复合材料课件第二章_复合材料界面和优化设计

2.4 复合材料的界面
2.4.1界面润湿理论 ：
产生良好结合的条件如下： 1. 液体粘度尽量低； 2. S固略体大上于扩L展，的0.8条件，1,它：与效温率度因等子活，化液过体程在有
关。 浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触时的 情况，而并不能表示界面的粘结性能。一种 体系的两个组元可能有极好的浸润性，但它 们之间的结合可能很弱，如范德华物理键合。 因此润湿是组分良好粘结的必要条件，并非 充分条件。
残余应力
2.5 界面的控制
由于复合材料中存在人为的界面，而 界面又起着很重要的作用，所以由界面的 特性可以控制材料的性能。
界面的控制方法有以下几类：
一、改变强化材料表面的性质； 二、向基体添加特定的元素 三、强化材料的表面处理
一、 改变强化材料表面的性质
2.4 复合材料的界面
2.4.2机械作用理论 ： ➢ 当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不平
将发生机械互锁。
2.4 复合材料的界面
2.4.3静电理论 ： 当复合材料不同组分表面带有异性电荷时，
将发生静电吸引。仅在原子尺度量级内静电 作用力才有效
表面静电吸引结合示意图
2.4、复合材料的界面
2.4.4、化学键理论： 在复合材料组分之间发生化学作用，在界面 上形成共价键结合。在理论上可获得最强的界 面粘结能（210 - 220 J / mol）。
第二章 复合材料的界面 和优化设计
高模量碳纤维复合材料拉伸破坏的断口SEM图片
2.1概述
• 复合材料的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 载荷传递作用的微小区域。
• 复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域， 约几个纳米到几个微米。此区域的结构与性 质都不同于两相中的任何一相。这一界面区 由五个亚层组成，每一亚层的性能都与基体 和增强相的性质、复合材料成型方法有关。
• 因此，在研究和设计界面时，不应只追求界 面结合而应考虑到最优化和最佳综合性能。
2.3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。
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。
2.1概述
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
复合材料的界面示意图
2.1概述
界面粘结强度
界面粘结强度的重要性
➢ PMC聚合物基复合材料——高的界面强度， 有效地将载荷传递给纤维。
➢ CMC陶瓷基复合材料——界面处能量的耗散， 以提高韧性。
➢ MMC金属基复合材料——强的界面，有益的 非弹性过程。
2.3复合材料组分的相容性
• 化学相容性： ➢ 对复合材料来说， 以下因素与复合材料化学
相容性有关的问题则十分重要： • 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。
2.4 复合材料的界面-聚合物
• （2）阻断效应：基体和增强相之间结合力 适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中 的作用。
阻止裂纹的扩展
2.2 复合材料的界面效应
• （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、耐热性和磁场尺寸稳 定性等。
不连续效应
电阻R1 电阻R2 电阻R1
2.2 复合材料的界面效应
• 界面的结合状态和强度对复合材料的性能有 重要影响。对于每一种复合材料都要求有合 适的界面结合强度。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。
常数。•复合材料的源自体与增强材料间可以发生原子或分子• 的互扩散或发生反应，从而形成反应结合或互扩散结合。
• 对于聚合物基体复合材料来说，这种粘结机理可看作为分
• 子链的缠结。而对于金属和陶瓷基复合材料，两组元的互
• 扩散可产生完全不同于任一原组元成分及结构的界面层。
• 金属基复合材料中界面层常常是AB、AB2、A3B类型的脆 • 性的金属间化合物 。
2.4 复合材料的界面
2.4.5 界面反应或界面扩散理论
在复合材料组分之间发生原
子或分子间的扩散或反应，从
而形成反应结合或扩散结合。
D = D0 exp（Q/RT） D: 扩散系数；Q: 扩散激活能：
R: 玻尔兹曼常数;T: 绝对温度。 界面反应结合或
X =k t 1/2
扩散结合示意图
X：反应层厚度；k：反应速度
• 2.4.1界面润湿理论 ：
➢ 界面润湿理论是基于液态树脂对纤维表面的 浸润亲和，即物理和化学吸附作用。液态树 脂对纤维表面的良好浸润是十分重要的。浸 润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷 和应力集中，使界面强度下降。良好的或完 全浸润将使界面强度大大提高，甚至优于基 体本身的内聚强度。
