第五章有机-无机复合材料中的界面第一讲

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有机功能性无机复合材料资料

研读报告/文献综述1、有机/功能性无机复合材料界面改性及性能特点研究Interface characterization and preparation of organic——inorganic composites2、有机一无机复合材料的制备与界面特性3、（无机粒子填充型）导热绝缘复合材料（ZnO、Al）4、高导热先进复合材料设计制备、应用研究5、无机粒子改性聚丙烯材料以聚丙烯(PP)为基体，四针状氧化锌晶须(T-ZnO(下标w))为导热填料，用双螺杆挤出机制备导热绝缘的T-ZnO(下标w)/PP复合材料。

在w(T-ZnO(下标w))为0~30%的范围内，探讨了T-ZnO(下标w)的用量对T-ZnO(下标w)/PP复合材料的热导率(λ)、体积电阻率(ρ(下标v))、力学性能和加工性能的影响。

结果表明，随T-ZnO(下标w)用量的增加，T-ZnO(下标w)/PP复合材料的热导率提高，体积电阻率下降；材料的拉伸强度、弯曲强度以及冲击强度均随T-ZnO(下标w)用量的增加呈先增大后减小的趋势，而熔体流动速率则呈增大趋势。

当T-ZnO(下标w)用量达30%时，材料的热导率达到最大值0.3803 W•(m•K)^(-1)，比纯PP提高了55.9%；体积电阻率达到最小值6.17×1016Ω•cm，比纯PP降低了64.5%，仍可满足绝缘材料的要求。

对其断面结构的观察表明，T-ZnO(下标w)的针状结构有利于在PP基体中形成导热通路，从而提高材料的热导率。

Thermally conductive and electric-insulating polypropylene (PP) composites were prepared with a twin-screw extruder using tetrapod zinc oxide whisker (T-ZnO(subscript w)) as thermal conductive filler. The effects of T-ZnO(subscript w) content on the thermal conductivity (λ), volume resistivity (ρv), mechanical properties a nd processability of the T-ZnO(subscript w)/PP composites were investigated within the range of T-ZnO(subscript w) content from 0 to 30%. The results indicate that as the content of T-ZnO(subscript w) increases, the thermal conductivity of the T-ZnO(subscriptw)/PP composites increases while the volume resistivity decrease; besides, the tensile, flexural and impact strength of the T-ZnO(subscript w)/PP composites exhibit a tendency to increase firstly and then decrease, and the melt flow rate exhibit a tendency to increase. The T-ZnO(subscript w)/PP composite filled with 30% of T-ZnO(subscript w) possesses the maximum thermal conductivity and the minimum volume resistivity. The former is 0.3803 W•(m•K)^(-1), which is 55.9% higher than that of pure PP; and the latter is 6.17×1016 Ω•cm, which is 64.5% lower than that of pure PP but meets the requirements for electric-insulating materials. The observations of the fracture surfaces theT-ZnO(subscript w)/PP composites by means of SEM show that the tetrapod structure of T-ZnO(subscript w) is favorable to the formation of passage for heat conduction, thus increasing the thermal conductivity of composites.PP/滑石粉导热绝缘复合材料的制备与性能研究采用聚丙烯(PP)为基体,不同粒径滑石粉为填料,通过双螺杆挤出机挤出制备导热绝缘的PP/滑石粉复合材料。

