复合材料的复合原理及界面
复合材料----复合材料的复合原理及界面
复合材料
第二章复合材料的复合原理及界面
1、弥散增强和颗粒增强的原理
1）弥散增强：复合材料是由弥散颗粒与基体复合而成，荷载主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动，微粒阻碍基体位错运动能力越大，增强效果愈大，微粒尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好。
2）颗粒增强：复合材料是由尺寸较大（直径大于1 m）颗粒与基体复合而成，载荷主要由基体承担，但增强颗粒也承受载荷并约束基体的变形，颗粒阻止基体位错运动的能力越大，增强效果越好；颗粒尺寸越小，体积分数越高，颗粒对复合材料的增强效果越好。
2、什么是混合法则，其反映什么规律
混合法则（复合材料力学性能同组分之间的关系）：σc=σf V f+σm V m，E c=E f V f+E m V m式中σ为应力，E为弹性模量，V 为体积百分比，c、m和f 分别代表复合材料、基体和纤维；反映的规律：纤维基体对复合材料平均性能的贡献正比于它们各自的体积分数。
3、金属基复合材料界面及改性方法有哪些
金属基复合材料界面结合方式：
①化学结合
②物理结合
③扩散结合
④机械结合。
界面改性方法：
①纤维表面改性及涂层处理；
②金属基体合金化；
③优化制备工艺方法和参数。
4、界面反应对金属基复合材料有什么影响
界面反应和反应程度（弱界面反应、中等程度界面反应、强界面反应）决定了界面的结构和性能，其主要行为有：
①增强了金属基体与增强体界面的结合强度；
②产生脆性的界面反应产物；
③造成增强体损伤和改变基体成分。
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。
复合材料材料的界面理论
R X Si X X H2O HO R Si R OH + 3HX
(ⅱ)玻璃纤维表面吸水，生成羟基。
OH Si O OH Si O
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(ⅲ)硅醇与吸水的玻璃纤维表面反应，又分三步 第一步：硅酸与吸水的玻璃纤维表面生成氢键；
5
3.3.2增强材料的表面处理
1.碳纤维的表面处理 表面处理的作用：使复合材料不仅具有良好的界面粘接力、 层间剪切强度，而且其界面的抗水性、断裂韧性及尺寸稳 定性均有明显的改进。此外，通过碳纤维表面改性处理， 还可制得具有某种特殊功能的复合材料。
1）氧化法 （1）气相法(或干法):以空气、氧气、臭氧等氧化剂，采用 等离子表面氧化或催化氧化法。 （2）液相法（或湿法）：有硝酸、次氯酸钠加硫酸、重铬 酸钾加硫酸、高锰酸钾加硝酸钠加硫酸氧化剂及电解氧化 法等。
2
3.3增强材料的表面性质与处理
3.3.1表面性质
表面性质:表面的物理特性、化学特性和表面自由能。 表面性质与材料的组成和结构有关。 1. 物理持性: 指材料的表面形态和比表面积。 2. 化学特性: 指材料表面化学组成和表面反应活性。 增强材料表面的化学组成及结构，决定了增强材料 表面自由能的大小、润湿性及化学反应活性。关系 到增强材料是否需进行表面处理，其表面是否容易 与环境接触物反应(如与氧、水、有机物等反应)，表 面与基体材料间是否能形成化学键。 增强纤维内部的化学组成与其表面层的化学组成不 完全相同。 3
第三步：高温干燥(水分蒸发)，硅醇与吸水玻璃纤维间进行 醚化反应；
R HO H O Si O Si O H O H H R O O H O Si O Si O H OH -H2O O R Si O Si O O R Si O Si
复合材料的界面理论
复合材料的界面理论1、界面形成及其形成1.1界面的定义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。
界面区域如图1-1所示。
1.2界面的形成复合材料体系对界面要求各不相同，它们的成形加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为两个阶段: 第一阶段:增强体与基体在一组份为液态(或粘流态)时的接触与浸润过程。
在复合材料的制备过程中，要求组份间能牢固的结合，并有足够的强度。
