【论文介绍】利用荧光显微镜和SEM进行新型ESTM-fabric/3266复合材料的低速冲击失效分析
研究亮点
作者基于“离位”专利技术，分别开发了两种新型ESTM-fabric织物：聚醚砜（PES） “点阵附载”型U3160碳纤维织物和PES“无规附载”型U3160碳纤维织物，采用RTM工艺制备了ESTM-fabric织物增强3266中温环氧树脂基复合材料（ESTM-fabric/3266），利用荧光显微镜、SEM进行了复合材料的低速冲击失效分析。
研究背景
在先进碳纤维增强树脂基复合材料的低成本制造技术方面，以RTM（树脂转移模塑，resin transfer molding）技术为代表的液态成型技术是当前国际复合材料领域研究与发展的主流。但与热压罐工艺成型复合材料相比，液体成型复合材料的一个主要缺陷是其抗冲击损伤性能较差。如何对本征脆性的RTM树脂在不改变其树脂组分及化学性能、流变性能的前提下进行增韧改性，是国内外复合材料RTM技术研究关注的焦点。鉴于此，先进复合材料国防科技重点实验室益小苏教授提出和发展了“离位”（ex-situ）复合新技术，核心是将基体树脂的主组分与增韧组分分离，从而有效地解决了RTM工艺过程中树脂低黏度与复合材料高韧性之间的矛盾，同时将增韧相定位在对复合材料韧性贡献最大的层间位置，可在不改变树脂主组分功能特征的同时，大幅度提升RTM复合材料的层间韧性。作者基于“离位”复合专利技术开发了具有增韧效果的ESTM-fabric增强织物，适用于环氧、双马和聚酰亚胺等各种液态成型复合材料。
图文介绍
01
ESTM-fabric/3266复合材料的制备
作者在北京航空材料研究院自行研制的功能成分涂覆设备上制备ESTM-fabric织物。通过控制涂覆工艺，使PES按照设计附载于U3160碳布。所制备的两类ESTM-fabric织物的SEM见图1，其中PES附载量为35 g/cm2。图1(b)中“点阵附载”型ESTM-fabric（ES-L）上PES以聚集圆的形态规律离散分布于U3160织物表面，图1(c)中“无规附载”型ESTM-fabric（ES-R）上PES随机均态分布于U3160织物表面。为了研究需要，还使用了未附载PES的U3160织物（ES-U）作为空白对照组，见图1(a)。将ESTM-fabric织物作为增强体，采用RTM工艺制备3266中温环氧树脂基复合材料（ESTM-fabric/3266）。
图1 不同织物的SEM
（a）U3160；（b）点阵附载型ESTM-fabric；（c）无规附载型ESTM-fabric
02
受冲复合材料的失效分析
对ESTM-fabric/3266复合材料进行低速冲击落锤冲击（测试标准ASTM D7136，冲击能量为6.67 J/mm），然后通过SEM（图2）和荧光显微镜（图3）观察了ESTM-fabric/3266复合材料受低速冲击后的结构损伤。图3中结构上方正中央为与冲头接触区。受冲击复合材料均表现出锥形损伤。未增韧ES-U在压头下方区域，几乎所有铺层均发生了严重的破裂，每个0°铺层的上方均发生了大范围的分层，分层最大宽度达36 mm，主要为环氧树脂与纤维的界面光剥破坏（见图2（a）)。
对比图1和图2可见，增韧剂PES在U3160织物表面的初始分布状态影响着ES-L和ES-R复合材料的层间相结构。ES-R中相反转结构弥散均布于整个层间，而ES-L中相反转结构则在层间呈涨落分布。ES-L的层间结构可分为硬相区（hard phase，富3266环氧树脂连续相）和软相区（soft phase，富PES连续相/3266环氧树脂相反转结构），当裂纹被引发时，软相区可以通过3266环氧树脂与PES的界面破坏以及PES的塑性变形来吸收能量以使裂纹钝化或偏折，当裂纹扩展至硬相区时，其最终被高强度、高刚性的富3266环氧树脂连续相所终止。ES-L和ES-R中大量存在的基体裂纹损伤可以吸收可观的能量（见图4），从而减少了分层及纤维断裂损伤，降低了分层损伤程度，ES-R分层扩展最大宽度约为34 mm，ES-L约为30 mm。ES-L和ES-R的冲击阻抗和损伤容限均得到极大地改善。