第一章复合材料的概念、分类及讲义其发展历程

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《材料大辞典》中关于复合材料的定义为：复合材料是根据应用的需要进行设计，把两种以上的有机聚合物材料，或无机非金属材料，或金属材料组合在一起，使之互补性能优势，从而制成的一类新型材料。一般由基体组元与增强材料或功能体组元所组成，因此亦属于多相材料范畴。
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根据《材料大辞典》中关于复合材料的定义可以看出,复合材料具有两个鲜明的特点: １、复合材料不仅能保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不具备的新性能。２、复合材料具有可设计性。由于各种原材料都具有各自的优点和缺点，所以在组合时可能出现如下图所示的结果。
7
偏重于考虑复合后材料的性能诸如（１）复合材料是由两种或更多的组分材料结合在一起，复合后的整体性能应超过组分材料，保留了所期望的性能(高强度、刚度、轻的重量)，抑制了所不期望的特性(低延性)。
8
（２）复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何单一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料，以物理形式结合而成的。
13
以下面五点概括了复合材料的特点： 1、复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的； 2、复合材料是以人工制造而非天然形成的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）；
14
3、组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金）； 4、复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的； 5、复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。
精品
第一章复合材料的概念、分类及其发展历程
主要参考资料
1、现代复合材料----陈华辉邓海金李明（中国物质出版社,1998） 2、复合材料概论----王荣国武卫莉（哈尔滨工业大学出版社,1999） 3、复合材料--------吴人洁（天津大学出版社,2000） 5、复合材料及其应用—尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社,2003） 6、高性能复合材料学---郝元恺,肖加余 (化学工业出版社,2004) 7、先进复合材料----鲁云朱世杰马鸣图（机械工业已出版社,2004） 8、复合材料--------周曦亚（化学工业出版社,2005）

复合材料的定义和分类

0%
1970 1980 1990 2000 2010
EF-2000 高至40%
航空航天
F35 35%
用量成为军机先进性重要标志
阵风 30% F16 2% F22 24%
F/A18 12%
复合材料在阵风上的应用（黑体部位）
EF 2000飞机结构示图
F-22战斗机上复合材料的应用
B-2飞机的整个机身，除主梁和发动机机舱使用的是钛复合材料外，其它部分均由碳纤维和石墨等复合材料构成，不易反射雷达波。并且这些不同的复合材料经共固化而成。
（2）抗疲劳性好 • 疲劳破坏：材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩
展而造成的低应力破坏。
• •
金属材料：抗疲劳性差，没有明显的预兆的突发性破坏。裂纹一旦达到临界尺寸就突然断裂，其疲劳强度极限是其抗拉强度的30－50％。纤维复合材料：其抗疲劳破坏是从纤维的薄弱环节开始，逐步扩展到界面上，纤维复合材料中存在着难于计数的纤维/树脂界面，这些界面能阻止裂纹进一步扩展，从而推迟疲劳破坏的发生。破坏前有明显的前兆。纤维复合材料的拉／压疲劳极限值达到静载荷的70－80%。
公元前3000年前，印度人用虫胶树脂制作复合板
我国在封建时代故宫的建造中所使用了粘合剂
茅草和泥土的复合－建造房子
复合材料的发展有三个过程
复合材料作为一门学科，作为一种新兴的材料工业，直到本世纪末40年代才出现。 1940—1960 称为第一代。Glass fibers 增强塑料即玻璃钢，同时复合材料的特点
（3）减振能力好
• 受力构件的自振频率正比于比模量的平方根。 • 因此，纤维复合材料的比模量大，自振频率高， •
•
在通常加载速度或频率下不容易因共振而快速脆断。同时，复合材料中的界面对振动产生的能量有反射和吸收作用，故复合材料振动阻尼强。例如，在同样条件下产生的振动，轻合金需9秒才停止，而碳纤维复合材料只需2－3秒停下。

复合材料概念

复合材料概念时磊论呎―1 总论 1 1）复合材料概念、命名、分类及其基本性能。

概念：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。

命名：将增强材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，再加上复合材料”。

f 连续纤维复合材料按増强材料形态＜短纤錐复合材料粒状填料貝合材料I 编织复合材料「玻謫纤维复合材料碳纤维复合材料按瞄强纤维种类｛有机纤维复命材料金属纤维复合材料 J 帥瓷纤维复合材料［聚合物基复合材料按基体材料｛金属基以合材料［无机非金属基复合材料基本性能：可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。

可按对材料性能的需要进行材料的设计和制备。

可制成所需的任意形状的产品。

性能的可设计性是复合材料的最大特点。

2 2）聚合物基复合材料的主要性能比强度、比模量大；耐疲劳性能好；减震性好；过载时安全性好；具有多种功能性；有很好的加工工艺性。

3 3）金属基复合材料的主要性能高比强度、高比模量；导热、导电性能好；热膨胀系数小、尺寸稳定性好；良好的高温性能；耐磨性好；良好的疲劳性能和断裂韧性；不吸潮、不老化、气密性好。