要实现这一点，必须要使材料在界面上形成能量最低结合，通常都存在一个液态对固体的相互浸润。
所谓浸润，即把不同的液滴放到不同的液态表面上，有时液滴会立即铺展开来，遮盖固体的表面，这一现象称为“浸润”。
第二阶段:液态(或粘流态)组份的固化过程，即凝固或化学反应。
固化阶段受第一阶段的影响，同时它也直接决定着所形成的界面层的结构。
以固热性树脂的固化过程为例，固化剂所在位置是固化反应的中心，固化反应从中心以辐射状向四周扩展，最后形成中心密度大、边缘密度小的非均匀固化结构，密度大的部分称为胶束或胶粒，密度小的称胶絮。
2、界面对复合材料性能的影响及影响界面结合强度的因素 2.1界面对复合材料性能的影响复合材料内界面结合强度是影响复合效果的最主要因素。
界面的结合强度主要取决于界面的结构、物理与化学性能。
具有良好结合强度的界面，可以产生如下强化效应:(1)阻止裂纹的扩散，提高材料的韧性;(2)通过应力传递，使强化相承受较大的外载荷，提高复合材料的承载能力;(3)分散和吸收各种机械冲击和热冲击的能量，提高抗外加冲击的能力;(4)使强化相与基体产生既相互独立又相互协调的作用，弥补各自的缺点，获得新的材料使用性能。
复合材料原理 朱和国 -回复
复合材料原理朱和国-回复复合材料原理是指通过将两种或更多种不同材料结合在一起，形成一种新的材料，具备了单一材料所没有的性能和特性。
这种组合的材料称为复合材料。
复合材料广泛应用于各个领域，包括航空航天、汽车工业、建筑工程等，因为它们具备了轻质、高强度、耐腐蚀和耐磨损等优点。
复合材料的原理可分为两个方面：界面作用和相互作用。
界面作用是指在两种不同材料之间形成的界面层。
该界面层可以通过各种方式形成，例如化学键结合、物理吸附和力学锁定等。
界面层的存在使得两种不同材料之间能够形成强的结合，从而提高整体材料的强度和韧性。
相互作用是指两种不同材料之间的相互影响和相互作用。
在复合材料中，这种相互作用可以通过不同材料间的力传递和应变分布来实现。
当外界施加载荷或应变时，各种材料会发生相互作用，从而使复合材料具备了更高的强度和韧性。
复合材料的组成可以分为两种基本类型：纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料。
纤维增强复合材料是指在基体材料中添加纤维材料作为增强材料，常见的有碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料。
纤维增强复合材料的优点是具有较高的强度和刚度。
颗粒增强复合材料是指在基体材料中添加颗粒状的增强材料，常见的有陶瓷颗粒增强复合材料和金属颗粒增强复合材料。
颗粒增强复合材料的优点是具有较高的韧性和耐磨性。
除了纤维增强和颗粒增强外，还可以通过层压法、注塑法、挤压法等不同的加工工艺来制备复合材料。
层压法是将增强材料和基体材料依次叠加，然后通过热压或冷压使其密实。
注塑法是将增强材料通过挤塑机注入到基体材料中形成复合材料。
挤压法是将增强材料和基体材料通过挤压机挤压在一起，形成复合材料。
总结起来，复合材料原理主要包括界面作用和相互作用。
界面作用使得两种不同材料之间能够形成强的结合，从而提高整体材料的强度和韧性。
相互作用则是指两种不同材料之间的相互影响和相互作用，使得复合材料具备了更高的强度和韧性。
不同类型的复合材料可以通过加工工艺来制备，例如纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料。
材料科学基础之复合效应与界面
材料科学基础之复合效应与界面引言复合材料是一种由两种或两种以上不同材料组合而成的新材料，通过复合可以获得更好的性能和性质。
在复合材料中，界面起着至关重要的作用。
本文将介绍复合材料的基本概念，复合效应以及界面在复合材料中的重要性。
复合材料的定义复合材料是由两个或多个具有不同性质的构件通过某种方式结合在一起形成的一种新材料。
它们可以是两种不同的材料，也可以是相同材料的不同形式。
复合材料通常具有比单一材料更优越的性能，如高强度、高刚度、低密度、较好的耐热性和耐腐蚀性等。
复合效应在复合材料中，复合效应是指由于不同材料的结合而导致的材料性能的改变。
复合效应包括增强效应和效应协调两种。
增强效应是指由于复合材料中的材料的性能优于单一材料的性能而导致整体材料的性能提高。
