玻璃钢纤维增强聚合物基复合材料界面残余热应力研究赵若飞周晓东戴干策华东理工大学聚合物加工室上海200237枯结强度以及复合材，肋性和贴响，*后对界域余应力的控制方阐述了残余应力对界面1前言聚合物基纤维复合材料的基体和增强纤维的热膨胀杀数存在很大的差异，而复合材料有相3部分是在升温条件下成型的，当温度降低时，由于基体和纤维的体积收缩率不同，会产生热残余应力，热固性树脂在固化过程中发生体积收缩也会形成残余应力。复合材料的残余应力同时存在于基体纤维和界面上，基体中的应力会使基体的性质发生变化+使基体的耐冲击性劳强度缩强度等下降甚至会引起基体的破坏。纤维中主要存在轴向压缩残余应力，可能引起纤维发生曲折3.界面相和界面剪切应力45，这些应力都会对界面的粘结强度和纤维的脱粘产生重要的影响68.

　　界面相残余应力的存在显然严重影响复合村抖是界面层的厚度很小，属于微结构纳米结构，而且界面存在材料的内部，所以难以直接测量残余应力。纤维和基体中的残余应力则可采用各种实验方法来测定列如光弹性法夂只册道抓光谱法纤维总应变法碳纤维电阻率法单丝拔除法14等，可以通过测定邻近界面的基体或纤维中的残余应力来得到界面残余应力。另方面，十年来发展了有限元分析等各种理论分析方法研宄复合材抖残余应乃15使人们付界血残应力有了深入的认识。，近年来热塑性树脂基复合材料得到发展和广泛应月人们对聚合物基复介村料的界面残余应乃的研究越来越重视，这是因为与热固性树脂基复合材料相比，这种热塑性树脂在加工冷却过程中多伴有结晶的形成与纤维的体积收缩比具有更大的差。可能形成较大的界面残余应力。

　　2残余应力的形成聚合物基纤维复合材料有不少是在尚于环境温度150，300，的条件下加工，当体系温度降低时，会由于树脂和纤维的体积收缩不匹配而造成残余应力，1列举了几种纤维和树脂的热膨胀系数和温度变化时的体积收缩率可玻璃纤维是各向1性的。而碳纤维和凯芙拉纤维的横向和纵向热膨胀系数差别很大，当升温时沿纤维纵向收缩，横向膨胀。环氧树脂在固化过程中，伴随着化学反应体积发生收缩，产生残余应力，体积收缩率随树脂类型温度的降低继续发生定的体积收缩，热膨胀系数在较窄的温度范围内50150，可看作常数40 80热朔性树脂在温度达到同化温度时，或者。，体积收缩开始产生热应九在达到固化温度以前，热塑性树脂仍然是熔体，虽然也有很大脂的体积收缩率与环氧树脂相差不大，而结晶型的体积收缩率则相当高。

　　材料性能数值碳纤维凯芙拉纤维萼E玻纤环氧树脂聚丙烯聚乙烯聚砜若飞等纤维增强聚合物基合忖料界面残余热应力研究聚合物基体和纤维在温度降低过程中的体积收缩不匹配，而又要保持变形的致，就必然要产生内应力1.纤维和基体在轴向存在残余应力九13，纤维径向受到压缩残余应力，1.，在基体中和界面处还存在环向残余应力。

　　基体纤维1拙1光谱可来测定有机聚合物纤维5纤维以及碳纤维的残余应力，这呜纤维其化3光谱增加移向高频，在定的应变范围内，频移与应变值成定的比例。通过测定复合材料中纤维只光谱特征峰的频移，即可求出纤维的应变值，进而得到纤维受到的应力值，该法可以测定纤维的轴向残余应力。

　　基体内部存在内应力时，它的双折射性能要发生相应的变化若个主应力不完全相等，则在偏振光的照射下，透明的基体会产生等色线和等倾线，根据等倾线可以确定与偏振光轴相互垂贞的面内的主应力方向，而根据等色线可以确定平面内两个主应力的差值，通过该法可以测得基体中个主应力析，要求材料高模量应力光学性能适当，还需要消除基体的时间边缘效应。到目前为止，该法仅用子环氧基复合材料的残余应力的研究。

　　测出了包埋在基体中的纤维轴向残余应力而发生的轴向总应变，由总应变和纤维的模求纤维轴向受到的压缩残余应力，该法所测结果与理论值比较对碳纤维复合材料，当碳纤维受到轴向压缩残余应力时，它的单位长度的电阻率会变大，若此时对碳纤维施加拉应力。随拉应力的，加，代电1；率又会下降，当电阻率完全和自由的碳纤维的相等时，那么所施加的拉应力就等于纤维受到的轴向残余压缩应力13.认4哗，如，人首次，广这种方法，并测定了碳纤维环氧单纤复合材料中纤维受到4残余应力的分布1.7和1出1沪1在19采用维光弹技术14，对正方形列阵多纤维包含体模式基体中纵向切面中的径向环向和轴向残余应力进行了研分析结果明以各纤维之间的中点为参考点，环向应力在参考点处有*大值，随着向界面方向的移动而变小；基体中纤维轴向方向的残余应力是拉应力，保持常数，在界面处与环向应力相等；径向应力是压缩应力，基本保持常数，仅在界面处略有降低。