4 4）陶瓷基复合材料的主要性能强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和相对密度较小5 5）复合材料的三个结构层次按材料作用 J结构刼合材料 1 功能复合材料时磊 5 说-一次结构：由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组份材料的力学性能、相几何和界面区的性能。

二次结构：单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何。

三次结构：工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。

6 6）复合材料设计的三个层次单层材料设计：包括正确选择增强材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板的性能。

铺层设计：包括对铺层材料的铺层方案做出合理安排，该层次决定层合板的性能。

《无机复合材料及工艺》第二章——增强材料

3、碳纤维（Carbon fiber） (1)、引言
碳纤维属于高新技术产品，它不仅具有炭素材料的特性，如质量轻，强度高，耐热，耐腐蚀，还具有金属材料的某些特性，具有良好的导电和导热性，在各类复合材料（PMC、MMC、CMC和C/C）中得到广泛应用。碳纤维增强复合材料广泛应用于航空航天、军事、交通运输、机械制造、电子工业、体育用品、建筑材料（修补）、生物材料、医疗器具等各行各业。碳纤维的大量和广泛应用与其价格的不断降低有关。随着碳纤维的生产规模的扩大、其价格由原来的数千元/kg，降至数百元/kg。碳纤维与玻璃纤维一样，可以进行编织成各种碳纤维布，或制成碳纤维毡使用。
（4）玻璃纤维的特性和应用
特性：
典型性能：密度：2.4～2.8 g/cm3 抗拉强度：3～4.6 GPa（为高强度钢的2～3倍）弹性模量：70～110 GPa（与铝和钛合金模量相当）比强度为：12.5～18.4×106 cm（为高强度钢的6～10倍）比模量为：2.8～4.0×107 cm（略高于高强度钢）不燃、不腐、耐热、高拉伸强度、小断裂延伸率、化学稳定性好、电绝缘性能好；但不耐磨、脆而易折。可加工成纱、布、带、毡等形状；可作为有机高聚物基或无机非金属材料（如水泥）复合材料的增强材料。
对结构复合材料而言，首先考虑的是增强材料的强度、模量和密度。其与基体物理及化学相容性主要反映界面作用和影响。
二、纤维（fiber）
直径细到几微米或几十微米，而长度比直径大许多倍的材料。其长径比（aspect ratio)一般大于1000。作为增强材料使用时，纤维一般都具有高模量、高强度。大多数是有机高分子纤维，也有无机纤维和金属纤维。重点介绍：
(2)、碳纤维分类