图2 ESTM-fabric/3266复合材料层间SEM观察形貌
(a):ES-U,(b):ES-L,(c):ES-R
图3 ESTM-fabric/3266复合材料剖面荧光显微镜观察形貌 (a)ES-U;(b)ES-L;(c)ES-R
图4 ES-L复合材料剖面底部形貌放大图
小 结
作者基于“离位”复合专利技术开发了具有增韧效果的ESTM-fabric增强织物，制备了ESTM-fabric增强3266中温环氧树脂基复合材料。未增韧复合材料ES-U在低速落锤冲击中发生损伤的范围最广，压头正下方区域则发生了严重的铺层破裂，其内部损伤以发生在0°铺层上方的分层（树脂与纤维的界面破坏）为主。ES-R与ES-L的冲击损伤以层内裂纹及基体裂纹（3266环氧树脂颗粒相与PES连续相的界面脱粘以及PES的塑性变形）为主；基体损伤可以吸收大量的能量，从而减少了分层及纤维断裂损伤，极大地改善了增韧复合材料的冲击阻抗和损伤容限。
荧光显微镜
复合材料包含了高分子材料基体（如热固性树脂）及高强度纤维等填充材料。在复合材料研究中，通常使用光学显微镜（optical microscope）来进行材料微观尺度的结构观察与失效分析，其工作原理为：在入射明视场中，源自光源的光路，穿过物镜透镜，反射在标本表面上，并通过物镜返回，最终照射至目镜用以观察。当大量入射光在物体平面上反射时，会观察到一个明亮的背景，而当入射光分散以各种角度反射并部分被吸收时，则在非平面上显得较暗，如分层裂纹、空隙等。但常规的光学显微镜具有观察效率低、局部细微特征不突出等缺点。
荧光显微镜（fluorescence microscope）是光学显微镜的一种，其由光源、滤板系统和光学系统等主要部件组成，工作原理为：以紫外线为光源照射被检物体，激发物体发射荧光，然后在显微镜下观察物体的形状及其所在位置，其在生物领域研究中已得到了广泛应用。荧光显微镜用于材料金相分析中，制样方法与普通光学显微镜类似，只需将染色（荧光）剂，如罗丹明B额外加入环氧树脂中以包埋复合材料试样；包埋过程中，低黏度的混有罗丹明B的环氧树脂通过毛细作用会充分渗入所有裂纹空隙，固化完成后，接着依次使用320、800、1200、2000目的砂纸打磨试样，然后使用2.5 μm的金刚石抛光剂对打磨表面进行抛光处理，最后使用荧光显微镜对抛光试样进行观察。在偏振光下，荧光剂将在合适的波长下发出荧光，如在紫外光激发下，罗丹明B（裂纹空隙位置）发出红光，而基体树脂则发出蓝绿色的光，碳纤维发出黑色的光。相比通常的光学显微镜，在荧光显微镜中可以更加高效地观察到更小尺度、更加精致、更加显著的损伤特征，如基体裂纹（银纹）或层内铺层裂纹等。荧光显微镜在复合材料的金相分析中大有可为！
图5 荧光显微镜
原文出处：
ESTM-fabric/3266复合材料低速冲击响应及冲击后压缩行为研究
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董慧民, 闫丽, 安学锋, 钱黄海, 苏正涛, 益小苏
《材料工程》2020, 48 (1): 41-47.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000960