一种树脂纤维复合材料界面剪切强度测试的制样方法和测试方法与流程

专利检索2022-05-10  3



1.本发明属于复合材料性能测试技术领域,具体涉及一种树脂纤维复合材料 界面剪切强度测试的制样方法和测试方法。


背景技术:

2.在5g通讯高速发展的今天,电子设备在提高功能和性能的同时也向小型 化、轻量化迅速发展,使得pcb的线路也越来越细,间距越来越小,绝缘层越 来越薄,钻孔尺寸也向更小更密的方向发展,在这种情况下,覆铜板材料对导 电阳极丝(conductive anodic filament,caf)产生的敏感性已成为高频高速覆 铜材料研发及认证所关注的关键性能之一。caf是在pcb的阴阳两极之间, 通过电化学反应形成导电丝,引发的局部电路短路,pcb失效。关于caf主 要发生需要经过两步:一是玻纤/树脂界面的脱粘,或其它因素形成反应路径; 二是在阴阳两极之间通过电化学反应,cu离子进行定向沉积形成导电丝引发失 效。影响caf产生的因素很多,包括基材本身对caf的敏感性,pcb的设计 和工艺等等。由于目前设备向着高密度化、小型化、轻量化的方向发展,技术 向着高频、高速的方向发展,使得优化基材耐caf性能成为现在主要优化方向。 关于基材发生caf的敏感性可以通过原料的选择,配方的设计,半固化片和覆 铜板的加工工艺优化等几个方面予以改进。这就要求在基材研发前期就进行大 量的caf测试。同时caf测试所需要的原材料较多,测试时间较长,并且一 定程度上反应不出玻纤/树脂之间界面强度细微的差别。。
3.对于复合材料界面结合强度的表征检测,相关研究主要集中在微观和宏观 两个方面:1)微观指的是将纤维丝束中的一根单丝作为研究对象,采用单丝拔 出法、微脱黏法、单丝压出法和纤维断裂法等测定复合材料的界面剪切强度(ifss);2)宏观测试是参考astm

d2234标准,以束丝或片状有序增强纤 维作为对象,通过基体复合材料制备成复合板材,然后测试其层间剪切强度 (ilss)。
4.对于宏观表征界面强度的测试方法,由于是采用宏观的力学测试,因此不 能保证层压材料所表征的是层与层之间的界面剪切强度。据现有文献发现,在 进行该测试方法测试层压板时,存在层间的界面剪切和层内的塑性变形两种力 的作用形式,因此该方法测出的ilss不能定量的表征层间剪切强度。对于微观 表征界面强度的测试方法,由于粘度较小的树脂易于制备样品,因此其仅适用 于粘度较小的树脂,而对于固化成型前粘度很大的树脂(例如,改性聚苯醚ppo 树脂),且在树脂胶液需要交联剂和溶剂等进行混合,为使得固化后得的较好 的性能,因此在固化前需要进行溶剂去除。因此由高粘度、溶剂去除导致无法 有效的使用单根玻纤和树脂组成复合材料研究对象,进行分析树脂和界面的结 合强度。


技术实现要素:

5.因此,本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中宏观表征方法不能准 确量化界面剪切强度,微观表征方法不适用于固化成型前粘度较大的树脂,溶 剂需要去除、无
法有效制样等缺陷,从而提供一种树脂纤维复合材料界面剪切 强度测试的制样方法和测试方法,尤其适用于固化成型前粘度较大的树脂纤维 复合材料。
6.为此,本发明提供如下技术方案:
7.本发明一种树脂纤维复合材料界面剪切强度测试的制样方法,包括如下步 骤:
8.原料准备:获取单根纤维或单束纤维;
9.配制树脂胶液:将树脂和溶剂混合,得树脂胶液;
10.树脂脱溶剂:将树脂胶液在第一温度下抽真空处理,至不再有气泡产生, 其中,所述第一温度的范围为所述溶剂沸点的
±
20℃;
11.树脂研磨:将所得固体树脂材料研磨,得树脂颗粒;
12.固化成型:将所述单根纤维或单束纤维置于模具中间,将树脂颗粒加入固 化模具中,加热至融化,经固化,脱模,打磨,抛光,得到待测样品。
13.可选的,所述树脂脱溶剂步骤还包括,将树脂材料平铺、翻面,在第一温 度下抽真空处理,然后将树脂胶液置于常温常压环境中,至不再有气泡产生;
14.若为混合溶剂,则上述的沸点为最高沸点温度。
15.可选的,所述固化步骤的具体操作为:在第二温度下,以5

10mbar/min 的速度降低真空度1

4次,去除树脂中残留的溶剂,去除后升温进行固化;
16.其中,所述第二温度的范围为所述溶剂沸点的
±
20℃。
17.具体的固化操作为本领域的常规操作,固化时间是根据具体的树脂基体决 定,与树脂的种类有关,种类不同,固化温度不同。
18.可选的,每次抽真空处理时间为1