有机—无机纳米复合材料研究进展

—
１１．．溶胶一凝胶法
度和折射率稍有降低，但是增加的弹性却为加工和机械处理
提供了方便。１．．．４有机相与无机相同步形成互穿网络１Ｎｏａ等【发明了一种有趣的方法来形成有机．ｖｋ８】无机互穿
聚合物可以在缩合和干燥的过程中，均匀地包埋于通过溶胶网络。除了传统的自由基路线，他以溶液开环复合分解聚合凝胶过程得到的二氧化硅网络中。带有碱性官能团的聚合物作为有机聚合的方法。该反应同溶胶—凝胶反应所限制的
１１．合成不收缩的胶体．．５
１１．无机溶胶与有机聚合物共混．２．这种方法首先采用金属醇盐水解，再对水解产物进行胶会引起收缩，从而引进了相当大的应力，阻碍材料在某些方
以上各种方法都存在一个共同的特点，就是在制凝胶的干燥过程中，因无机溶胶形成中释放出的水和醇类等的蒸发
物如胺类和吡啶类等物质，在酸的催化下，可以溶于形成凝乙烯基吡啶）、聚丙烯氰在用有机酸作共溶剂的条件下可以
反应条件一致。电子显微镜的研究显示，与预先形成的聚合胶前的溶胶— 凝胶溶液中。聚（一乙烯基吡啶）２、聚（一物组成到无机相中而得到的复合物相比，形成有机一无机互４
成的，且两相界面存在着较强或较弱化学键。其中有机相可
早在１８年，Ｓｈｄ就用三乙氧基硅烷ＲＳ（Ｒ）９４ｃｍｉｔ／ｉ３Ｏ作为以是塑料、尼龙、有机玻璃或橡胶等；无机相可以是金属、反应前体（中是可以聚合的有机官能团，如环氧官能其氧化物、陶瓷或半导体等。复合后将会获得集无机、有机及团），通过光化学处理或热处理，使有机网络在已形成的无纳米粒子的诸多特性于一身的具有许多特异性质的新材料。机网络中形成，从而得到有机—无机复合物【。Ｓｈｄ首先ｃｍｉｔ１．有机一无机纳米复合材料的制备方法通过３ —缩水甘油丙基醚三甲氧基硅烷与５％～２％（ｏ％）Ｏｔ１ｏ的钛醇盐共缩合合成￣ＴＯ２ｉ２＇ｉ／Ｏ环氧化物复合材料。Ｓ该复合溶胶一凝胶法除了制备氧化物Ｉ—－ｌ半导体纳米材材料具有优异的透明性、硬度和可润湿性，但也表现出了相ＩＶ族料及无机纳米复合材料外，还可用来制备有机—无机纳米复对低的强度（拉伸强度约为２ＭＰ）及脆性（￣３ａ弹性模量约合材料【。此法可具体归纳为五个方面。３，们为３０ＭＰ）００ａ。为了提高物质的机械性能，通过甲基丙烯酸酯１．．．１有机聚合物存在下形成无机相１单体在已形成的无机网络中聚合而被引入到复合物中。有机有机一无机纳米复合材料最直接的合成路线就是将有相与无机相间的交联键通过具有三甲氧基硅烷基的甲基丙机聚合物溶解于合适的共溶剂中，由此制备溶胶，以进一步烯酸酯单体而引入。该复合物的拉伸强度比不含有ＰＭＭＡ的凝胶化形成无机相，制得有机一无机纳米复合材料。在复合ＴＯ２ｉ２ｉ／Ｏ复合物提高了４％，弹性模量没什么变化。虽然强Ｓ０材料中，聚合物与无机网络间既可以是简单的包埋，也可以是化学键搭接。用此法进行材料的合成过程中，关键是选择共溶剂。Ｎｏａ等人已经找到一些可溶性聚合物（ｖｋ如聚丙烯氰）．此类

生物医用复合材料-PPT

骨结合强度
15.5 6 约 10
6
约2 6
16
1、HA-ZrO2复合材料
– 烧结温度增加，抗折强度和断裂韧性都增加
例：添加50% TZ-3YZrO2，烧结
烧结温度
抗折强度MPa 断裂韧性MPa•m1/2
1200OC
180
1.1
1350-
310
2.6
1400OC
1400OC
400
2.8-3.0
例：添加50% ZrO2，1400OC烧结，
1.1±0.1 2.8±0.2 2.9±0.1
6.05 6.08 910 >5 5.64 5.64 860 4.6±0.3
3.97 3.98 577 4.4±0.2 3.75 3.77 532 4.0±0.4
70-100 2.8-1.2
弹性模量
100±10 270±12 238±10
210
385
8-17
混合结合：
–是实际的复合材料中最普遍的结合形式
10
第一节生物无机与无机复合材料
以氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、生物玻璃、生物玻璃陶瓷、羟基磷灰石、磷酸钙等材料为基体，
引入颗粒、晶片、晶须或纤维等增强体。
一、生物陶瓷与生物陶瓷复合材料二、生物陶瓷与生物玻璃复合材料三、生物活性涂层无机复合材料
材料
抗压强度 MPa
弹性模量 GPa
HA-ZrO2
1400
126
HA
780
107
17
2、TCP- ZrO2复合材料
–抗弯强度随ZrO2含量增加而增加
抗折强度MPa
断裂韧性 MPa•m1/2
TCP-67%Z6Y

复合材料2

第1章绪论1.复合材料的定义(Composition Materials , Composite)复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。

