為高周疲勞。常用的聚合物基復(fù)合材料疲勞性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有ASTM D3479/D3479M-19 《聚合物基復(fù)合材料拉伸-拉伸疲勞試驗(yàn)方法》、ISO13003:2004 《纖維增強(qiáng)塑料 循環(huán)載荷條件下疲勞性能的測(cè)定》等。不同試樣形狀和尺寸、加載方式、測(cè)試溫度和濕度等因素都將對(duì)聚合物基復(fù)合材料疲勞測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。相比與金屬材料，聚合物基復(fù)合材料即使發(fā)生了基體開裂或者纖維斷裂，還具有很高的剩余強(qiáng)度，因此，如何界定聚合物基復(fù)合材料的極限疲勞強(qiáng)度是一個(gè)值得探討的問題。
2、聚合物基復(fù)合材料界面力學(xué)性能測(cè)試
聚合物基復(fù)合材料是一種由聚合物基體、纖維增強(qiáng)體和界面組成的多相材料。界面使基體與纖維形成一個(gè)整體，并傳遞應(yīng)力。因此，界面對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的作用尤為顯著，纖維與界面的結(jié)合強(qiáng)度決定了復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。
2.1 界面強(qiáng)度測(cè)試
復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試主要有宏觀和微觀兩種方式。宏觀測(cè)試包括層間剪切測(cè)試、面內(nèi)剪切強(qiáng)度、V型缺口軌道剪切試驗(yàn)、V 型缺口梁剪切試驗(yàn)以及諾爾(NOL)環(huán)測(cè)試等。NOL環(huán)是針對(duì)單向纖維纏繞復(fù)合材料，采用環(huán)形試樣進(jìn)行拉伸或者層間剪切的測(cè)試，其層間剪切性能可以反映出聚合物基體與纖維之間的黏結(jié)力。其中，層間剪切測(cè)試中短梁剪切法的試樣制備和測(cè)試過程較簡(jiǎn)單，是目前工程上常用的復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試方法。
微觀測(cè)試包括纖維拔出試驗(yàn)、纖維壓出試驗(yàn)、微滴脫黏試驗(yàn)、纖維斷裂試驗(yàn)等(見圖3)，試驗(yàn)均以單纖維為研究對(duì)象。纖維頂出試驗(yàn)、纖維拉出試驗(yàn)、微滴包埋試驗(yàn)等都是將力直接施加在纖維上，而纖維斷裂試驗(yàn)是將力施加在樹脂基體上。微滴脫黏法的制樣過程相對(duì)簡(jiǎn)單，可以準(zhǔn)確地測(cè)量出脫黏瞬間結(jié)合力的大小，適合測(cè)試任何纖維/基體間的界面結(jié)合強(qiáng)度。這些方法還沒有具體可以參照的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其測(cè)試結(jié)果的精確度受制樣方法以及儀器的精確度影響較大。
2.2 界面微觀性能表征
上述宏觀和微觀測(cè)試方法不能反映材料真實(shí)的界面破壞情況。因此，可以采用納米壓痕分析、原子力學(xué)顯微鏡(AFM)分析、掃描電鏡(SEM)分析、透射電鏡(TEM)分析、拉曼光譜分析等方法表征復(fù)合材料真實(shí)的界面破壞情況。
納米壓痕分析方法是通過控制壓入材料表面的載荷變化，實(shí)時(shí)測(cè)量壓痕的深度，其測(cè)量的深度可以達(dá)到納米級(jí)。通過測(cè)試可以得到力-位移曲線、硬度、彈性模量、應(yīng)變硬化、斷裂韌性以及蠕變性能等參數(shù)，目前被廣泛用于聚合物以及納米復(fù)合材料界面力學(xué)性能的研究。MOLAZEMHOSSEINI等使用納米壓痕和納米刮印技術(shù)，繪制了碳纖維(CF)對(duì)聚醚醚酮(PEEK)基混雜復(fù)合材料納米壓痕載荷-位移曲線,研究了其整體力學(xué)性能。GAIN等利用納米壓痕技術(shù)綜合評(píng)估了采用自動(dòng)纖維鋪放工藝參數(shù)制備的CF-PEEK復(fù)合材料界面的關(guān)鍵力學(xué)性能，包括納米硬度、彈性模量和蠕變性能等，發(fā)現(xiàn)隨著界面黏結(jié)力的增大，CF-PEEK復(fù)合材料界面的壓痕深度減小。
原子力學(xué)顯微鏡一般用于表征復(fù)合材料的界面形貌和微觀結(jié)構(gòu)，利用 AFM 的峰值力定量納米力學(xué)模式(PFQNM)并結(jié)合動(dòng)態(tài)模量成像技術(shù)，可以在納米尺度上確定界面各局部區(qū)域的形貌、彈性模量、變形、黏度、界面形 態(tài)、平均厚度等參數(shù)。QI等利用PFQNM成像技術(shù)確定了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料的界面厚度，且其模量圖定量測(cè)定的界面厚度與黏附圖一致。ZHENG等提出了一種AFM技術(shù)來直接表征碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的界面黏附情況，碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料單根纖維的黏接力測(cè)定與微黏接試驗(yàn)具有良好的相關(guān)性。