3h;
19.所述冷冻处理步骤的目的是为了保证去除溶剂后的树脂胶液变硬,具体操 作条件可根据树脂种类进行选择,例如,所述冷冻的温度可以为

10℃~10℃, 时间可以为1

4h。
20.可选的,所述树脂脱溶剂步骤中的加热温度为所述第二温度高于所述第一 温度。
21.可选的,所述纤维为玻璃纤维、碳纤维或石英纤维;
22.可选的,所述树脂胶液中的树脂为热固性树脂或改性热固性树脂;所述树 脂胶液的组成不是需要关注的重点,为实验参数的自变量。因此,一般常规的 树脂胶液组成即可,例如,当所述树脂为热固性树脂时,所述树脂与溶剂的质 量比为(1

10):1;当所述树脂为改性热固性树脂时,所述树脂胶液包括质量 比为(500

600):(400

500):(400

500):(5

8)的树脂、交联剂、溶剂 和引发剂。
23.例如,所述改性热固性树脂可以为,固化成型前,去除溶剂后高粘度的热 固性树脂,本发明中选用的树脂为去除溶剂后粘度≥320pa
·
s的热固性树脂,具 体的,所述树脂可以为甲基丙烯酸甲酯封端改性的聚苯醚树脂sa9000,双羟基 封端的聚苯醚sa90等。
24.所述溶剂为酮类溶剂,醇类溶剂或苯类溶剂中的至少一种;
25.具体的,所述溶剂可以为同一类型溶剂的混合物,也可以为不同种类溶剂 的混合物。若为混合溶剂,则以溶剂的最高沸点确定第一温度和第二温度的范 围。
26.可选的,所述树脂研磨后的颗粒的粒径在60目以下。
27.可选的,所述打磨步骤采用180目至2400目的砂纸依次打磨,再进行抛光。
28.本发明还提供一种树脂纤维复合材料界面剪切强度的测试方法,包括以下 步骤:
29.样品制备:按照上述的制样方法制备待测样品;
30.样品测试:将待测样品进行拉伸测试,统计纤维断裂节数和观察区域纤维 长度;
31.数据处理:根据下述公式计算树脂纤维复合材料界面剪切强度,
32.τ=(σ
fu
/d)/(2l
c
),
33.其中,σ
fu
为单纤的极限拉伸强度,d为纤维的直径,l
c
为纤维的断裂长度;
34.为观察区域的长度/断裂节数。
35.本发明技术方案,具有如下优点:
36.本发明提供的树脂纤维复合材料界面剪切强度测试的制样方法,包括如下 步骤:原料准备:获取单根纤维或单束纤维;配制树脂胶液,将树脂和溶剂混 合,得树脂胶液;树脂脱溶剂:将树脂胶液在溶剂沸点的
±
20℃温度范围内抽 真空处理,至不再有气泡产生,冷却,得到固体树脂材料;树脂研磨:将所得 固体树脂材料研磨,得树脂颗粒;固化成型:将所述单根纤维或单束纤维置于 模具中间,将树脂颗粒加入固化模具中,加热至融化,经固化,脱模,打磨, 抛光,得到待测样品。该方法能够在一定的大气压(真空)/温度条件下,对已 混好料的树脂胶液进行溶剂的初步去除,然后,固化过程能够实现树脂胶液中 的溶剂的进一步去除,从而有效避免溶剂对测试的影响,能够制备得到合格的 微观表征样品并有效的评估其界面性能。
37.本发明提供的树脂纤维复合材料界面剪切强度测试的制样方法,通过对固 化步骤的进一步限定,能够使树脂胶液中溶剂彻底去除,充分固化,避免溶剂 或者固化不完全对测试结果的影响。
38.本发明提供的树脂纤维复合材料界面剪切强度的测试方法,采用本发明提 供的制样方法制备待测样品;将待测样品进行拉伸测试,统计纤维断裂节数和 观察区域纤维长度;进行数据处理,得到树脂纤维复合材料界面剪切强度。该 方法测试方法能直接的反应树脂和纤维的界面剪切强度;同时,该方法原料用 量小、耗时短、可大量重复制作,各类数据之间可进行对比分析,提升材料开 发效率。相比后端产品级的caf标准实验,该方法适用于实验室初步方案阶段, 原材料较少,深入对玻纤/树脂界面强度进行研究,提升了测试效率和测试准确 性,并得到更多有效数据。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将 对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见 地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来 讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1是本发明实施例1中单根纤维分离示意图;
41.图2是本发明实施例1中固化模具设计示意图;
42.图3是本发明实施例1中固化模具尺寸设计示意图;
43.图4是图2的a

a截面结构示意图;
44.图5是本发明实施例1中样品固化后结构示意图;
45.图6是本发明实施例1中测试后样品的结构示意图;
46.图7是本发明实施例1中ifss测试数据误差折线图;
47.附图标记:
48.图中,102

