复合材料期末复习资料4PPT课件
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复合材料ppt
疲劳性能与寿命预测
疲劳性能
复合材料的疲劳性能是指它们在周期性载荷下的抗断裂能力 。通过优化材料组合和结构设计，可以显著提高复合材料的 疲劳性能。例如，使用高强度纤维和优化基体树脂可以显著 提高复合材料的疲劳性能。
寿命预测
通过实验测试和分析，可以预测复合材料的使用寿命。这些 测试包括疲劳测试、环境因素测试和物理测试等。通过这些 测试和分析，可以评估复合材料在不同条件下的使用寿命， 并提供设计建议以延长其使用寿命。
复合材料ppt
2023-10-30
目录
• 复合材料概述 • 复合材料的力学性能 • 复合材料的热学性能 • 复合材料的应用领域 • 复合材料的未来发展趋势 • 复合材料的相关研究与文献综述
01
复合材料概述
定义与分类
复合材料定义
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成的新型材料 。
复合材料分类
根据组合成分的性质和比例，复合材料可分为金属基复合材料、非金属基复 合材料和纳米复合材料等。
复合材料的性能特点
性能可设计性
可以根据使用要求设计复合材料的性能，如强度、刚度、耐腐 蚀性等。
性能优势
可以发挥不同材料的优点，实现单一材料无法达到的性能。
性能可调整性
可以通过调整各组分材料的比例和制备工艺来调整复合材料的 性能。
连接器
复合材料也被用于制造连接器，如USB连接器等。
电池外壳
复合材料还可以用于制造电池的外壳，如锂离子电池的外壳等。
05
复合材料的未来发展趋势
高性能复合材料的研发
01
研发具有更高强度、韧性和耐 高温性能的高性能复合材料， 以满足现代工程和工业制造的 需求。
02
复合材料pdfPPT课件
复合材料的热膨胀系数通常低于单一材料，使其在温度变化时能保 持较好的尺寸稳定性。
良好的热导性
某些复合材料具有良好的热导性，适用于需要散热或传热的场合。
耐高温性能
通过选择合适的基体和增强材料，复合材料可以在高温环境下保持 较好的力学性能。
电学性能
绝缘性能
大多数复合材料具有良好的绝缘性能，适用于电气 和电子设备中。
后处理与加工
固化处理
对成型的复合材料进行加热或自然固化，使其达到所需的物理和化 学性能。
机械加工
对固化后的复合材料进行切割、钻孔、打磨等机械加工，以满足产 品形状和尺寸的要求。
表面处理
对复合材料表面进行喷漆、电镀、阳极氧化等处理，以提高其耐腐蚀 性、装饰性等性能。
04
复合材料的性能特点
力学性能
成型工艺
手糊成型
在模具上涂刷脱模剂，然后铺贴一层纤 维布或毡，再涂刷一层树脂，如此反复
直至达到所需厚度。
模压成型
将预浸料或纤维与树脂混合物放入模 具中，在加热和加压的条件下固化成
型。
喷射成型
将树脂和固化剂分别通过喷嘴喷到模 具上，同时用喷枪将纤维切断并喷到 树脂中，形成复合材料层。
注射成型
将树脂和固化剂混合后注入到装有纤 维的模具中，然后在一定温度和压力 下固化成型。
复合材料的组成与结构
基体材料
聚合物基体
如环氧树脂、聚酰亚胺等，具有良好的可加工性和韧 性。
金属基体
如铝、镁、钛等合金，具有高比强度和优异的导电导 热性能。
陶瓷基体
如氧化铝、氮化硅等，具有高温稳定性和耐磨损性。
增强材料
纤维增强材料
如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，具有高比 强度和模量。
良好的热导性
某些复合材料具有良好的热导性，适用于需要散热或传热的场合。
耐高温性能
通过选择合适的基体和增强材料，复合材料可以在高温环境下保持 较好的力学性能。
电学性能
绝缘性能
大多数复合材料具有良好的绝缘性能，适用于电气 和电子设备中。
后处理与加工
固化处理
对成型的复合材料进行加热或自然固化，使其达到所需的物理和化 学性能。
机械加工
对固化后的复合材料进行切割、钻孔、打磨等机械加工，以满足产 品形状和尺寸的要求。
表面处理
对复合材料表面进行喷漆、电镀、阳极氧化等处理，以提高其耐腐蚀 性、装饰性等性能。
04
复合材料的性能特点
力学性能
成型工艺
手糊成型
在模具上涂刷脱模剂，然后铺贴一层纤 维布或毡，再涂刷一层树脂，如此反复
直至达到所需厚度。
模压成型
将预浸料或纤维与树脂混合物放入模 具中，在加热和加压的条件下固化成
型。
喷射成型
将树脂和固化剂分别通过喷嘴喷到模 具上，同时用喷枪将纤维切断并喷到 树脂中，形成复合材料层。
注射成型
将树脂和固化剂混合后注入到装有纤 维的模具中，然后在一定温度和压力 下固化成型。
复合材料的组成与结构
基体材料
聚合物基体