　　体模式5进行了维光弹应力分，得出结论基体中径残公应力是纤维周艮位置的函数。

　　在纤维之间距离*小处是压缩应力，而在纤维之间距离*大处则是拉伸应力。而且可能导致该方向界面处的径向应力也为拉伸应力；径向应力随复介村料相对刚度挪的降而变大。随汗维之间*近距离纤维直径的下降而变大；残余应力的分布与基体和纤维的模量以及体积收缩率有关。另外扎等人迎过对正方形列阵纤维排列梭式的残余应力的古典弹性力学分析不仅得到与光弹分析的相同结果，而且发现，在界面处存在剪切残余应力，这种剪切应力也是周长位置的函数。分析结果还明，各种残余应力随纤维体积含量的增加而货大。

　　脱粘和邻近界面的基体破坏。而界面上的径向残余压缩应力则利于界而粘结强设的捉，因此有合适大小的径向残余压缩应力才有利于复合材料韧性和强皮的提高当复合材料受到外载荷作用时，由于基体和纤维的泊松比不同，会在界面上产生泊松径向压缩应力咔同时界面上还存在热径向和残余应力则界面处的压缩应力=4+叶叫。河。比朽88，323根据复合材料纤维拔出机理的破坏方式，建立了复合材料断裂，性只与，关系的公式式7，以8，研允环氧碳纤维和环玻璃纤维休系的1关到此为止，人们对残余应力在平面内垂直于纤维方向的纵向切面的分布和变化有了比较，楚纤维轴向的变化。近年来人们采用维有限元分析系，发现只随着的增加而迅速下降，因此降低界面处的压缩应力，复合材料的断裂韧性提高。VfdAV方法，对残余应力随轴向位置的改变而发生的变化进行了研宄逆分析了碳纤维环氧树脂体系中残余应力的分布。分析结果明在接近复合材料自由面处端区，界面上存在轴向残余剪切应力，随着向材料内部的移动而逐渐变小，般当离自由面2.55倍自由面处有*大值，随着离自由面的距离，加而趋厂以定值；端区径向2聊1和环向5了如的残余应力存在着应力集中应力集中是拉伸应力。随纤维周长位置的改变而变化，应力的人小远大于端区的轴向剪切应力，可能会引起应力集中处内区，各种残余应力不随轴向位置的改变而变化，分析结果与以前的结论基本致，但有点不同于01815的光弹分析结果有限元分析明，基体中的径向残余应力在纤维之间距离*大处可能为拉伸应力，却未能证明该方向界面处的径向残余应力也为拉仲应力人1厂1指出这是山于光弹分析中忽略了复合材料端区对残余应力分布的影响，把端区的界面上径向拉伸应力的集中误认为这种拉伸应力沿纤维轴叫邰存E.

　　5残余应力对复合材料界面和性能的影响基体和纤维的残余应力，会使基体和纤维的性能下降，甚至会引起材料的破坏13.复合材料界面上的环向应力端区的轴向剪切应力，特别是端区下。1.131切04等人研究了复合材料的强度与基体和纤维之间摩擦力9的关系，其中巧=此1 1的，加而降低。因此有在摩擦力大小适中效的控制界他残余应力，界面处的抒向热残余应力都较大，便。如。玻璃纤维聚丙烯体系的可达63河，22，因此需要减小界面处的径向热应力，以提高复合材料的初性和强度。

　　6界面残余应力的拧制残余应力是由于聚合物基体的体积收缩引起环氧树脂基体的体积收缩主要发牛交联固化阶段。环氧树脂中添加种膨胀忭中体，保，等人成功地降低了碳纤维环氧树脂体系的热残余应力34.朽88，通过单丝拔出法测定了向环氧树脂中添加7.5的膨胀性单体后界面处的径向残余压缩应力，发现由原来的46变为14河，34，这种单体的加入同时使复合材料的，性和疲劳强度得到。入。，14提出。在基体和纤维的之间引柔性界面层，可以降低基体固化过程中残余应力形成的开始温度，从而降低热残余应力。另外界面柔性1的。述可以通过变形来消除部分残余应乃1他7，在部分结品的热塑性树脂。纤维之间低于基体结晶温度的热塑忭树脂界匝层。广效地降低了热残余应力，文献39在玻璃纤维聚丙烯体系中引入了柔性橡胶层，使材料的耐冷热循环性能明显得以提高。

　　残余应力的大小与基体的冷却速度密切相关，因为无论热固性或者热塑性树脂，都不是完全弹性驰，若降低冷却速度，则应力松驰程度越，形成的残余应力就较低，0.，3和以。1呼1用心圆柱柱模型，根据基体的粘弹性，从理论上分析了冷却速度对残余应力的影响得出降低冷却速度能有效降低形成的残余应力。冷却速度对热塑性基体的影响远大于对热固性基体的影响。

　　7结束语界面上残余应力的存在对复合材料的的韧性和强度有重要的影响，对残余应力分布的认识以及定试测定残余应乃具有重要的总义，采用适当方法定量地控制界面残余应九能够使复合材料的宏观性能得到*大程度的提高。界面残余应力的研宄，己成为复合材料领域个重要的课，对国内复合材料界而言还显得比较欠缺，界面残余应力的研究和测试几乎还是卞，文中符号说明，1纤维的横向热膨胀系数；1汗维的纵热膨胀系数广体积变化率，纤维的热膨胀系数；基体和纤维的热膨胀系数之差，1.基体和纤维的弹性模量，1.，基体和纤维体积分数；形成残余应力的初始温度和*终温度之差；单丝拔出过程中的*大拉力；1纤维在拔出过程中的位移摩擦系数纤维的包埋长度纤维的直径。决定纤维强度的常数，纤维强度时=人9蒋秋。复合材料学报。1996 23赵玉庭，姚希曾。复合材料基体及界面科学。上海华东化工学院出版社。1991 25蒋秋，陆蓬开，顾志建。复合材料力学。西安交通大学出版社。