玻璃板;104

光源;106

玻璃纤维束;108

木夹;110

单根玻璃 纤维;200

模具基体;202

开孔;204

开槽;402、试样基体部分;404

包埋在 试样内部的单根玻璃纤维;506

已经断裂单根玻璃纤维。
具体实施方式
49.提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明,并不局限于所述最佳实 施方式,不对本发明的内容和保护范围构成限制,任何人在本发明的启示下或 是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近 似的产品,均落在本发明的保护范围之内。
50.实施例中未注明具体实验步骤或条件者,按照本领域内的文献所描述的常 规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为 可以通过市购获得的常规试剂产品。
51.本发明提供树脂纤维复合材料界面剪切强度的测试方法,其大致流程为:
52.模具设计:
53.该模具设计满足树脂基体在相应的形状中进行固化,同时在固化的过程中 有利于排除溶剂且保证单根纤维固定在树脂基体中的间部分。
54.原料准备:
55.分离单根玻璃纤维:使用两个光源,在光滑玻璃板上分离单根纤维;
56.树脂基体溶剂去除:在一定的大气压/温度条件下,对已混好料的树脂基体 进行溶剂的初步去除。
57.固化过程的调节:
58.在固化过程中需要调节固化程度,同时也需要将树脂基体中的溶剂全部去 除。
59.测试及表征
60.在测试样品前,需要对样品进行表面磨平处理,不能存在较大的气孔/裂纹 等缺陷;在测试样品测试后,需要对样品进行抛光处理,显微镜观察试样中单 纤的断裂节数。
61.具体的,结合附图及具体实施方式,对本发明做进一步描述,该测试方法 包括:1)分离单根玻璃纤维丝:2)设计实验测试模具;3)树脂基体去除溶剂 和控制固化程度;4)观察断裂的单根纤维,
62.具体实验步骤如下:
63.第一步:分离单根纤维:在有单独光源照射的条件下,分离出单根或单束 纤维,参考图1。
64.第二步:模具设计:见图2,200为模具基体,可以选择ptfe等耐高温且 易脱模的基体材料,参考astm d638

03/astm d3039/d3039m标准拉伸样条 设计开槽204的尺寸,在样品两端对称设计开孔202,该开孔宽度不高于样条 宽度,具体尺寸可参见图3

图4,开孔用于固定单根纤维110,开孔202深度刚 好为开槽204深度的1/2,保证单根纤维固定后刚好处于试样中间位置。
65.第三步:标准试样制备:将聚苯醚树脂体系材料倒在铺有保鲜膜的盘中, 放置真
空烘箱中,在溶剂沸点的
±
20℃温度范围内进行抽真空后拿出烘箱冷却, 待盘中的树脂材料不产生新的气泡,则代表溶剂初步去除。然后放入防爆冰箱 中,冰箱中的温度为

10℃~10℃,冷却1小时以上,等待树脂材料变得硬脆, 方便研磨,取出树脂放入研钵中研磨至细小颗粒,颗粒可通过60目的筛子即可。 将已经分离好的单根玻璃纤维放入如图2所示的位置,将研磨后的树脂平铺固 化模具薄薄一层,将带有树脂的固化模具放入真空烘箱中,10分钟后观察树脂 是否融化,若融化流平,则取出固化模具,在树脂胶液的溶剂沸点的
±
20℃温 度范围内,以5

10mbar/min的速率降低真空度2

4次,去除树脂中残留的溶剂, 去除后以5

15℃/min的升温速率上升到树脂固化温度进行固化,该过程实现对 残留溶剂的去除和玻纤埋入后树脂固化程度的控制。完成固化后的试样如图5 所示,402为固化后的试样基体部分,404为包埋在试样内部的单根玻璃纤维; 将试样脱模后,经400目到1200目以此递增的砂纸打磨,达到标准样条的尺寸 规格。
66.第四步:测试及分析:采用万能拉伸机进行拉伸测试,拉伸断裂后,将内 部玻纤断裂试样抛光处理,得到图6,其中402是试样基体部分,506为已经断 裂单根玻璃纤维;对断开的玻璃纤维进行统计处理,采用以下公式计算(kellya,tyson w r.tensile properties of fibre

reinforced metals:copper/tungsten andcopper/molybdenum[j].journal of the mechanics and physics of solids,1965,13(6): 329