如环氧树脂、聚酰亚胺等，具有良好的可加工性和韧 性。
金属基体
如铝、镁、钛等合金，具有高比强度和优异的导电导 热性能。
陶瓷基体
如氧化铝、氮化硅等，具有高温稳定性和耐磨损性。
增强材料
纤维增强材料
如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，具有高比 强度和模量。
《复合材料》PPT课件(2024)
优异的抗疲劳性能
复合材料能够抵抗循环载荷作用下的疲劳破坏，具有较长的疲劳寿命， 适用于承受交变应力的结构件。
2024/1/26
03
良好的减震性能
Hale Waihona Puke 复合材料具有较好的阻尼性能，能够吸收和分散振动能量，降低结构的
振动和噪音水平。
16
物理性能
耐高低温性能
复合材料能够在极端温度环境下保持稳定的性能，适用于高温或低 温工作条件。
2024/1/26
25
建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建 筑结构部件，如梁、板 、柱和墙体等，具有轻 质、高强度和耐腐蚀等 优点。
2024/1/26
建筑材料
复合材料还可作为建筑 材料使用，如复合地板 、复合门窗和复合墙板 等，具有美观、环保和 耐用等特点。
装饰装修
复合材料也可用于建筑 装饰装修领域，如吊顶 、隔断和家具等，具有 多样化的外观和优良的 性能。
X射线衍射（XRD）
分析复合材料的晶体结构和相组成，确定增 强体和基体的晶体类型。
2024/1/26
透射电子显微镜（TEM）
揭示复合材料内部微观结构，如增强体的分 布、取向和缺陷等。
原子力显微镜（AFM）
研究复合材料表面纳米级形貌和力学性质。
20
宏观性能测试方法
拉伸试验
测定复合材料的拉伸强度、弹性模量 和断裂伸长率等力学性能指标。
性能变化。
疲劳试验
2024/1/26
研究复合材料在交变应力作用下的疲 劳性能，预测其疲劳寿命和疲劳强度
。
耐化学腐蚀试验
测试复合材料在不同化学介质中的耐 腐蚀性能，评估其耐酸、耐碱、耐盐 雾等能力。
加速老化试验
复合材料能够抵抗循环载荷作用下的疲劳破坏，具有较长的疲劳寿命， 适用于承受交变应力的结构件。
2024/1/26
03
良好的减震性能
Hale Waihona Puke 复合材料具有较好的阻尼性能，能够吸收和分散振动能量，降低结构的
振动和噪音水平。
16
物理性能
耐高低温性能
复合材料能够在极端温度环境下保持稳定的性能，适用于高温或低 温工作条件。
2024/1/26
25
建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建 筑结构部件，如梁、板 、柱和墙体等，具有轻 质、高强度和耐腐蚀等 优点。
2024/1/26
建筑材料
复合材料还可作为建筑 材料使用，如复合地板 、复合门窗和复合墙板 等，具有美观、环保和 耐用等特点。
装饰装修
复合材料也可用于建筑 装饰装修领域，如吊顶 、隔断和家具等，具有 多样化的外观和优良的 性能。
X射线衍射（XRD）
分析复合材料的晶体结构和相组成，确定增 强体和基体的晶体类型。
2024/1/26
透射电子显微镜（TEM）
揭示复合材料内部微观结构，如增强体的分 布、取向和缺陷等。
原子力显微镜（AFM）
研究复合材料表面纳米级形貌和力学性质。
20
宏观性能测试方法
拉伸试验
测定复合材料的拉伸强度、弹性模量 和断裂伸长率等力学性能指标。
性能变化。
疲劳试验
2024/1/26
研究复合材料在交变应力作用下的疲 劳性能，预测其疲劳寿命和疲劳强度
。
耐化学腐蚀试验
测试复合材料在不同化学介质中的耐 腐蚀性能，评估其耐酸、耐碱、耐盐 雾等能力。
加速老化试验
2024年复合材料课件
复合材料课件一、引言二、复合材料的基本概念2.复合材料的组成：复合材料通常由基体和增强体两部分组成。
基体是复合材料中占主导地位的连续相，起支撑和连接作用；增强体是分散在基体中的第二相，起增强作用。
3.复合材料的分类：根据基体和增强体的不同，复合材料可分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料等。
三、复合材料的性能特点1.力学性能：复合材料具有较高的强度、刚度和韧性，可承受较大的载荷。
同时，复合材料具有良好的疲劳性能和抗冲击性能。
2.耐热性能：复合材料的热稳定性较好，可在较高温度下使用。
复合材料的热膨胀系数较低，具有较好的尺寸稳定性。
3.耐腐蚀性能：复合材料具有良好的耐腐蚀性能，可抵抗酸、碱、盐等介质的侵蚀。
4.导电性能：复合材料具有良好的导电性能，可应用于导电结构件、抗静电材料等领域。
5.磁性能：复合材料具有良好的磁性能，可应用于电机、变压器等设备中的磁性结构件。