复合材料=基体(连续相)+增强材料(分散相)分散相是以独立形态分布在整个连续相中，两相之间存在着相界面。

分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒或弥散的填料。

2.复合材料常见分类方法：1）按性能分：常用复合材料、先进复合材料2）按用途分：结构复合材料、功能复合材料3）按复合方式分：宏观复合、微观复合4）按基体材料分：聚合物基、金属基、无机非金属基5）按增强体形式分：纤维增强复合材料、颗粒增强、片材增强、叠层复合3.复合材料在结构设计过程中的结构层次分几类，各表示什么？在结构设计过程中的设计层次如何，各包括哪些内容？三个结构层次: 一次结构——单层材料——微观力学一次结构二次结构——层合体——宏观力学二次结构三次结构——产品结构——结构力学三次结构设计层次：单层材料设计、铺层设计、结构设计4.复合材料力学主要是在单层板和层合板这两个结构层次上展开的，其研究内容分为微观力学和宏观力学两部分。

第2章复合材料界面和优化设计1.复合材料是由两种或两种以上不同物理、化学性质的物质以微观或宏观形式复合而成的多相材料。

2.复合材料界面机能：1）传递效应：基体可通过界面将外力传递给增强物，起到基体与增强体之间的桥梁作用2）阻断效应：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3）不连续效应：在界面上产生物理性能不连续性和界面摩擦现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性等4）散热和吸收效应：5）诱导效应3.界面效应既与界面结合状态、形态和物理、化学性质等相关，也与界面两边组元材料的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。

4.聚合物基复合材料是由增强体与聚合物基体复合而形成的材料。

聚合物基复合材料分类：热塑性、热固性聚合物基复合材料。

热塑性聚合物基复合材料成型两个阶段：①熔体与增强体之间接触和润湿②复合后体系冷却凝固成型。

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偏重于考虑复合后材料的性能诸如（１）复合材料是由两种或更多的组分材料结合在一起，复合后的整体性能应超过组分材料，保留了所期望的性能(高强度、刚度、轻的重量)，抑制了所不期望的特性(低延性)。
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（２）复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何单一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料，以物理形式结合而成的。
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偏重于考虑复合材料的结构，诸如：（１）复合材料是两种或多种材料在宏观尺度上组合而成的
一种有用的材料。（２）复合材料就是两种或两种以上的不同化学性质或不同
组织相的物质，以微观或宏观的形式组合而成的材料。（３）复合材料是不同于合金的一种材料，在合金中，每一
种组分都保留着它们独立的特性，而构成复合材料时，仅取它们的优点而避开其缺点，从而获得一种改善了的材料。
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吴人洁教授“在复合材料的未来发展”一文中指出：复合材料将由宏观复合形式向微观(细观)复合形式发展。微观复合材料包括：均质材料在加工过程中内部析出的增强相和剩余的基体相构成的原位复合材料或纤维增强复合材料，也包括用纳米级增强体的复合材料以及刚强棒状分子增强的分子复合材料等。
综上所述，复合材料定义所阐述的主要有两点，即组成规律和性能持征。
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从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同化学性质的组分组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指由两种或两种以上不同相态用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。
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国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料。《材料科学技术百科全书》中关于复合材料的定义如下：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优越的性能，与一般材料的简便混合有本质区别。

