材料表面与界面复合材料的界面及界面优化
复合材料的界面工程与性能优化
复合材料的界面工程与性能优化在现代材料科学领域，复合材料因其卓越的性能和广泛的应用前景而备受关注。
复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成，通过协同作用，实现了单一材料难以达到的性能。
然而，要充分发挥复合材料的优势，关键在于对其界面的有效控制和优化，即界面工程。
复合材料的界面是指不同组分之间的接触区域，这个区域虽然很窄，但对复合材料的性能却有着至关重要的影响。
界面就像是不同材料之间的桥梁，负责传递载荷、交换信息，如果这座“桥梁”不够坚固、不够顺畅，那么复合材料的整体性能就会大打折扣。
从力学性能的角度来看，一个良好的界面能够有效地将载荷从基体传递到增强相，从而提高复合材料的强度和刚度。
想象一下，基体就像是一个大力士的身体，而增强相则是他的肌肉纤维。
如果身体和肌肉纤维之间的连接不够紧密，那么当大力士发力时，力量就无法充分传递，也就无法发挥出最大的力量。
反之，如果界面结合良好，载荷就能顺利传递，复合材料就能承受更大的外力而不发生破坏。
在热性能方面，界面的特性也起着关键作用。
不同材料的热膨胀系数往往不同，如果界面不能有效地协调这种差异，在温度变化时就容易产生内应力，导致复合材料的性能下降甚至失效。
例如，在航空航天领域，复合材料常常要经历极端的温度变化，一个稳定的界面能够确保材料在冷热交替的环境中依然保持良好的性能。
除了力学和热性能，界面还对复合材料的电学、光学等性能产生影响。
比如在电子封装材料中，界面的电学特性直接关系到信号的传输速度和稳定性；在光学材料中，界面的平整度和折射率匹配程度决定了光线的透过率和反射率。
那么，如何进行复合材料的界面工程来优化其性能呢？这涉及到多个方面的策略和技术。
首先是对界面的物理和化学改性。
通过物理方法，如表面打磨、等离子体处理等，可以增加界面的粗糙度和活性，从而提高界面的结合强度。
化学改性则包括对基体和增强相表面进行化学处理，引入官能团，以增强它们之间的化学键合。
复合材料的界面
复合材料的界面复合材料是由两种或两种以上不同的材料组成的材料，通过各自的特性相互作用形成的一种新型材料。
界面是不同材料之间的接触面，是复合材料性能的决定因素之一。
下面将从界面的作用、界面的特性和界面的调控三个方面对复合材料的界面进行详细介绍。
界面在复合材料中起着连接、传递和分散应力的作用。
首先，界面连接了不同材料一起，使其形成整体性能优于单个材料的复合材料。
其次，界面能够传递应力，使复合材料整体受力均匀、分散应力集中，提高材料的强度和韧性。
最后，界面还能够分散应力，减少裂纹扩展和断裂的可能性，延长复合材料的使用寿命。
界面的特性主要包括接触角度、界面能、亲水性或疏水性等。
首先，接触角度反映了界面的亲水性或疏水性，即其与液体接触时的表面张力。
亲水性的界面会使液体在复合材料中能够更好地湿润、浸润，提高复合材料的粘合度和界面传递性。
其次，界面能是指界面上分子之间相互作用的能量。
界面能越小，表示复合材料中不同材料之间的相容性越好，界面强度越高。
最后，亲水性界面和疏水性界面对复合材料的性能也会产生不同的影响。
如亲水性界面可增加复合材料的应力强度、韧性和热稳定性，而疏水性界面可减少复合材料的吸湿性和电导性。
界面的调控主要通过界面改性和表面处理两个途径实现。
首先，通过界面改性可以改变界面的性质，提高其性能，例如通过添加界面活性剂进行处理，使界面能更好地吸附和传递应力；通过聚合物接枝物改性，增加界面粘合力等。
其次，通过表面处理可以对界面进行改善，例如通过物理或化学方法处理材料表面，使其表面特性更加适合复合材料的应用。
常用的表面处理方法有溶剂清洗、电子束辐照、化学氧化等。
综上所述，界面是影响复合材料性能的重要因素，通过界面的调控可以改善复合材料的性能。
理解和研究界面的特性和调控方法对于开发出更加优异的复合材料具有重要意义。
第十五章-复合材料的界面及界面优化设计
复合材料第三部分 复合材料的增强材料第十五章 复合材料的界面及界面优化设计教学目的:通过本章的学习，掌握复合材料的界面及 作用，聚合物基复合材料的界面及改性方法，几种聚 合物基复合材料的形成和改善界面的途径，界面表征 的方式。
重点内容: 1、复合材料的界面及界面改性方法。
2、复合材料改善界面的途径。
难点:复合材料界面与性能的关系。
熟悉内容:复合材料界面的研究内容及方法。