效应协调是指复合材料中的各个构件相互协同工作以实现更好的性能表现。
复合材料中的界面在复合材料中，界面是指两个不同材料之间的接触面。
界面具有很重要的作用，它影响着复合材料的强度、韧性、耐热性等性能。
在复合材料的界面上，通常存在着一些缺陷，如界面反应、界面应力、界面位移等。
这些缺陷会导致界面的破坏，进而影响整体材料的性能。
影响界面性能的因素界面性能受到多种因素的影响，包括界面分子结构、界面化学键、界面热力学等。
界面分子结构是指两个不同材料之间的分子结构特征，它影响着界面的稳定性和结合力。
界面化学键是指两个不同材料之间的化学键，它影响着界面的强度和稳定性。
界面热力学是指界面上的热力学性质，包括界面能量和界面位移等，它们直接影响着界面的稳定性和性能。
界面改性技术为了改善复合材料中界面的性能，人们开发出了一系列的界面改性技术。
这些技术包括界面改性剂的添加、界面修饰、界面增强等。
界面改性剂是指一种具有特殊功能的材料，它可以在两个不同材料之间形成一层保护膜，从而减少界面的缺陷和提高界面的性能。
界面修饰是指通过改变界面的化学结构和物理性质来改善界面的性能。
界面增强是指通过增加界面的表面积和接触面来增强界面的粘结力和力学性能。
复合材料的界面及复合原则
体育器材领域
复合材料在体育器材领域的应用也十分广泛，主要应用于制造高性能的体育器材和装备。复合材料具 有轻质、高强度、抗冲击等优点，能够提高体育器材的性能和使用安全性。
例如，碳纤维复合材料可以用于制造高级自行车架、高尔夫球杆、滑雪板等体育器材，能够显著提高 器材的刚性和减震效果。同时，复合材料还可以用于制造运动鞋和运动服等装备，提高运动员的竞技 表现和舒适度。
向控制工艺。
03
复合材料结构的可设计性
提高复合材料结构的可设计性是实现其高性能的关键。通过发展先进的
计算设计和模拟技术，可以预测和控制复合材料的结构和性能，实现高
性能复合材料的快速研发。
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复合材料面临的挑战与解决方案
01
界面性能控制
复合材料的界面性能对其整体性能具有重要影响，但界面性能的调控仍
面临挑战。解决方案包括优化界面设计、改进制备工艺和引入新型界面
改性技术等。
02
增强材料的分散与取向
增强材料的分散和取向对复合材料的力学性能和功能性能有显著影响。
解决这一问题需要深入研究增强材料的物理和化学性质，优化分散和取
面能等因素。
提高界面粘附力的方法包括选择合适的粘合剂、对材料表面进
03
行预处理、优化复合工艺等。
界面稳定性
01
界面稳定性是指复合材料在长 期使用过程中保持其性能不变 的能力，它与材料的耐久性和 可靠性密切相关。
02
界面稳定性取决于组分之间的 化学键合、物理相互作用以及 环境因素如温度、湿度和化学 介质的影响。
复合材料的界面及复 合原则
目录
• 引言 • 复合材料的界面特性 • 复合原则 • 复合材料的应用 • 结论
复合材料原理
复合材料原理
复合材料原理是通过将两种或多种不同材料进行结合，使它们的优点相互补充，从而获得一种新的材料，具有独特的性能和特点。
其主要原理包括以下几个方面：
1. 分散增强原理：利用分散的微粒或纤维增强基体材料，使其具有更好的力学性能。
分散增强的目的是通过阻止开裂和延缓裂纹延伸来提高材料的韧性和耐久性。
2. 纤维增强原理：利用纤维材料的高强度、高模量等特点来增强基体材料。
纤维增强的目的是通过增加基体材料的刚度和
强度，提高整体结构的负载能力。
3. 颗粒增强原理：将颗粒状的材料分散在基体材料中，通过颗粒与颗粒之间的相互作用来增加材料的硬度、耐磨性等性能。
颗粒增强的目的是通过增加材料的硬度和韧性，提高材料的抗压能力和耐磨性。
4. 层合结构原理：将不同性能的材料以不同的层次堆叠在一起，形成层合结构。
通过层合结构的设计和优化，可以实现材料在不同方向上的特性调控，例如提高材料的弯曲刚度和抗拉强度。
5. 界面原理：通过设计和选择合适的界面材料和结构，使增强相与基体相之间能够良好结合，并保持界面的完整性。
界面原理的目的是提高复合材料的界面粘结强度、耐久性和热稳定性。
综上所述，复合材料原理的核心是通过合理选择和组合不同的
材料，利用它们各自的优点和相互作用，实现材料性能的综合改善。