6.耐磨性能：复合材料具有良好的耐磨性能，可应用于摩擦磨损部件。
四、复合材料的应用领域1.航空航天领域：复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀等特点，广泛应用于飞机、卫星、火箭等航空航天器。
2.汽车领域：复合材料可应用于汽车零部件、车身、内饰等，减轻汽车重量，提高燃油经济性。
3.建筑领域：复合材料具有良好的耐腐蚀性能和装饰效果，可应用于建筑物的外墙、屋顶、门窗等。
4.能源领域：复合材料可应用于风力发电叶片、太阳能电池板等可再生能源设备。
5.生物医学领域：复合材料具有良好的生物相容性和力学性能，可应用于人工关节、牙科修复等。
6.电子领域：复合材料具有良好的导电性能和热稳定性，可应用于电子元器件的封装、散热等领域。
五、结论复合材料作为一种具有特殊性能的新型材料，已经在众多领域取得了显著的应用成果。
随着材料科学的不断发展，复合材料的性能和应用领域将进一步拓展。
本课件旨在帮助读者了解复合材料的基本概念、分类、性能特点及应用领域，为复合材料的研究和应用提供一定的理论基础。
《复合材料概论》课件
航天器结构材料
在卫星、火箭和空间站等航天器中， 复合材料用于制造结构件，如太阳能 电池板、卫星天线和推进器等。
汽车工业领域
汽车车身
复合材料可以减轻车身重量，提高燃油经济性和 降低排放，广泛应用于汽车车身制造。
汽车零部件
复合材料也可用于制造汽车零部件，如发动机罩 、车门和座椅骨架等。
汽车功能材料
复合材料在汽车功能件中也有广泛应用，如电池 外壳、传感器和油箱等。
THANKS
感谢观看
冷却凝固。
金属基复合材料的制备方法 主要包括
02
01
03
粉末冶金法：将增强材料与 金属粉末混合，然后进行热
压或烧结。
喷射沉积法：将增强材料与 金属熔体一起喷射并沉积在
冷却表面上。
04
05
这些方法的选择取决于所需 的复合材料的性能和用途。
陶瓷基复合材料的制备
陶瓷基复合材料的制备方法 主要包括
04
晶须增强法：将陶瓷晶须与 陶瓷基体混合，然后进行烧 结或热压。
体育器材领域
高性能运动器材
复合材料具有高强度、轻质和抗 冲击等特点，广泛应用于制造高 性能运动器材，如网球拍、滑雪 板和自行车等。
休闲运动器材
在休闲运动器材中，复合材料也 用于制造轻便、舒适和耐用的运 动装备，如泳镜、潜水服和滑水 板等。
建筑领域
建筑材料
复合材料可以用于制造轻质、高强度 的建筑材料，如复合板、玻璃纤维增 强水泥和碳纤维增强混凝土等。
良好的热性能和化学稳定性
复合材料在高温和恶劣环境下仍能保持较好 的性能。
抗腐蚀性
某些复合材料具有较好的耐腐蚀性能，能够 延长使用寿命。
易于加工和制造
复合材料的加工和制造相对简单，能够快速 成型，降低生产成本。
《复合材料》PPT课件
增韧机理。
（4）纤维桥接（Fiber Bridge） 对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转， 只能沿着原来的扩展方向继续扩展。这时紧靠裂 纹尖端处的纤维并未断裂，而是在裂纹两岸搭起 小桥，使两岸连在一起。这会在裂纹表面产生一 个压应力，以抵消外加应力的作用，从而使裂纹 难以进一步扩展，起到增韧作用。
散凝状。即在浆体中呈弥散分布。
采用浆体浸渍法也可制备连续纤维增韧陶瓷
基复合材料。
浆体法制备陶瓷基复合材料示意图
9.2.3反应烧结法
用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料
几乎无收缩外，还具有以下优点：
（1）增强剂的体积比可以相当大；
（2）可用多种连续纤维预制体；
（3）大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于
（3）纤维拔出（Pull – out） 纤维拔出是指靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用 下沿着它和基体的界力松弛，从而减缓
了裂纹的扩展。纤维拔出需外力做功，因此起到增韧
作用。
纤维拔出能总大于纤维脱粘能，纤维拔出的增韧
效果要比纤维脱粘更强。因此，纤维拔出是更重要的
液、溶胶、凝胶等过程而固化，再经热处理生成氧
化物或其它化合物固体的方法。该方法可控制材料
的微观结构，使均匀性达到微米、纳米甚至分子量
级水平。
（1）Sol – Gel法制备SiO2陶瓷原理如下：
Si(OR)4 + 4 H2O Si(OH)4+ 4 ROH
Si(OH)4 SiO2 + 2 H2O
工艺流程：
原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）