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安远炮台始建于清光绪十年（1884年）中法战争镇海役之前，安远炮台为黄泥、沙、石灰、和糯米的混合物夯实而成，极坚固。
复合材料的定义
关于复合材料的定义人们说法不同。有人说“复合材料是由两种或者两种以上单一材料构成的具有一些新性能的材料”，这种解释虽容易被人理解，但从科学的角度来看，
尚不完善，也不够确切。
(3)散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生的散射和吸收，加透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性等。
(4)感应效应在界面产生的感应效应，特别是应变、内部应力和由此而引起的现象，如弹性、热膨胀性、抗冲击性和耐热性的改变等。感应(或诱导)可以是一种物质(通常是增强物)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出了诱导作用而改变。
thermosetting 酚醛树脂 phenolic resin 热固性树脂
（重要）
不饱和树脂 unsaturated resin etc.
聚合物基CM thermoplastic 热塑性树脂
金属基CM Al、Mg、Ti
聚烯烃： PE、PP、Polyolefin
Polyamide
Polycarbonate
我国在封建时代故宫的建造中所使用了粘合剂
茅草和泥土的复合－建造房子
紫金山庄稻草裹水泥制盖板负责人称是竹篾环保型
安远炮台
120多年前，清朝军队在镇海大战 103天，击败了入侵法军，取得中法战争期间(1883年12 月至1885年4月)海岸保卫战的首次胜利。法远东舰队司令孤拔此役受重伤！
传统颗粒增强复合材料的粒子要求
1.粒子的尺寸为1~50 μm以下。其它参数粒子间距为1~25μm，体积分数为0.05~0.5。 2.粒子具有亲水表现粒子的极性 3.粒子的化学成分、制备方法、晶型、颗粒形状、粒度分布、比表面积、表面结构、杂质含量
填料有碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐、碳素和金属粒子等等。
功能复合材料
特点：以功能性为主导，如电学、磁学、光学、热学、放射等性能
连续纤维复合材料
缠绕复合材料
短纤维复合材料
粒状填充
复合材料
SiC颗粒
按增强材料的形态分类
编织复合材料
片状填充复合材料
Al2O3片
Al2O3纤维
增强相三种类型
按基体分类
高分子CM 金属CM 陶瓷 CM
同质物质 CM
W = p[3 gl (1-cos)2 /4R- R(2p - l)g] R 很小时，第二项可以不计；粒子进入液体的难易与、 gl 有关; p:粒子
密度； l：液体密度
4.粒子增强原理 Particulate Composites
（1）无机纳米粒子作为聚合物分子链的铰链点，对复合材料的抗拉强度有贡献（2）无机纳米粒子具有能量传递效应，使基体树脂裂纹扩展受阻和钝化，以免被破坏（3）无机纳米粒子具有应力集中与应力辐射的平衡效应（4）无机纳米粒子使用过多，使复合材料应力集中明显而易于宏观开裂，使材料性能下降
O
O
M
M
M
无机表面
HH
5.1. 3 复合材料界面理论
(1)化学键理论(chemical bonding theory) (2)浸润理论(wettability theory)
3)极性理论
(4)酸碱理论(acidity-alkality theory) (5)扩散层理论(diffusion layer theory) (6)变形层理论(deformable layer theory)
当纳米粒子浸入液体中，由于纳米粒子的表面能大，容易产生润湿效应。这种润湿效应实质是纳
米粒子固气界面消失，固液界面形成过程：体系自由能变化为：G = sl - sv
R
粒子进入液体能量变化模型
在不考虑粒子的重力、进入液体的浮力及阻力，仅仅考虑界面能的影响，根据润湿理论，粒子进入液体能垒为：
基体材料和增强材料
复合材料中存在两种或者两种以上的物理相，可以是连续的，也可以是不连续的。
其中连续的物理相称之为基体材料，而不连续的物理相以独立的形式分散在连续的基体中，即分散相。
如果它对材料起到增强作用，则称增强材料
现代增强材料也有连续的情况，例如三维编织用于复合材料的增强材料。
复合材料
2004年全世界复合材料产量为550万吨，中国位居世界第二，为102万吨。专家预测，到2010年中国复合材料产量将翻两番，达到400多万吨，从业人员将达到40多万，需要大量高层次人才。 2011实际产量381 万吨。
纤维增强高分子复合材料