12主要英文词汇：Composite material---复合材料 Composite interface---复合材料界面 Residual stress of composite interface---复合材料界面 残余应力 Reaction of composite interface---复合材料界面反应 Modification of composite interface---复合材料的界 面改性 Mechanics of composite interface---复合材料界面力学3Bonding strength of composite interface---复合材料界面 黏结强度 Optimum design of composite interface---复合材料界面 优化设计 Compatibility of composite interface---复合材料界面相 容性 Mechanics of composite---复合材料力学 Micromechanics of composite---复合材料细观力学4参考教材或资料：1、复合材料学----周祖福 （武汉理工大学出版社，2004年） 2、现代复合材料----陈华辉 邓海金 李 明 （中国物质出版社,1998） 3、复合材料概论----王荣国 武卫莉 （哈尔滨工业大学出版社,1999） 4、复合材料--------吴人洁（天津大学出版社,2000） 5、复合材料科学与工程---倪礼忠,陈麒(科学出版社,2002) 6、复合材料及其应用—尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社,2003） 7、高性能复合材料学---郝元恺,肖加余 (化学工业出版社,2004) 8、新材料概论--- 谭毅, 李敬锋(冶金工业出版社,2004) 9、先进复合材料----鲁 云 朱世杰 马鸣图 （机械工业已出版社,2004） 10、复合材料--------周曦亚（化学工业出版社,2005）515、复合材料的界面及界面优化设计21世纪对材料要求多样化，复合材料开发有很大发 展，复合材料整体性能的优劣与界面结构和性能关系密 切。
复合材料界面粘结强度的优化方法
复合材料界面粘结强度的优化方法在现代材料科学领域，复合材料凭借其优异的性能在众多领域得到了广泛应用。
然而，复合材料的性能很大程度上取决于其界面粘结强度。
界面粘结强度不足可能导致复合材料在使用过程中过早失效，从而影响其可靠性和使用寿命。
因此，优化复合材料的界面粘结强度具有重要的意义。
复合材料的界面是指增强体与基体之间的过渡区域，其性能对复合材料的整体性能起着关键作用。
良好的界面粘结能够有效地传递载荷，提高复合材料的力学性能、热性能和化学稳定性等。
那么，如何优化复合材料的界面粘结强度呢？首先，对原材料的选择和预处理是至关重要的。
增强体和基体材料的化学组成、物理性能以及表面特性都会影响界面粘结强度。
例如，在纤维增强复合材料中，选择具有高表面活性和化学相容性的纤维可以增强与基体的界面结合。
同时，对纤维进行表面处理，如氧化、等离子体处理或涂层处理等，可以增加其表面粗糙度和活性官能团，从而提高与基体的机械锁合和化学结合能力。
基体材料的选择也需要考虑其与增强体的相容性和化学反应性。
某些基体材料可能与特定的增强体形成更稳定的化学键，从而增强界面粘结。
此外，对基体进行改性处理，如添加偶联剂、增韧剂等，也可以改善界面性能。
其次，优化复合材料的制备工艺也是提高界面粘结强度的重要途径。
制备工艺参数，如温度、压力、时间等，都会对界面形成和粘结强度产生影响。
在复合材料的制备过程中，采用合适的成型方法非常关键。
例如，在热压成型中，控制好热压温度、压力和时间，可以促进增强体与基体之间的扩散和化学反应，从而提高界面粘结强度。
在注塑成型中，调整注塑速度、温度和压力等参数，可以改善基体在增强体周围的流动和浸润性能，减少界面缺陷。
另外，复合材料的固化过程也需要精确控制。
固化温度、固化时间和固化剂的用量等因素都会影响基体的交联程度和化学结构，进而影响界面粘结性能。
通过优化固化工艺，可以获得更均匀、更致密的界面结构，提高界面粘结强度。
再者，引入界面改性剂是一种常见且有效的方法。
复合材料的界面粘结强度与优化
复合材料的界面粘结强度与优化在当今的材料科学领域，复合材料因其卓越的性能而备受瞩目。
复合材料由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法组合而成，其性能往往优于单一材料。
然而，复合材料性能的优劣在很大程度上取决于其各组分之间的界面粘结强度。
界面粘结强度是指复合材料中不同相之间结合的牢固程度。
如果界面粘结强度不足，复合材料在受力时容易在界面处发生分离和破坏，从而严重影响其整体性能和使用寿命。
例如，在纤维增强复合材料中，纤维与基体之间的界面粘结强度不够，可能导致纤维无法有效地承担载荷，进而使复合材料的强度和刚度大打折扣。
那么，影响复合材料界面粘结强度的因素有哪些呢？首先，材料的表面性质是一个关键因素。
复合材料中各组分的表面能、粗糙度、化学组成等都会对界面粘结产生重要影响。
通常，表面能较高、粗糙度适中且化学活性较强的表面有利于提高界面粘结强度。
其次，界面的物理和化学相容性也至关重要。