2.4 复合材料的界面
诱导效应
聚合物表面
R
R
R
Si
Si
Si
H O
H2O O
O H
HH
O
O
H
H
O
O
O
M
M
M
无机表面
HH
2.2 复合材料的界面效应
• 界面效应是任何一种单一材料所没有的特性， 它对复合材料具有重要的作用。
• 界面效应既与界面结合状态、形态和物理-化 学性质有关，也与复合材料各组分的浸润性、 相容性、扩散性等密切相关。
表面结合化学键示意图
化学作用理论最成功的应用是偶联剂用于增强材料表面 与聚合物基体的粘结。如硅烷偶联型具有两种性质不同的官 能团，一端为亲玻璃纤维的官能团(X)，一端为亲树脂的官 能团(R)，将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面上形成共价 键结合。
• 多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度的 • 界面反应。轻微的界面反应能有效的改善金属基体与增 • 强体的浸润和结合，严重的界面反应将造成增强体的损 • 伤和形成脆性界面相等十分有害。碳纤维/铝钛铜合金复 • 合材料中，生成TiC，使界面附近的铝、铜富集。500℃ • 时，在C纤维/铝材料界面生成Al4C3脆性层。
4)交换反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，生成化合物， 且还通过扩散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。
5)混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。是以 上几种结合方式中几个的组合。
2.2 复合材料的界面效应
• 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：界面可将复合材料体系中 基体承受的外力传递给增强相，起到基体和 增强相之间的桥梁作用。
2.4.1界面润湿理论 ： 从热力学观点来考虑两个结合面与其表面能 的关系，一般用表面张力来表征。
表面张力即为温度和体积不变的情况下，自 由能随表面积增加的增量。
= （F / A）TV 此处 为表面张力；F为自由能； A为面积； T和V分别为温度和体积。
2.4 复合材料的界面
2.4.1界面润湿理论 ： 当两个结合面结合了，则体系中由于减少了 两个表面和增加了一个界面使自由能降低了。 体系由于两个表面结合而导致自由能的下降 定义为粘合功。
➢ 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。
2.3复合材料组分的相容性
• 化学相容性： ➢ 对复合材料来说， 以下因素与复合材料化学
相容性有关的问题则十分重要： • 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。
•
金属基和陶瓷基复合材料，形成界面层的主要原因之
• 一是生产制备过程要经历高温。在高温下扩散极易进行，
• 扩散系数 D 随温度呈指数关系增加。
• 其他结合:
• 聚合物复合材料还有物理吸附理论、过渡 层理论；金属基体和陶瓷基体复合材料还 有物理结合理论。
• 混合结合: 这种结合较普遍，是最重要的一 种结合方式。是以上几种结合方式中几个 的组合。
2.2 复合材料的界面效应
• 界面结合较差的复合材料大多呈剪切破坏， 且在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、 纤维应力松弛等现象。界面结合过强的复合 材料则呈脆性断裂，也降低了复合材料的整 体性能。界面最佳态的衡量是当受力发生开 裂时，裂纹能转化为区域化而不进一步界面 脱粘；即这时的复合材料具有最大断裂能和 一定的韧性。
2.2 复合材料的界面效应
• （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、耐机械冲击性等。
散射和吸收效应
2.2 复合材料的界面效应
• （5）诱导效应：一种物质（通常是增强剂） 的表面结构使另一种（通常是聚合物基体） 与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生 改变，由此产生一些现象，如强弹性、低膨 胀性、耐热性和冲击性等。
• 对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度 大于抗拉强度，处于压缩状态比较有利。
• 对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要 求避免高的残余热应力，因此热膨胀系数不 应相差太大。
2.3复合材料组分的相容性
• 化学相容性： • 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SiC晶须表面采用化学方法处理后XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)分析的结果。由C(1s)和Si(2p)的波谱可以看出， 有 态的的地差方来存增在强界SiO面2的，结有合的力地。方不存在SiO2。利用这样的表面状