基于扫描探针显微技术的纤维表面及复合材料界面表征技术研究

本课题采用扫描探针显微技术（SPM）进行高性能纤维表面性能及纤维增强复合材料界面性能表征技术的研究。将利用SPM技术深入研究纤维材料的表面性能及其与基体树脂间的界面行为，探索SPM测试结果与表面界面性能参数的相关性，对SPM的试样制备方法、测试原理、测试模式、测试参数、图像处理技术、数据分析技术等进行系统研究，优选并确立适合高性能纤维表面及复合材料界面性能测试具体要求的SPM测试新技术，结合现有常规测试表征手段，开发实用化的表面界面性能表征新方法。在此基础上，对改性处理后材料表面界面微观性能的变化进行深入研究，对不同体系纤维增强复合材料的界面作用机理、纳米尺度下复合材料界面性能变化规律进行研究，提出复合材料界面特性及界面作用机理模型，用以指导复合材料的界面设计以及最佳界面改性方法与工艺参数的确立，为提高先纤维增强聚合物基复合材料的性能奠定基础。

界面是复合材料的重要组成部分，对于充分发挥复合材料的优异性能起着十分重要的作用，纤维复合材料表面界面表征技术是复合材料研究领域十分重要的内容。本课题采用扫描探针显微技术（SPM）进行高性能纤维表面性能及纤维增强复合材料界面性能表征技术的研究，对不同纤维增强复合材料的表面性能变化、界面作用机理、纳米尺度下复合材料界面性能变化规律进行了研究。.通过对SPM试样制备方法、测试原理、测试模式、测试参数、图像处理技术、数据分析技术等进行研究，建立了适于高性能纤维表面及复合材料界面性能测试的SPM测试新技术。采用非接触模式检测获得纤维表面形貌图，利用SPM图像分析软件得到纤维表面平均粗糙度等形态参数，为纤维表面改性效果评价提供了依据。首次采用扫描探针声学模式、导电力模式、力调制模式进行纤维增强复合材料SPM扫描，借助SPM图像处理对复合材料界面相性能进行表征。采用多模式SPM在表面形貌成像的基础上获得了复合材料硬度、导电性、声学特性等重要信息，更直观反映出复合材料中增强相、基体相及界面相的分布规律，对界面层厚度、界面过渡状态、界面完整度、界面分布、界面缺陷等进行了定量测试与分析。.对碳纤维、玻璃纤维进行了不同方法改性处理，并采用SPM方法定量证明：碳纤维经表面氧化处理后表面粗糙度、沟槽数量、沟槽宽度与深度均显著增加，纤维与树脂间出现性能介于二者之间的界面相，界面性能得到优化，材料在打磨抛光过程中的界面损伤减小；经表面偶联剂处理后，玻璃纤维增强树脂基复合材料界面层平均厚度在180~200纳米之间，而纤维表面粗糙度未发生显著变化。在此基础上，将SPM测试与其他测试方法相结合，对纤维表面改性前后复合材料界面变化规律及改性机理进行了分析与研究。.通过本项目研究，为纤维表面处理、复合材料界面设计、优化与改性研究提供了新的表征方法与手段，为深入进行界面研究、提高复合材料性能奠定了基础。