350.),计算玻璃纤维和树脂基体微观的界面剪切强度。
[0067]
τ=(σ
fu
/d)/(2l
c
),
[0068]
其中,σ
fu
为单纤的极限拉伸强度,d为纤维的直径,l
c
为纤维的断裂长度;
[0069]
为观察区域的长度/断裂节数。
[0070]
实施例1
[0071]
本实施例提供一种适用于聚苯醚树脂基体玻璃纤维复合材料的微观界面剪 切强度表征方法,具体步骤如下:
[0072]
第一步:分离单根纤维,如图1所示,102是一块干净整洁的玻璃板,在 其对角的方向放置两个光源104,目的是提供不同方向的光源照射玻璃纤维束 106,110为分离后的单根玻璃纤维(市售聚苯醚适用的玻纤布2116),使用耐 高温的木夹108夹在单根纤维的两端。
[0073]
第二步:测试样品尺寸确定及模具设计,见图2

4,200为模具基体,可以 本实施例中选择ptfe耐高温且易脱模的基体材料,参考astm d638

03/astmd3039/d3039m标准拉伸样条设计开槽204的尺寸,具体可参见图3,其中, 尺寸单位为mm,在样品两端对称设计开孔202,该开孔宽度不高于样条宽度, 用于固定单根玻璃纤维110,开孔202深度刚好为样品开槽204深度的1/2,本 实施例中,开孔202的深度为1mm,开槽204的深度为2mm,保证单根玻璃 纤维固定后刚好处于试样中间位置,具体模具参考图2

4。
[0074]
第三步:树脂胶液的混合。将改性ppo树脂(商购,型号sa9000)、交 联剂taic和丙酮溶剂按30:20:25的质量比例加入均质机的杯中,使用自传 750rpm公转1500rpm均质1h,为防止丙酮挥发,每搅拌15min拿出均质杯 通风橱中冷却5min。待1h搅拌冷却后,加入质量占比0.5%的引发剂bipb 96wt%,搅拌30min,搅拌中需要遵循每15min冷却5min。
[0075]
第三步:标准试样制备,将混好后带有机溶剂的聚苯醚树脂体系倒在铺有 保鲜膜的盘中,放置真空烘箱中,在70℃温度下抽真空,当盘中的树脂不会再 次产生气泡,回复室
压,将树脂拿出烘箱冷却;待冷却后,此时的树脂已可以 进行翻面,将树脂朝向盘的那一面翻面,继续放入烘箱70℃抽真空1小时,待 平铺的树脂不在产出气泡后,结束溶剂去除步骤。将处理后的树脂冷却到室温 后,放入防爆冰箱中,在3℃冷冻3小时,取出所用量树脂放入研钵中研磨至 细小颗粒,将已经分离好的单根玻璃纤维放入如图2所示的位置,将树脂颗粒 平铺固化模具薄薄一层,将带有树脂的固化模具放入真空烘箱中融化树脂,10 分钟后取出固化模具。在75℃,8mbar/min的降低真空度2次,去除树脂中 残留的溶剂,去除后以10℃/min的升温速率上升到210℃进行固化2.5h,该过 程实现对残留溶剂的去除和玻纤埋入后树脂的充分固化。
[0076]
第四步:观察断裂的单根纤维,完成固化后的试样如图4所示,402为固 化后的试样基体部分,404为包埋在试样内部的单根玻璃纤维;将试样脱模后, 经400目到1200目以此递增的砂纸打磨确定相同厚度2mm。在万能拉伸机上 拉伸测试,试样在拉伸机下以0.005mm/min的加载速率测试试样拉伸性能,将 拉伸极限值相近的试样(本实施例中选取了5个样品)进行抛光处理得到图6, 其中402是试样的基体部分,506为已经断裂单根玻璃纤维;对断开的节数玻 璃纤维进行统计处理,需要注意的是,只需要统计试样中心直杆部分的纤维断 开节数。
[0077]
第五步:数据处理,根据下述公式计算树脂纤维复合材料界面剪 切强度,
[0078]
τ=(σ
fu
/d)/(2l
c
),
[0079]
其中,σ
fu
为单纤的极限拉伸强度,d为纤维的直径,l
c
为纤维的断裂长度;
[0080]
为观察区域的长度/断裂节数。计算玻璃纤维和树脂基体微观 的界面剪切强度。
[0081]
采用未经处理的“白布”(未经任何处理的玻璃纤维布2116),为环氧树脂 研发的玻璃纤维布(市售环氧树脂适用玻璃纤维布2116),重复上述实验过程。
[0082]
结果做出误差折线图,大致如图7所示,左y轴代表纤维/树脂模型的平均 剪切强度,右y轴代表纤维在树脂有效部分断裂的节数。从图中可以看出,未 经任何处理的“白布”,在单纤断裂实验中,表现出最差的界面剪切强度;为环 氧树脂研发的玻璃纤维布,由于玻纤布上附着了有机物,因此在实验中表现出 较好的界面剪切强度;专为聚苯醚研发的玻纤布拥有最高的界面剪切强度,且 该测试时数据点的波动较小。
[0083]
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的 限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其 它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由 此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
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