Designed Interphase Regions in Carbon Fiber Reinforced Vinyl Ester Matrix Composites

Abstract

Fiber-reinforced polymer matrix composites are finding increased use in structural applications where long-term mechanical and environmental durability are kcy issucs. This has prompted impetus for fundamental studies to determine relationships between the structure of fiber/matrix "interphase" regions and composite durability in both our laboratories and those of others. This study describes initial interphase and composite properties for a series of carbon-fiber-reinforced vinyl ester matrix composites wherein the fiber sizing chemical structure has been varied within a series of ductile poly(hydroxyether)s. The mechanical properties of the sizings were similar. The primary difference between the systems studied was the amount of sizing-matrix interdiffusion and, hence, the microstructure of the interphase regions. A number of techniques were used to evaluate both the "macro and micro'' properties of the composites as a function of intcrphase structure. These include atomic force microscopy and nano-indentation to map sizing/ matrix interdiffusion compositional gradients and the resulting mechanical properties across bi-layer films comprised of the fiber "sizings" and vinyl ester matrices. Microdebond tests were carried out by the Korean group to probe adhesion between the "sized" fibers and matrices. Fatigue cycling proved to be particularly useful in highlighting the influcncc of the tailored interphases on the durability ol' thc carbon fibcr/vinyl ester composites.Composite fatigue properties of AS-4/vinyl ester composites having a tough, ductile polyhydroxyether thermoplastic in the "interphase" region were improved dramatically Georgia, USA, February 22-25, 1998. 395 Downloaded by [University of Otago] at 06:24 29 July 2015 396 M. A. F. ROBERTSON et al.(relative to using unsized fibers) with < 1 wt.Yo of the sizing in the composite. The thermoplastic sizing dissolved in the thermoset at the cure temperature, but microphase scparatcd into -90 nm diameter inclusions during matrix curing. A gradient in chemical composition and morphology resulted, which moved outward from the fiber into the thermoset matrix. It is hypothcsizcd that the unusually good Fatigue resistance of composites from thcse materials can be at least partially attributed to this interphase gradient.

The effect of plasma treatment on the mechanical behavior of UHMWPE fiber–reinforced thermoplastic HDPE composite

“…The epoxy sizing on the fiber surface could counteract the cure volume shrinkage of resin and relax the residual stress by swelling in the matrix. Broyles et al improve the fatigue resistance of composites. However, negligible differences in the shear strength, flexural strength, and static compressive strength were observed for the different interphase agents.…”

Μελέτη της επίδρασης της κόπωσης στη διεπιφάνεια ίνας/μήτρας σύνθετων υλικών οργανικής μήτρας και της επίδρασης του φαινομένου στους μηχανισμούς μεταφοράς φορτίων σε μικροσκοπικό επίπεδο, με τη μέθοδο laser Raman spectroscopy

“…poly(hydroxyether)), ένας τροποποιηµένος µε καρβοξύλιο πολυ-ύδροξυ αιθέρας (carboxy-modified poly(hydroxyether)) που είναι λιγότερο διαλυτός στο µητρικό υλικό από τον πρώτο και έναν πολυύδροξυ αιθέρα-αιθανολαµίνη (poly(hydroxyether ethanolamine)) που δε διαχέεται καθόλου στο µητρικό υλικό και δηµιουργεί τη διεπιφάνεια µε τη µικρότερη διατµητική αντοχή ακόµη και από αυτή των ινών χωρίς καµιά επικάλυψη[Robertson, 1999]. Τα δοκίµια που ετοιµάστηκαν ήταν διασταυρούµενων στρώσεων µε εγκοπές ενώ από αυτά µελετήθηκαν σε κόπωση πλήρους αναστροφής (R = -1) ήταν µόνο αυτά που είχαν ίνες µε τους δύο τελευταίους τύπους επικάλυψης και αυτά χωρίς καµιά επικάλυψη.…”

“…Όµως στα χαµηλότερα επίπεδα εξωτερικά εφαρµοζόµενης τάσης, η ασθενής διεπιφάνεια βοήθησε στη δηµιουργία και ανάπτυξη ρωγµών στην περιοχή των εγκοπών µε αποτέλεσµα να ανακουφιστεί η συγκέντρωση τάσεων και έτσι τα επίπεδα των εσωτερικά αναπτυσσόµενων τάσεων στις περιοχές των εγκοπών να µην είναι ικανά να επιταχύνουν την ανάπτυξη της αστοχίας σε θλίψη. Αντίθετα, η επικάλυψη των ινών µε µια πολύ µικρή ποσότητα τροποποιηµένου µε καρβοξύλιο πολυ-ύδροξυ αιθέρας (carboxy-modified poly(hydroxyether)) επέφερε βελτίωση κατά 50 % περίπου του ορίου διαρκούς αντοχής σε σχέση µε αυτό των συνθέτων µε ίνες χωρίς επικάλυψη[Robertson, 1999].1.4.2.2 Σύνθετα υλικά µε ενίσχυση ινών γυαλιού Ο Κeush και οι συνεργάτες του[1998] µελέτησαν την επίδραση έξι διαφορετικών επικαλύψεων στις µηχανικές ιδιότητες συνθέτων υλικών µε ενίσχυση ινών γυαλιού σε µια διεύθυνση. Για δύο από αυτές τις επικαλύψεις, µια που δηµιουργούσε καλό διεπιφανειακό δεσµό (τύπος Ι) και µια άλλη µε µειωµένης ικανότητας διεπιφανειακό δεσµό (τύπος ΙΙ), µελετήθηκαν οι επιδράσεις τους και στη συµπεριφορά σε κόπωση σε συνθήκες εφελκυσµού (R = 0.1) σε σύνθετα διασταυρούµενων στρώσεων ([0/90] s…”