均匀混合（球磨、超声等） 冷压成形
（热压）烧结
适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。
9.2.2浆体法（湿态法） 为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问 题，可采用浆体（湿态）法制备颗粒、晶须和短
复合材料PPT教学课件
原有材料的特点，又使各组分间 协同作用，形成了优于原材料的 特性。
4 复合材料的分类：
（1）按基体分类
树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料
（2）按增强体 的形状分类
颗粒增强复合材料 夹层增强复合材料 纤维增强复合材料
二 形形色色的复合材料
1 生产､生活中常用的复合材料
常见的复合材料有玻璃钢和 碳纤维增强复合材料。
玻璃钢是一种以玻璃纤维做增强体、合成树 脂做基体的复合材料。
优点：玻璃钢的强度可达到甚至超过合金的强度，
而密度只有钢铁的1/5左右；同时，这种材料保持着 较好的耐化学腐蚀性、电绝缘性和机械加工性能， 而且又不像普通玻璃那样硬脆。
玻璃钢制品
交流·研讨
你经常打羽毛球吗？现在羽毛球使用的大 多是碳素球拍，但几年前用的多是铝合金 球拍，人们还曾使用过木制球拍。
3．胰岛素改造
天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体， 延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血 糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基 酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基， 则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效 胰岛素已通过临床实验。
4．治癌酶的改造
请与同学们讨论：用于制造碳素球拍的材 料有哪 些优越性？它为什么会具有这些 优越性？
• 碳纤维增强体 • 碳纤维复合材料
• 合成树脂做基体 优点：具有韧性好，强度高而质轻的特点。
• 碳纤维增强复合材料也广泛应用于纺织机 械和化工机械的制造，以及医学上人体组 织中韧带的制作等。
2 航空、航天领域中的复合材料
本节教材小结 复 合 材 料
认识复合材料
基体 增强体
形形色色的复合材料
4 复合材料的分类：
（1）按基体分类
树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料
（2）按增强体 的形状分类
颗粒增强复合材料 夹层增强复合材料 纤维增强复合材料
二 形形色色的复合材料
1 生产､生活中常用的复合材料
常见的复合材料有玻璃钢和 碳纤维增强复合材料。
玻璃钢是一种以玻璃纤维做增强体、合成树 脂做基体的复合材料。
优点：玻璃钢的强度可达到甚至超过合金的强度，
而密度只有钢铁的1/5左右；同时，这种材料保持着 较好的耐化学腐蚀性、电绝缘性和机械加工性能， 而且又不像普通玻璃那样硬脆。
玻璃钢制品
交流·研讨
你经常打羽毛球吗？现在羽毛球使用的大 多是碳素球拍，但几年前用的多是铝合金 球拍，人们还曾使用过木制球拍。
3．胰岛素改造
天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体， 延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血 糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基 酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基， 则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效 胰岛素已通过临床实验。
4．治癌酶的改造
请与同学们讨论：用于制造碳素球拍的材 料有哪 些优越性？它为什么会具有这些 优越性？
• 碳纤维增强体 • 碳纤维复合材料
• 合成树脂做基体 优点：具有韧性好，强度高而质轻的特点。
• 碳纤维增强复合材料也广泛应用于纺织机 械和化工机械的制造，以及医学上人体组 织中韧带的制作等。
2 航空、航天领域中的复合材料
本节教材小结 复 合 材 料
认识复合材料
基体 增强体
形形色色的复合材料
《复合材料原理》PPT课件
的树脂(如乙烯基酯树脂)为基体； 对于碱性介质：宜采用无碱玻璃纤维为增强体和耐碱性
良好的树脂(如胺固化环氧树脂)。
.