5.2 粒状增强型复合材料
1、粒子增强复合材料
粒子增强复合材料是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)。
这种复合材料是各向同性的。
卫星用颗粒增强铝基复合材料零件
高分子聚合物
无机填料粒子
界面区域 2. 粒子与高分子聚合物的界面模型
3. 纳米粉体分散：纳米粒子团聚体分散成单个纳米粒子的过程
(7)约束层理论(restrictive layer theory)
(2)浸润理论(wettability theory)
基体在增强剂表面良好浸润将导致增强剂和基体的界面粘接强度大于基体的内聚强度，否则因浸润不良将在界面产生空隙，在受力时导致应集中，发生破坏。将杜普雷(Dupre)公式代人Young方程可以对基体在增强剂表面的浸润程度进行判断。
1940—1960 称为第一代。Glass fibers 增强塑料即玻璃钢，同时出现了硼纤维和CFRP。
1960—1980 称为第二代。出现了KFRP、SiC纤维增强塑料、Al2O3金属纤维增强塑料。此间是先进复合材料的开发时期。
复合材料的发展的三个过程
1980—2000 是先进复合材料得到充分发展的时期，称为第三代。在航空航天各领域得到了迅速的发展，并在各个领域得到应用，同时出现了纤维增强金属、纳米材料作为分散相等复合材料。
耐热性能和耐介质性能等都与基体有着密切关系
增强材料作用：
1）增强增韧； 2）提高使用温度； 3）提高耐磨性能； 4）提高其光电功能性能等
界面
在复合材料的两种组成部分中，即在基体和增强材料存在着一个界面，界面则对复合材料的性质起到非常重要的作用。
界面定义：基体与增强物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。
G* ＝ vl R2(1-cos)2
自发进入液体的热力学条件：润湿角为零对于纳米粒子增强的有机聚合物材料，一般存在一定的润湿关系
纳米粒子之间的作用能很大，需要外界提供足够的能量才能使粒子进入液体，假设粒子的浓度为 p, 不考虑粒子进入液体引起体密度变化，则所有粒子完全进入液体形成单位体积混合体系需要外力的功为：
复合材料界面微观结构和性能特征
（界面热应力效应；界面化学反应和界面结晶效应引起的应力效应
几何结构
宏观性能
力学性能（拉、压、扭、弯、冲、温湿效应剪)
物理功能（电、光、磁、声、生物效应
应用效能
结构复合材料
结构－功能复合材料
功能材料
复合材料界面工程示意图
复合材料的发展有三个过程
复合材料作为一门学科，作为一种新兴的材料工业，直到本世纪末40年代才出现。
聚苯硫醚
聚砜
PEEK
etc.
陶瓷基 Al2O3、SiO2、SiC Carbon Matrix 玻璃、水泥、石灰
基体的作用
基体通过界面和纤维成为一个整体
1. 以剪应力的形式向增强体传递载荷； 2. 保护增强体免受外界环境的化学作用和物理损伤； 3. 基体像隔膜一样将增强体彼此隔开。 4. 复合材料的横向拉伸性能、压缩性能、减切性能、
界面化学、扩散效应层理论
化学键连接界面
扩散界面层
M — O — Si — 无 M — O — Si — 机 M — O — Si — 介 M — O — Si — 质
M — O — Si — M — O — Si —
——偶联剂
——高聚物
1.1.4. 复合材料的分类
按材料作用分类
结构复合材料
特点：具有良好的力学性能，用于建造和构造结构的材料
最具有说服力的定义是 ISO（International Organization for Standandization），即 “复合材料是由两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。”
宏观因素控制
微观结构设计
无机相
有机相
颗粒特性/团簇树脂基体特性复合工艺条件环境条件
J/m2； 1p
、

p 2
、

d 1
、

d 2
—分别为聚合物和增强剂或填充剂的表面张力的极性部分和非极性部分，
J/m2。
几何平均方程较适合聚合物和高表面能物质复合体系，如聚合物和金属或无机物复合体系；调和平均方程较适合聚合物和低表面能物质，如聚合物和聚合物或有机物复合体系。
从上述两方程可见，通过界面改性使得增强剂或填充剂和基体的表面张力的极性部分和非极性部分都相近，则趋于零，复合体系的相容性最佳。
第五章有机-无机复合材料中的界面
Organic-inorganic Composite Materials 参考书：《纳米复合材料》徐国财主编，化学工业出版社
2002年
1.1. 复合材料概述
公元前5000年，中东人用沥青和芦苇复合在一起用来造船
公元前3000年前，印度人用虫胶树脂制作复合板
增强材料界面基体