如果不同组分在物理和化学性质上差异过大，它们之间的相互作用就会较弱，从而降低界面粘结强度。
此外，制备工艺条件如温度、压力、固化时间等也会显著影响界面粘结强度。
为了提高复合材料的界面粘结强度，科学家和工程师们采取了一系列优化措施。
表面处理是一种常见的方法。
通过对材料表面进行打磨、蚀刻、氧化等处理，可以增加表面粗糙度和活性位点，从而提高与其他组分的结合能力。
例如，对碳纤维表面进行氧化处理，可以引入含氧官能团，增强其与树脂基体的化学键合。
选择合适的偶联剂也是优化界面粘结的有效手段。
偶联剂能够在不同相之间形成桥梁，改善它们之间的相容性和相互作用。
以硅烷偶联剂为例，它一端能与无机材料表面的羟基反应，另一端能与有机基体发生化学键合，从而显著提高界面粘结强度。
优化制备工艺同样重要。
精确控制制备过程中的温度、压力、时间等参数，可以促进材料之间的充分接触和反应，提高界面粘结效果。
例如，在复合材料的成型过程中，适当提高温度和压力可以增加分子的扩散和相互渗透，增强界面粘结。
复合材料的界面性能与优化分析
复合材料的界面性能与优化分析在当今的材料科学领域，复合材料因其优异的性能而备受关注。
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学的方法组合在一起而形成的一种新型材料。
其性能不仅取决于各组成材料的性能，还在很大程度上取决于它们之间的界面性能。
复合材料的界面是指两种或多种材料相接触的区域。
这个区域虽然很薄，但对复合材料的整体性能有着至关重要的影响。
界面性能的优劣直接关系到复合材料在使用过程中的力学性能、物理性能、化学性能以及耐久性等。
首先，从力学性能方面来看，良好的界面结合能够有效地传递载荷。
当复合材料受到外力作用时，如果界面结合强度不足，就容易在界面处产生脱粘、开裂等现象，从而导致复合材料的强度和刚度下降。
相反，强界面结合可以使各组分材料协同工作，充分发挥各自的优势，提高复合材料的力学性能。
例如，在纤维增强复合材料中，纤维与基体之间的界面结合强度对复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度等都有着显著的影响。
其次，在物理性能方面，界面性能也起着关键作用。
复合材料的热传导、电传导、热膨胀等物理性能都与界面的结构和性质密切相关。
例如，在金属基复合材料中，如果界面处存在大量的缺陷和杂质，会严重阻碍热和电的传导，降低复合材料的导热和导电性能。
此外，界面的存在还会影响复合材料的热膨胀系数，如果界面结合不良，在温度变化时容易产生热应力，导致复合材料的变形和破坏。
化学性能方面，界面是复合材料与外界环境相互作用的前沿阵地。
界面的化学稳定性决定了复合材料的耐腐蚀性、抗氧化性等化学性能。
如果界面处容易发生化学反应，如氧化、腐蚀等，就会削弱复合材料的性能，缩短其使用寿命。
例如，在聚合物基复合材料中，界面的亲水性或疏水性会影响其对水分的吸收和扩散，进而影响复合材料的耐湿性和耐老化性能。
那么，如何优化复合材料的界面性能呢？这需要从多个方面入手。
一方面，可以通过对原材料的表面处理来改善界面性能。
例如，对于纤维增强复合材料，可以对纤维表面进行氧化、涂层等处理，增加纤维与基体之间的化学键合和物理结合，提高界面结合强度。
复合材料的界面相互作用分析
复合材料的界面相互作用分析在材料科学领域，复合材料凭借其独特的性能优势，已成为众多应用中的关键角色。
而复合材料性能的优劣，很大程度上取决于其内部不同组分之间的界面相互作用。
这种界面相互作用就像是一座桥梁，连接着复合材料中的各个部分，对材料的整体性能起着至关重要的作用。
要理解复合材料的界面相互作用，首先得明确什么是复合材料。
复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成的多相材料。
这些不同的组分在性能上相互补充，从而使复合材料具有单一材料难以达到的优异性能。
在复合材料中，界面是指两种不同材料之间的过渡区域。
这个区域虽然在尺寸上可能非常小，但却具有极其复杂的结构和性质。
界面的存在使得不同材料之间能够实现有效的载荷传递、应力分布和能量转换。
界面相互作用的类型多种多样，其中包括物理相互作用和化学相互作用。
物理相互作用主要包括范德华力、氢键和静电作用等。
范德华力虽然相对较弱，但在界面相互作用中也能发挥一定的作用。
氢键则在一些含有极性基团的复合材料中较为常见，它能够增强界面的结合强度。
静电作用则在某些带有电荷的材料组合中产生影响。
化学相互作用在复合材料的界面结合中往往起着更为关键的作用。
例如，在一些复合材料中，不同组分之间可能会发生化学反应，形成化学键，如共价键、离子键等。
这些化学键的形成极大地提高了界面的结合强度，使得复合材料在承受外力时能够更加稳定地传递载荷。
复合材料的界面相互作用对其性能的影响是多方面的。
在力学性能方面，良好的界面结合能够提高复合材料的强度、刚度和韧性。