15
复合材料特性：
.
16
抗拉强度与密度 之比 比强度高的材料 能承受高的应力
弹性模量与密度之 比 比模量高说明材料 轻而且刚性大
.
17
疲劳破坏的种类不同： 金属： 突发性破坏 疲劳强度极 限是其拉伸强度的30%~50% 聚合物基复合材料： 有预兆破坏 极限为拉伸强度的70%~80%
.
20
(1) 密度低 ； (2) 耐腐蚀； (3) 易氧化、老化； (4) 聚合物的耐热性通常较差； (5) 易燃； (6) 低的摩擦系数； (7) 低的导热性和高的热膨胀性； (8) 极佳的电绝缘性和静电积累； (9) 聚合物可以整体着色而制得带色制品。 (10) 聚合物的一些力学性能随其分子结构的改变而变化。
复合材料原理
.
1
主要内容
1、绪论 2、复合材料的复合效应 3、复合材料的界面状态解析 4、复合体系的界面结合特性 5、复合体系的典型界面反应 6、复合材料的界面处理技术
.
2
7、复合材料物理和化学性能的复合规律 8 、结构复合材复合材料的起源：
.
4
二、复合材料的定义
和聚芳酰胺纤维等高模量纤维为增强剂；
☼ 4、金属、陶瓷基复合材料：上世纪70年代则又出现以
金属、陶瓷等为基体材料的复合材料。
.
7
四、复合材料的分类：
1、无机非金属基复合材料 2、聚合物基复合材料 3、金属基复合材料
基体材料不同
.
8
4.1 复合材料中的材料设计和结构设计
工程应用的角度
结构复合材料
良好的树脂(如胺固化环氧树脂)。
.
15
复合材料特性：
.
16
抗拉强度与密度 之比 比强度高的材料 能承受高的应力
弹性模量与密度之 比 比模量高说明材料 轻而且刚性大
.
17
疲劳破坏的种类不同： 金属： 突发性破坏 疲劳强度极 限是其拉伸强度的30%~50% 聚合物基复合材料： 有预兆破坏 极限为拉伸强度的70%~80%
.
20
(1) 密度低 ； (2) 耐腐蚀； (3) 易氧化、老化； (4) 聚合物的耐热性通常较差； (5) 易燃； (6) 低的摩擦系数； (7) 低的导热性和高的热膨胀性； (8) 极佳的电绝缘性和静电积累； (9) 聚合物可以整体着色而制得带色制品。 (10) 聚合物的一些力学性能随其分子结构的改变而变化。
复合材料原理
.
1
主要内容
1、绪论 2、复合材料的复合效应 3、复合材料的界面状态解析 4、复合体系的界面结合特性 5、复合体系的典型界面反应 6、复合材料的界面处理技术
.
2
7、复合材料物理和化学性能的复合规律 8 、结构复合材复合材料的起源：
.
4
二、复合材料的定义
和聚芳酰胺纤维等高模量纤维为增强剂；
☼ 4、金属、陶瓷基复合材料：上世纪70年代则又出现以
金属、陶瓷等为基体材料的复合材料。
.
7
四、复合材料的分类：
1、无机非金属基复合材料 2、聚合物基复合材料 3、金属基复合材料
基体材料不同
.