这种原理的应用使得复合材料具有了很广泛的应用前景，在航空航天、汽车、建筑等领域都有着重要的应用价值。
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PEEK，聚醚醚酮，是一种耐 高温、耐化学试剂和强韧性 优异的特种高分子材料 ,已 在很多领域得到应用。
10
图3 Raman光谱仪及其获得的AS4碳纤维谱图
11
界面结合强度的表征
6
图1 纤维增强复合材料界面的扫描电镜照片（后者玻纤经稀酸处理）
7
图2 透射电子显微镜（TEM）及复合材料界面形态照片
8
表1 界面层厚度与CF/PMR-15的界面剪切强度的关系
碳纤维表面处理条件 未处理
界面相对厚度/nm 2.0~3.0
ILSS/MPa 41.4~42.7
空气等离子体处理
接枝NA酸酐
121.3
106.0
15
图5 纤维位移测试原理
16
声学显微镜C-SAM，也叫扫描声波显微镜、声扫描显微镜、扫 描声学显微镜或超声波扫描显微镜。 超声波在行经介质时，若遇到不同密度或弹性系数的物质时， 即会产生反射回波。 反射回波强度会因材料密度不同而有所差异，C-SAM即最利用 此特性来检出材料内部的缺陷，并依所接收讯号的变化成像。 只要被检测试样内部有脱层、气孔、裂缝…等缺陷时，即可由 C-SAM影像得知其相对位置。 不仅可以观察光学不透明材料的表面、亚表面的状态和性质， 而且可以观测材料内部的结构和性质，为非破坏性观察。
接枝NA酸酐
4.1~5.0
6.0~8.0
91.0~94.2
100.5~101.7
聚酰亚胺树脂PMR：①在宽广的温度范围内保持高的强度。②高的热稳定性和氧 化稳定性。③优良的磨蚀特性。④优良的电性能，在高温下电性能基本保持恒定。 ⑤具有自熄性能，发烟量小。 9
采用Raman光谱方法可以表征聚合物基复合材料的界面层 结构。
17
图6 声学显微镜及其原理
18
单纤维拔出测试法是增强纤维改性效果和复合材料界面质量评 价的重要手段。 纤维的埋置深度要合理，目前试样的制备过程还十分复杂。
图7 单纤维拔出测试法原理
19
通过声发射技术，确定复合材料中纤维的断裂位置，从而确定 纤维断裂段的长度。 复合材料的界面剪切强度τ可以表示为
复合材料界面强度的原位测定法 声显微技术 单纤维拔出测试法 声发射技术 扫描电镜下动态加载断裂测量 扭辨分析表征界面效应 宏观测试技术
12
界面脱粘方法在显微镜下采用金刚石探针对复合材料中选定的 单根纤维的端部施加轴向载荷，使该纤维在一定深度内与周围 基体脱粘。
记录发生脱粘时的压力Pd，建立以纤维中心为对称轴的纤维、基 体、复合材料的微观力学模型。
将被测样品制成5％～10％的溶液或将它 熔化，然后浸渍在一条由几千根单丝（通 常用玻璃纤维）编成的惰性辫子上，将溶
剂除去或使熔体凝固后，即得到由被测材 料和惰性辫子组成的复合试样。
可以在所有力学状态（玻璃态、橡胶态或 粘流态）下对材料进行试验。
24
图10 几种宏观测试方法
25
宏观实验得到的强度是界面、基体和增强体共同受力情况 下在材料最薄弱环节破坏时的强度。 所得到的强度还与增强体的体积分数、分布，增强体、宏观实验只能得到复合材料的总体强度，虽与复合材料的 界面结合强度有一定的联系，但无法得到独立的界面强度。
通过有限元分析，计算出无限靠近纤维表面的基体中的最大剪 切应力，即的出纤维与基体间的界面剪切强度。
13
图4 界面脱粘方法测试原理
14
表2 CF/PMR-15复合材料的性能
碳纤维表面处理条件 未处理 空气等离子体处理
界面剪切强度/MPa 43.5 54.3
层间剪切强度/MPa 50.1 62.7
τ=Kdσ/（2L）
式中， d为纤维的直径；σ为纤维的断裂强度；L为实际测量出的最小断 裂长度的平均值；K=0.75。
可以准确地测量纤维断裂总次数和纤维多次断裂数及断裂纤维 的长度，结合力学实验可以确定界面强度和纤维的断裂强度。
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21
图8 CF/PMR扫描电镜下动态拉伸照片
22
图9 SiCp/Al复合材料扫描电镜下动态拉伸照片
图21 聚焦离子束（FIB）照片（镁基BMG）
39
图22 聚焦离子束（FIB）照片（Ni3Al /5056 复合材料界面）
40
2.7 复合材料界面表征