当载荷施加到复合材料上时，界面能够有效地将应力从一个组分传递到另一个组分，避免局部应力集中，从而提高材料的整体承载能力。
如果界面结合不良，就容易在界面处产生裂纹和脱粘，导致材料过早失效。
在热性能方面，界面相互作用也起着重要的作用。
不同材料的热膨胀系数往往不同，当温度发生变化时，界面处可能会产生热应力。
良好的界面结合能够缓解这种热应力，提高复合材料的热稳定性。
复合材料的界面性能与优化
复合材料的界面性能与优化在现代材料科学领域，复合材料因其出色的性能而备受关注。
复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成，其性能并非各个组分材料性能的简单加和，而是通过各组分之间的协同作用实现了性能的优化和提升。
而在这其中，复合材料的界面性能起着至关重要的作用。
复合材料的界面，简单来说，就是不同组分材料之间相互接触和作用的区域。
这个区域虽然在尺寸上相对较小，但却对复合材料的整体性能产生着深远的影响。
就好像一个团队中各个成员之间的沟通与协作环节，虽然看似细微，却决定着整个团队的运作效率和成果。
首先，我们来探讨一下复合材料界面性能的重要性。
良好的界面性能能够有效地传递载荷。
当复合材料受到外力作用时，如果界面能够将应力从一种材料传递到另一种材料，那么整个复合材料就能更好地承受外力，从而表现出更高的强度和韧性。
界面性能还对复合材料的热性能有着重要影响。
不同的材料具有不同的热膨胀系数，如果界面结合不好，在温度变化时就容易产生热应力，导致材料性能下降甚至失效。
此外，界面性能也会影响复合材料的耐腐蚀性能和电性能等。
那么，复合材料的界面性能具体包括哪些方面呢？界面的结合强度是一个关键因素。
如果结合强度过低，在使用过程中容易出现界面脱粘，从而降低材料的性能；而结合强度过高，又可能导致材料在受到冲击时无法通过界面的解离来吸收能量，造成脆性断裂。
界面的化学稳定性也是不容忽视的。
在一些恶劣的环境中，界面处容易发生化学反应，从而影响材料的长期使用性能。
界面的微观结构同样重要，它决定了界面的物理和化学性质，进而影响复合材料的整体性能。
接下来，我们看看影响复合材料界面性能的因素。
材料的表面处理方式是一个重要方面。
通过对增强材料表面进行化学处理、物理处理或者涂层处理，可以改变其表面的化学组成和物理形貌，从而提高与基体材料的相容性和结合力。
制备工艺条件也会对界面性能产生影响。
例如，在复合材料的制备过程中，温度、压力、时间等参数的控制都会影响界面的形成和性能。
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不连续效应
电阻R1 电阻R2 电阻R1
4.2 界面的效应（3）
(4)散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、 冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光 性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热 冲击性等。
散射和吸收效应
4.2 界面的效应（4）
(5)诱导效应：一种物质(通常是增强物)的表 面结构使另一种与之接触的物质(通常是聚 合物基体)的结构由于诱导作用而发生改变， 由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨 胀性、耐冲击性和耐热性等。
陶瓷中增韧纤维受外力作用， 因拔出而消耗能量，耗能越 多材料韧性越好。
C/C复合材料 Si/Si复合材料
用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹 性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上 采用。现在发现，晶须 (如SiC 和Si3N4)能起到陶瓷材 料增韧的作用。
ZnO晶须 自增韧Si3N4陶瓷
4.3 复合材料组分的相容性
对复合材料来说， 以下与其化学相容性有关的问题十分重要：
1）相反应的自由能 F：代表该反应的驱动力。设计复 合材料时，应确定所选体系可能发生反应的自由能的变化。
2）化学势U：各组分的化学势不等，常会导致界面的不 稳定。
3）表面能T：各组分的表面能很高，导致界面的不稳定。 4）晶界扩散系数D：由晶界或表面扩散系数控制的二次 扩散效应常使复合体系中组分相的关系发生很大变化。
2. 由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不 应在增强剂上形成高的局部应力。
3. 基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面 结合产生重要的影响，从而影响材料的各类性能。
