直接拉伸实验测定纤维增强复合材料界面粘结强度的检测报告

直接拉伸实验是测定纤维增强复合材料界面粘结强度的经典力学方法，通过模拟纤维与基体的实际受力状态，量化界面传递应力的能力。本检测报告围绕试样制备、设备参数、操作流程、结果计算及有效性判定展开，系统呈现实验过程与数据，为复合材料界面性能评价及工程应用提供科学支撑。

检测报告的基本信息

本报告委托单位为XX复合材料科技有限公司，检测样品为T700碳纤维增强E-51环氧树脂基的“纤维-基体”二元试样，共10组平行样。检测依据GB/T 3362-2017《碳纤维增强塑料拉伸性能试验方法》与JC/T 2547-2020《纤维增强复合材料界面粘结强度试验方法 直接拉伸法》，实验环境温度23±2℃、相对湿度50±5%。

碳纤维单丝直径7μm，环氧树脂与固化剂（二乙烯三胺）质量比10:1。试样编号S1-S10，纤维埋入长度、基体尺寸通过游标卡尺（精度0.02mm）与光学显微镜（500倍）测量，确保每组试样参数一致，变异系数≤2%。

试样制备的关键要求与流程

试样制备需严格控制纤维清洁度与埋入精度。首先将碳纤维单丝用丙酮超声清洗10分钟，去除表面油污，60℃烘箱干燥2小时增强润湿性。

采用聚四氟乙烯模具（10mm×10mm×50mm）浇注基体：环氧树脂与固化剂混合后真空脱泡30分钟，倒入模具待半固化时，沿轴向埋入碳纤维，控制埋入长度10mm（两端各露出20mm用于夹持）。

试样室温养护24小时后，80℃烘箱后固化4小时确保基体完全固化。最后打磨两端纤维露出部分，去除毛刺保证夹持面平整。

每组试样的纤维直径（d）、埋入长度（L）重复测量3次取平均，如S1试样d=7.1μm、L=9.8mm，满足一致性要求。

实验设备与参数设定

实验用Instron 5967电子万能试验机（最大荷载10kN，荷载精度±0.5%FS），定制铝合金楔形夹具匹配基体尺寸（10mm×10mm），避免夹持时基体受压破坏。

位移控制速率1mm/min（符合标准准静态加载要求），用引伸计（量程±5mm，精度±0.001mm）测量轴向位移，同步记录荷载-位移曲线。

实验前校准设备：用标准砝码（100N、500N、1000N）验证荷载准确性；用标准钢杆（φ10mm×50mm）校准夹具同轴度，确保位移差≤0.1mm。

实验操作的详细步骤

第一步试样安装：将基体放入夹具，调整位置使纤维轴线与加载轴线重合，用扭矩扳手（5N·m）拧紧螺栓，避免过度用力。

第二步预加载：施加5%预估破坏荷载（约5N）保持10秒，消除试样与夹具间隙，检查引伸计安装平行度。

第三步正式加载：启动试验机按1mm/min速率拉伸，实时记录荷载（P）与位移（δ），用高速摄像机（200fps）观察破坏过程。

第四步实验终止：荷载峰值后突然下降（界面脱粘）或位移超引伸计量程（10mm）时停止，记录破坏荷载Pmax与形式，如S3试样Pmax=42.3N，破坏为纤维完整拔出（有效）。

第五步试样拆解：取出破坏试样，用显微镜观察纤维表面基体残留情况（残留越多粘结越强），如S5试样纤维残留30%基体，S7试样几乎无残留。

界面粘结强度的计算方法

界面粘结强度以界面剪切强度（τ）表示，公式τ=Pmax/(π·d·L)（Pmax为破坏荷载，d为纤维直径，L为埋入长度），基于“剪切应力均匀分布”假设，适用于L<15mm的试样。

以S1试样为例：Pmax=40.1N，d=7.1×10^-6m，L=9.8×10^-3m，计算得τ≈40.1/(π×7.1×10^-6×9.8×10^-3)≈185.6MPa。

若破坏形式为纤维断裂（如S9试样Pmax=55.2N但纤维在埋入段断裂），结果无效，因破坏由纤维强度决定而非界面粘结。

有效试样（8组）统计得τavg=178.3MPa，变异系数CV=6.2%（≤10%符合标准），结果可靠。

实验结果的有效性判定标准

有效性需满足两点：一是破坏形式为“界面脱粘”（纤维拔出且表面无埋入段断裂）；若基体开裂（如S2试样夹具端基体开裂）或纤维埋入段断裂（如S8试样），结果无效。

二是数据离散性：有效试样τ值CV≤10%，本实验CV=6.2%满足要求。

定性分析纤维表面基体残留：残留越多粘结越强，如S4试样残留50%基体，τ=192.1MPa（有效试样最大值），与定量结果一致。

影响实验结果的关键因素分析

1. 埋入长度：L>15mm会导致基体先破坏（基体抗拉强度低于界面剪切强度），L<5mm则荷载过小误差大，本实验选10mm平衡影响。

2. 纤维表面处理：未清洗纤维（对比样）τavg=120.5MPa，远低于清洗后的178.3MPa，表面清洁度直接影响润湿性与粘结力。

3. 实验速率：5mm/min速率下τavg=195.2MPa（比1mm/min高9.5%），过快速率产生动态效应导致结果偏高。

4. 夹具同轴度：同轴度误差>0.1mm会产生附加弯矩，导致基体开裂或纤维断裂，本实验校准后误差≤0.1mm，避免了该问题。

实验过程的注意事项

1. 试样制备时纤维需保持直线，用细玻璃棒引导避免弯曲，否则拉伸时纤维承受弯曲应力，破坏形式异常。

2. 实验前检查试样表面：若基体有气泡（如S6试样φ1mm气泡）、裂纹或纤维损伤，需剔除避免影响结果。

3. 加载时实时观察：发现基体开裂或纤维断裂立即停机，避免设备过载或试样飞散，高速摄像机记录破坏过程便于分析。

4. 数据记录完整：包括试样编号、Pmax、破坏形式、d、L、日期及操作人员，实验后存入数据库便于后续查询对比。