8
4.1 复合材料中的材料设计和结构设计
工程应用的角度
结构复合材料
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协调、匹配或发生化学反应。
① 物理相容性 包括润湿性、热膨胀匹配和组分间元
素的相互溶解
② 化学相容性 组分间是否发生化学反应、反应快慢
➢ 良好的化学相容性是指在高温时两组分之间处于 热力学平衡且反应动力学 十分缓慢。
4.2.3 界面结合机制
• 界面结合机制一般可分为三种：机械结合、润 湿与溶解结合、反映结合。
界面的构成
1 外力场
1 外力场
2 树脂基体
3 基体表面区 4 相互渗透区
5 增强剂表面区 6 增强剂
4.1.2 润湿与结合
• 润湿是用来描述液体在固体表面上自动铺展程度。
它是决定液相法制备复合材料中基体与增强体结 合状况和性能的重要因素。
900
950
1000
1100 1150℃
测量润湿性的液滴模型
1. 机械结合 M和R之间仅仅依靠粗糙表面相互嵌 入形成相互锁合。
➢ 影响因素：R表面粗糙度、 和基体的收缩 例如：Bf/Al、CMC。对Wf/Al，
W表面涂石墨，达到理论强度的90%
2. 润湿与溶解结合 在制备过程中，M变成液态， 与R发生润湿，然后相互溶解形成的结合方式。
➢ 润湿是主要的，溶解是次要的。
结合适中
612 有的纤维拔出，有一定长度，；铝基 体发生颈缩，可观察到劈裂状
结合稍强
470 出现不规则断面，可观察到很短的拔 出纤维
结合过强 224 典型的脆性断裂，断口平齐
实际界面的复杂性与界面设计
① ②
Wf/Cu Wf/Cu
W丝周围未发现有Cu溶解或反应 (Cr,Nb) 合金元素(Cr,Nb)向W丝扩散，I型
（1）传递效应
基体与增强相之间某种材料
（2）阻断效应
特性出现的不连续区域
（3）不连续效应
（4）散射和吸收效应
（5）诱导效应
阻止裂纹的扩展
不连续效应
Matrix
电阻R1
Interface
电Ma阻triRx 2
Reinforcement
电阻R1
元素的浓度、晶体结构、E、 ρ、α
散射和吸收效应
光波、声波、热弹性波、冲击波等
γL
θ
γS
γSL
液体浸润角θ的大小，与固体表面张力γS、液体表面张力γL、 固液界面张力γSL有关，它们与浸润角之间存在如下关系：
γLCOSθ ＝ γS- γSL 液体对固体的浸润能力，可用浸润角来表示： 当θ≤900时，称为浸润； 当θ≥ 900时，称为不浸润； 当θ＝00或1800时，则称为完全浸润和完全不浸润。
➢ 影响润湿角θ大小的因素：
① 温度，T↑θ↑
② 固体表面的原始状态，吸附气体、氧化膜等使θ 增大，固体表面粗糙使θ减小
③ 液相中的夹杂或者相与相之间反应造成的产物
➢ 润湿性与结合的关系：
良好的结合意味着相邻两相沿界面形成均匀的 原子或者分子水平的接触，结合强度从弱的范 德华力到强的共价键力。
➢ 润湿性在复合材料制备中的作用（液相法）
润湿性好将促进结合，反映复合材料成型性好， 而且界面结合强度一般较高。
↑↑ ↑ （a）
（b） 润湿（a）与不润湿（b）下液态金属
对增强体表面的接触情况气孔形成
4.2 复合材料的界面
4.2.1 界面形貌
• 复合材料中界面是制备过程中形成的。一般是粗 糙界面而不是平直界面。
• 基体与增强相的接触情况取决于制备过程中液态 基体对增强体的润湿程度。
粗糙界面 平直界面
➢ 改善途径
① 纤维表面处理 清除表面杂质、吸附气、氧化 r
膜等
② 改变基体成分 对于DRMMC，用合金化来改 m
善润湿性最方便、有效。
③ 提高温度
T
④ 增大压力
P
⑤ 改变气氛
4.2.2 界面相容性 compatibility
• 相容性是指两个相互接触的组分是否相互容纳。 • 对复合材料而言，指增强体与基体之间是否彼此
类型Ⅲ
增强体与基体 反应形成界面反应层
钨丝/ 铜 Al2O3纤维 / 铜 硼纤维（表面涂BN）/ 铝 不锈钢丝/ 铝 SiC纤维（CVD）/ 铝 硼纤维 / 铝 硼纤维 / 镁
固相 法
镀铬的钨丝/ 铜 碳纤维 / 镍 钨丝/ 镍
合金共晶体丝/ 同一合金
钨丝/铜-钛合金
碳纤维/ 铝（＞580℃）
Al2O3纤维/ 钛 硼纤维/ 钛
4.3 金属基复合材料的界面