思考：
当复合材料使用条件要求基体韧性好而增强材 料是脆性材料时，该如何考虑基体材料的热膨胀系 数？
4.3 复合材料组分的相容性
聚合物基粒子复合材料如酚醛树 脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒 子改性热塑性塑料的钙塑材料 (合成木材)等。
陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增
韧陶瓷等。
粒子增强SiC陶瓷基复合材料
颗粒增强铝基泡沫复合材料
碳黑增强橡胶
金属基粒子复合材料又称金
属陶瓷，是由钛、镍、钴、
铬等金属与碳化物、氮化物、
氧化物、硼化物等组成的非
（2）颗粒增强的复合材料的增强机制
用金属或高分子聚合物为粘结剂，把具有耐热性好、硬度 高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起 而行成的材料。
二、复合材料的性能特点
1、比强度和比模量高。其中纤维 增强复合材料的最高。
2、良好的抗疲劳性能。碳纤维增 强材料-1可达b的70~80%。因纤 维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。
化学相容性：
指组成材料的各组元（基体与增强体）之间有无 化学反应及反应速度的快慢。包括热力学相容性 和动力学相容性。
化学相容性是一个复杂的问题： 对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两相
化学势相等，比表面能效应也最小。 对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。 纤维和基体间的直接反应则是更重要的相容性问题。
cm f,cm V m fV f
纤维的临界长径比 纤维最小体积分数
Lc fy d 2 my
Vfc
mu
m
fu
m
2. 粒子增强型复合材料的增强机制
粒子增强型复合材料按照颗粒尺寸大小和数量多少可分为： 弥散强化的复合材料；颗粒增强的复合材料。
（1）弥散强化的复合材料的增强机制
将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形 的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。
4.4 界面理论(1)
机械结合 基体与增强材料之间不发生化学反应，靠纤维的 粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。
在钢筋与混凝土之间的界面上会产生剪应力，为此，在预 应力钢筋的表面带有螺纹状突起。
表面越粗糙，互锁作用越强，机械粘结作用越有效。 但表面积随着粗糙度增大而增大，其中有相当多的孔穴， 粘度大的液体是无法流入的。造成界面脱粘的缺陷，而 且也形成了应力集中点，影响界面结合。
为碳纤维增强铝基复合材料。 （4）商业名称命名 如“玻璃钢”即为玻璃纤维
增强树脂基复合材料。
复合材料的增强机制及性能
1. 纤维增强复合材料的增强机制
在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要 承载组分，其增强效果主要取决于纤维的 特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的 体积分数、尺寸和分布。
在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要
复合材料的界面示意图
1、外力场 2、基体 3、基体表面区 4、相互渗透区 5、增强剂表面区 6、增强剂
界面通常包含以下几个部分： 基体和增强物的部分原始接触面； 基体与增强物相互作用生成的反应产物，此产 物与基体及增强物的接触面；
界面特点
➢ 性能和结构上不同于基体和增强材料 ➢ 具有一定的厚度 ➢ 连接基体与增强体材料 ➢ 能够传递载荷
金属基体复合材料和陶瓷复合材料有这类结合方式。
在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很难遇到，往 往是机械粘结作用与其它粘结机理共同起作用。
4.4 界面理论(2)
溶解和润湿结合主要是聚合物基体复合材料的结合形式。 基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶解，即 物理和化学吸附作用。界面是溶质原子的过渡带。
许多因素影响着界面结合强度，如表面几何形状、 分布状况、纹理结构、表面杂质、吸附气体程度、吸 水情况、表面形态、在界面的溶解、扩散和化学反应、 表面层的力学特性、润湿速度等。
4.3 复合材料组分的相容性
物理相容性：