SEM分析是利用材料激發(fā)后形成的二次電子信號(hào)成像技術(shù)來觀察試樣表面形態(tài)。原位SEM力學(xué)測(cè)試是將微觀力學(xué)測(cè)試與SEM結(jié)合，有助于在微觀水平上獲得復(fù)合材料的微觀力學(xué)性能、界面強(qiáng)度和損傷機(jī)理等。TOTTEN等對(duì)單纖維試樣進(jìn)行原位SEM拉伸試驗(yàn)，得到了纖維/基體界面的抗拉強(qiáng)度。LIU等開發(fā)了一種利用原位SEM來測(cè)量不同表面狀態(tài)下碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的界面強(qiáng)度方法，并結(jié)合了X射線能量分析法，對(duì)試樣進(jìn)行元素分析，發(fā)現(xiàn)含氧基團(tuán)與環(huán)氧樹脂之間的相互作用是影響界面強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。GHAFFARI等開發(fā)了一種基于 SEM 的原位纖維壓出測(cè)試，評(píng)估了復(fù)合材料的界面強(qiáng)度，并用掃描電鏡捕捉了纖維/基體界面強(qiáng)度行為。
TEM分析是采用透過試樣的電子成像技術(shù)來觀察試樣表面形態(tài)的。結(jié)合TEM的原位力學(xué)可以觀察到裂紋形成和擴(kuò)展時(shí)，復(fù)合材料局部微觀結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)。EGOSHI等采用原位TEM觀察了碳纖維從樹脂基體分離，以及隨后的纖維拔出過程中的微觀結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)過程。ISHIKAWA等采用原位TEM觀察了復(fù)合材料在拉伸試驗(yàn)中的微觀斷裂過程，揭示了纖維/樹脂界面不同上漿劑處理與裂紋擴(kuò)展和相關(guān)結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系。
將拉曼光譜分析法與微觀力學(xué)測(cè)試相結(jié)合，可以分析復(fù)合材料界面的微觀力學(xué)行為。由瀝青基高模量碳纖維P100在拉伸和壓縮情況下的拉曼光譜可知，在拉伸應(yīng)變下，峰值位置向低頻位移方向移動(dòng)；在壓縮應(yīng)變下，峰值位置向高頻位移方向移動(dòng)。YA等利用拉曼光譜分析法研究了單壁碳納米管在復(fù)合材料中的增強(qiáng)作用，獲得了在施加應(yīng)變水平下的纖維應(yīng)變分布，以及施加基體應(yīng)變下的復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度分布，并繪制了單個(gè)碳纖維附近基體中的殘余應(yīng)變曲線。
3、結(jié)論和展望
對(duì)聚合物基復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試方法及其參考標(biāo)準(zhǔn)，以及復(fù)合材料界面性能的表征方法進(jìn)行了介紹。目前聚合物基力學(xué)性能測(cè)試方法已經(jīng)比較完備，可以滿足絕大多數(shù)科研和生產(chǎn)工作者的測(cè)試需求，但少數(shù)測(cè)試在夾具設(shè)計(jì)和適用性上面仍有一些問題。對(duì)于聚合物基復(fù)合材料界面力學(xué)性能表征，目前還沒有特別完善的試驗(yàn)方法及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。此外，如何借助更多、更新的表征技術(shù)和評(píng)估手段，準(zhǔn)確獲得復(fù)合材料界面的微觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、力學(xué)性能等參數(shù)，更好地解釋界面對(duì)材料性能的影響機(jī)理，以指導(dǎo)和優(yōu)化聚合物基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)，將是未來研究的重點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。
作者：潘星
單位：上海材料研究所有限公司 上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2023年第8期
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