金属基复合材料由于基体与增强体复合的 温度较高，基体与增强物易发生相互作用 而生成化合物，而基体与增强物互相扩散 而形成扩散层，增强物的表面预处理涂层， 使界面的形状、尺寸、成分、结构等变得 非常复杂。
4.3.1 界面类型
类型Ⅰ
增强体与基体
不反应、不溶解
类型Ⅱ
增强体与基体 不反应、溶解
W丝结构未发生明显变化，对性能影响不大 III型型
2. 反应结合 在制备过程中，M--R发生化学反应 而形成的结合方式。
➢ 对PMC，这是最重要、最复杂的结合方式。
反应结合受扩散控制，要实现良好 反映结合，必须选择最佳制造工艺 （T、P、t、气氛等） ➢ 例如：GRP中偶联剂的使用 偶联剂R—SiX3
一． 有机硅烷水解，生成三元羟基硅醇
二． 玻璃纤维表面吸附水，生成羟基基团 三． 硅醇与吸附水的玻璃纤维表面反应 四． 分为三步： ① 生成氢键 ② 水分蒸发，硅醇间进行醚化反应 ③ 高温干燥，硅醇与玻璃间发生醚化反应
界面结合状态对金属基复合材料强度的影响 界面结
合强度过高或过低对复合材料的强度都不利，适当 的界面结合强度才能保证复合材料具有最佳的抗张 强度。就改善复合材料的疲劳性能而言，界面强度
稍强一些为好。表 碳纤维增强铝的抗张强度和断口形貌
界面结合 抗张强度，
状态
MPa
断口形貌
结合不良 206 纤维大量拔出，长度很长，呈刷子状
硼纤维/ 钛-铝 SiC纤维/ 钛 SiO2纤维/ 铝
例如 Bf/Ti的界面反应是由硼纤维的硼原子向基体扩散，在 硼纤维外层形成一层白色的反应产物TiB2。由于硼原子向 外扩散，在纤维的表层留下孔洞，孔洞面积可达10%以上 ，这会对硼纤维的强度产生极不利影响。
反应物裂纹产生的应力集中使纤维断裂
应力强度因子 KI Y a
第四章 复合材料的界面
复合材料的组成
基体Байду номын сангаас
Matrix
增强体
Reinforcement
界面 Interface
4.1 复合材料界面中的基本概念
4.1.1 界面的概念
• 复合材料界面是指基体与增强相之间化学成分有 显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递的
微小区域，约几个纳米到几个微米。
• 界面的几种效应
① 物理相容性 包括润湿性、热膨胀匹配和组分间元
素的相互溶解
② 化学相容性 组分间是否发生化学反应、反应快慢
➢ 良好的化学相容性是指在高温时两组分之间处于 热力学平衡且反应动力学 十分缓慢。
4.2.3 界面结合机制
• 界面结合机制一般可分为三种：机械结合、润 湿与溶解结合、反映结合。
界面的构成
1 外力场
1 外力场
2 树脂基体
3 基体表面区 4 相互渗透区
5 增强剂表面区 6 增强剂
4.1.2 润湿与结合
• 润湿是用来描述液体在固体表面上自动铺展程度。
它是决定液相法制备复合材料中基体与增强体结 合状况和性能的重要因素。
900
950
1000
1100 1150℃
测量润湿性的液滴模型
1. 机械结合 M和R之间仅仅依靠粗糙表面相互嵌 入形成相互锁合。
➢ 影响因素：R表面粗糙度、 和基体的收缩 例如：Bf/Al、CMC。对Wf/Al，
W表面涂石墨，达到理论强度的90%
2. 润湿与溶解结合 在制备过程中，M变成液态， 与R发生润湿，然后相互溶解形成的结合方式。
➢ 润湿是主要的，溶解是次要的。
结合适中
612 有的纤维拔出，有一定长度，；铝基 体发生颈缩，可观察到劈裂状
结合稍强
470 出现不规则断面，可观察到很短的拔 出纤维
结合过强 224 典型的脆性断裂，断口平齐
实际界面的复杂性与界面设计
① ②
Wf/Cu Wf/Cu
W丝周围未发现有Cu溶解或反应 (Cr,Nb) 合金元素(Cr,Nb)向W丝扩散，I型
（1）传递效应
基体与增强相之间某种材料
（2）阻断效应
特性出现的不连续区域
（3）不连续效应
（4）散射和吸收效应
（5）诱导效应
阻止裂纹的扩展
不连续效应
Matrix
电阻R1
Interface
电Ma阻triRx 2
Reinforcement
电阻R1
元素的浓度、晶体结构、E、 ρ、α
散射和吸收效应
光波、声波、热弹性波、冲击波等
γL
θ
γS
γSL