1. 是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载 荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续 现象。
最佳状态的界面，裂纹沿界面扩展形成曲折的路径耗 散较多的能量，即这时的复合材料具有最大断裂能和一定 的韧性。
研究和设计界面时，不应只追求界面结合强度而应考 虑到复合材料综合力学性能。
不同界面结合强度断裂纤维周围基体形态模型
a. 弱界面结合状况 b. 界面结合适中状况 c. 界面结合过强状况
界面剪切强度太低：
表明界面结合过弱。在拉伸时纤维与基体脱粘、滑 移，纤维断裂点周围基体的形态呈空管状，而且界 面上没有任何曾经有过强烈相互作用的迹象。在这 种状况下，纤维高强度和高模量的优势得不到充分 发挥，复合材料得不到有效增强。
界面剪切强度过高：
纤维断裂，应力集中到断口周围基体上； 界面结合强度大于基体强度，应力不能松弛，裂缝沿
碳
承载组分，其增强效果主要取决于纤维的 纤
维
特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的 体积分数、尺寸和分布。
弹性模量及强度
外力方向与纤维轴向相同时，c= f = m (f-纤维、 m-基体、 c-复合材料)，则
cfV fm V m ,E c E fV f E m V m
当外力垂直于纤维轴向时，则
纵向抗拉强 度 MPa
69
环氧树脂 / E级玻璃纤维 1020
环氧树脂 / 碳纤维（高弹性）
1240
环氧树脂 / 芳纶纤维（49） 1380
环氧树脂 / 硼纤维（70 % Vf ） 1400-2100
纵向弹性模 量 GPa
6.9
45
145 76
210-280
聚合物基纤维增强复合材料零件
碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空 发动机高温构件
4. 复合材料的界面 及界面优化
Chapter 4. Interface of composite materials and optimization of their interface
概述
一、复合材料的概念
复合材料是由两种或两
种以上化学性质或组织
结构不同的材料组合而
复
合
成的材料。
材 料
船
体
二、复合材料的分类
1、按基体材料分
(1)非金属基复合材料
SiC颗粒
增
(2)金属基复合材料。
强 相
三
2、按增强材料分
种 类
型
(1) 纤维增强复合材料
Al2O3片
(2) 粒子增强复合材料
(3)叠层复合材料。
Al2O3纤维
三、复合材料的命名
（1）以基体为主来命名 例如金属基复合材料。 （2）以增强材料来命名 如碳纤维增强复合材料。 （3）基体与增强相并用 如“C/Al复合材料”即
3、破断安全性好 4、优良的高温性能。 5、减震性好。复合材料中的大量
界面对振动有反射吸收作用，不易 产生共振。
\ \ \
比 强 度 比 较 碳 硼 玻钛 钢 铝 纤纤璃 维维纤 树树维 脂脂树 脂
常用的复合材料
一、纤维增强复合材料
1. 常用增强纤维
(1)玻璃纤维：用量最大、价格最便宜。
(2)碳纤维：化学性能与碳相似。
MMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性 因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了 MMC的应用范围。
航天飞机内 MMC (Al / B
纤维)桁架
4. 纤维--陶瓷复合材料
陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、 抗氧化，但韧性低、难加工。 在陶瓷材料中加入纤维增强， 能大幅度提高强度，改善韧 性，并提高使用温度。
4.2 界面的效应（1）
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种 效应：
(1)传递效应：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起 到基体和增强物之间的桥梁作用。 (2)阻断效应：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料 破坏、减缓应力集中的作用。
阻止裂纹的扩展
4.2 界面的效应（2）
(3)不连续效应：在界面上产生物理性能的不 连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、 电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
碳纤维
(3)硼纤维：耐高温、强度、弹性模高。
(4)碳化硅纤维：高熔点、高硬度。
(5)Kevlar有机纤维：用于高温、高强 复合材料。