界面形态及界面层结构的表征
界面结合强度的表征
界面残余应力的表征 增强体表面性能的表征
41
思考题
1、界面结合强度表征有哪些方法？你认为哪一种或哪几种 方法比较具有发展前途，为什么？ 2、你认为在复合材料界面结构与宏观力学性能之间关系的 研究还有哪些工作需要完善，有什么好的建议？
金属基复合材料的界面及其改性 方法 层状复合材料的界面
3
思考题
1、你认为铜-铝复合材料的界面结合存在哪些问题，如何加以 解决？ 2、陶瓷层状复合材料应用的最大障碍是什么，通过哪些技术 途径可以推动该类材料的应用？
界面金属间化合物、氧化，复合温度控制、气体保护等。
制备工艺复杂（烧结难）、成本高，烧结助剂、纳米粉体、 开发新工艺等。
复合材料原理
江苏大学材料学院
1
第二章 复合材料的复合原理及界面
2.1 复合原则 2.2 弥散增强及颗粒增强原理 2.3 单向连续纤维增强原理 2.4 短纤维增强原理 2.5 混杂增强原理 2.6 复合材料界面及其改性
2.7 复合材料界面表征
2
2.6 复合材料界面及其改性
界面的基本概念
聚合物基复合材料的界面改性
26
界面残余应力的表征
界面的残余应力的由来？
界面残余应力的表征是比较困难的，测量的方法主要有X射线 衍射法和中子衍射法。
由于中子源的限制，中子衍射法的应用还受到很大的限制。
X射线的穿透能力有限，X射线衍射法只能测定试样表面的残 余应力。
可以采用同步辐射连续X射线能量色散法测定复合材料界面附 近的应力和应变变化。 该方法兼有较好的穿透性和对残余应变梯度的高空间分辨率， 可以测量界面附近急剧变化的残余应力。
4
2.7 复合材料界面表征
界面形态及界面层结构的表征
界面结合强度的表征
界面残余应力的表征 增强体表面性能的表征
5
界面形态及界面层结构的表征
界面层厚度与形态受增强体表面性质、基体材料的组成及 性质等的影响。 界面的不同形态是界面微结构变化的反映，也与复合材料 的宏观力学性能存在密切的联系。 通过计算机图像处理，可以直观地反映不同界面的形态， 相对测量出界面的厚度，并与复合材料的性能建立相应的 联系。 透射电镜（TEM）照片，经过图像处理可以获得层次清晰、 直观的界面信息。
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扭辫分析(torsional braid analysis)
测量物质在扭转振动负荷下的动态模量及力学损耗与温度关系的技术，使用样 品最少、测量灵敏度高。 支撑体辫子的表面为惰性时不会影响测量结果，但是当表面对被测物表现出活 性时则会影响测试结果。 适用于高分子材料及聚合物基复合材料，可反映界面结合情况。
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32
图15 X光电子能谱仪
33
图16 扫描隧道显微镜及其原理
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图17 扫描隧道显微镜照(48个铜原子）
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图18 原子力显微镜及其原理
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Tapping mode
Contact mode
图19 原子力显微镜照片（AS4/VRM34复合材料）
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图20 聚焦离子束（FIB）分析仪
38
27
图11 X 射线衍射仪及残余应力测量原理
28
图12 TiC/Ti复合材料的X射线衍射谱
29
图13 同步辐射装置照片
30
图14 同步辐射连续X射线能量色散法原理
31
增强体表面性能的表征
增强体的表面直接关系到复合材料的界面，因此对增强体 表面进行表征非常必要。 通过X光电子能谱（XPS），可以为增强材料表面改性前 后的组成、结构和性能变化以及表面改性机理的研究提供 科学手段。 扫描隧道显微镜（STM）可以得到实际空间的真实像，制 样简单，并可以在大气条件下直接观测，但样品需要导电。 表面力显微镜（IFM）即扫描探测显微镜，可以直接测试 亚接触和接触间力的信息。