液体浸润角θ的大小，与固体表面张力γS、液体表面张力γL、 固液界面张力γSL有关，它们与浸润角之间存在如下关系：
γLCOSθ ＝ γS- γSL 液体对固体的浸润能力，可用浸润角来表示： 当θ≤900时，称为浸润； 当θ≥ 900时，称为不浸润； 当θ＝00或1800时，则称为完全浸润和完全不浸润。
➢ 影响润湿角θ大小的因素：
① 温度，T↑θ↑
② 固体表面的原始状态，吸附气体、氧化膜等使θ 增大，固体表面粗糙使θ减小
③ 液相中的夹杂或者相与相之间反应造成的产物
➢ 润湿性与结合的关系：
良好的结合意味着相邻两相沿界面形成均匀的 原子或者分子水平的接触，结合强度从弱的范 德华力到强的共价键力。
➢ 润湿性在复合材料制备中的作用（液相法）
润湿性好将促进结合，反映复合材料成型性好， 而且界面结合强度一般较高。
↑↑ ↑ （a）
（b） 润湿（a）与不润湿（b）下液态金属
对增强体表面的接触情况气孔形成
4.2 复合材料的界面
4.2.1 界面形貌
• 复合材料中界面是制备过程中形成的。一般是粗 糙界面而不是平直界面。
• 基体与增强相的接触情况取决于制备过程中液态 基体对增强体的润湿程度。
粗糙界面 平直界面
➢ 改善途径
① 纤维表面处理 清除表面杂质、吸附气、氧化 r
膜等
② 改变基体成分 对于DRMMC，用合金化来改 m
善润湿性最方便、有效。
③ 提高温度
T
④ 增大压力
P
⑤ 改变气氛
4.2.2 界面相容性 compatibility
• 相容性是指两个相互接触的组分是否相互容纳。 • 对复合材料而言，指增强体与基体之间是否彼此
类型Ⅲ
增强体与基体 反应形成界面反应层
钨丝/ 铜 Al2O3纤维 / 铜 硼纤维（表面涂BN）/ 铝 不锈钢丝/ 铝 SiC纤维（CVD）/ 铝 硼纤维 / 铝 硼纤维 / 镁
固相 法
镀铬的钨丝/ 铜 碳纤维 / 镍 钨丝/ 镍
合金共晶体丝/ 同一合金
钨丝/铜-钛合金
碳纤维/ 铝（＞580℃）
Al2O3纤维/ 钛 硼纤维/ 钛
4.3 金属基复合材料的界面
金属基复合材料由于基体与增强体复合的 温度较高，基体与增强物易发生相互作用 而生成化合物，而基体与增强物互相扩散 而形成扩散层，增强物的表面预处理涂层， 使界面的形状、尺寸、成分、结构等变得 非常复杂。
4.3.1 界面类型
类型Ⅰ
增强体与基体
不反应、不溶解
类型Ⅱ
增强体与基体 不反应、溶解
W丝结构未发生明显变化，对性能影响不大 III型型
2. 反应结合 在制备过程中，M--R发生化学反应 而形成的结合方式。
➢ 对PMC，这是最重要、最复杂的结合方式。
反应结合受扩散控制，要实现良好 反映结合，必须选择最佳制造工艺 （T、P、t、气氛等） ➢ 例如：GRP中偶联剂的使用 偶联剂R—SiX3
一． 有机硅烷水解，生成三元羟基硅醇
二． 玻璃纤维表面吸附水，生成羟基基团 三． 硅醇与吸附水的玻璃纤维表面反应 四． 分为三步： ① 生成氢键 ② 水分蒸发，硅醇间进行醚化反应 ③ 高温干燥，硅醇与玻璃间发生醚化反应
界面结合状态对金属基复合材料强度的影响 界面结
合强度过高或过低对复合材料的强度都不利，适当 的界面结合强度才能保证复合材料具有最佳的抗张 强度。就改善复合材料的疲劳性能而言，界面强度
稍强一些为好。表 碳纤维增强铝的抗张强度和断口形貌
界面结合 抗张强度，
状态
MPa
断口形貌
结合不良 206 纤维大量拔出，长度很长，呈刷子状
硼纤维/ 钛-铝 SiC纤维/ 钛 SiO2纤维/ 铝
例如 Bf/Ti的界面反应是由硼纤维的硼原子向基体扩散，在 硼纤维外层形成一层白色的反应产物TiB2。由于硼原子向 外扩散，在纤维的表层留下孔洞，孔洞面积可达10%以上 ，这会对硼纤维的强度产生极不利影响。
反应物裂纹产生的应力集中使纤维断裂
应力强度因子 KI Y a
第四章 复合材料的界面
复合材料的组成
基体Байду номын сангаас
Matrix
增强体
Reinforcement
界面 Interface
4.1 复合材料界面中的基本概念
4.1.1 界面的概念
• 复合材料界面是指基体与增强相之间化学成分有 显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递的
微小区域，约几个纳米到几个微米。
• 界面的几种效应