复合材料表面结构

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1、复合材料界面性能与作用机理—、复合材料界面复合材料的界面是指基休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，约儿个纳米到儿个微米。1•界面效应界而是复合材料的特征，可将界而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，起到基休和增强相之间的桥梁作用。（2）阻断效应：基体和增强相Z间结合力适当的界而冇阻止裂纹扩展、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的不连续忤•和界面摩擦岀现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性和磁场尺寸稳定性等。（4）散射和吸收效应：

2、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。（5）诱导效应：一种物质（通常是增强剂）的表而结构使另一种（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。界而效应是任何一种单一材料所没冇的特性，它对复合材料具有重要的作用。2.界面的结合状态和强度界而的结合状态和强度对复合材料的性能冇重要影响。对于每一种复合材料都要求有合适的界面结合强度。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、纤维拔岀、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

3、合材料的整体性能。界而最住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。二、复合材料组分的相容性1•物理相容性（1）基休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。(3)基体与增强和热膨胀系数的弄界对复合材料的界面结合及各类性能产牛重要的影响。对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因为热膨胀系数较高的和，从较高的加工温度冷却时将受到张应力；对于脆性材料的增强相，一般都是抗压強度大于抗拉強度，处于压缩状

4、态比较有利。而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和井太大。2.化学相容性：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，化学和容性要严重得多。三、复合材料的界面理论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。润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条件。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。尽管表面积随着粗糙度增大而增大，但其中有相当多的孔穴，粘稠的液体是无法流入的。无法流入液体的孔不仅造成界面脱粘的缺陷，而口也形成了应力集

5、中点。3•静电理论：当复合材料不同组分表而带冇异性电荷时，将发生静电吸引。仅在原子尺度量级内静电作用力才有效。4•化学键理论：在复合材料组分Z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・220J/mol)。5.界面反应或界面扩散理论在复合材料组分Z间发生原了或分了间的扩散或反应，从而形成反应结合或扩散结合。界面残余应力及其表征(1)界面残余应力复合材料成型后，由于基体的固化或凝固发生体积收缩或膨胀(通常为收缩)，而增强体则体积相对稳定使界面产生内应力，同时又因增强体与基体之间存在热膨胀系数的差界,在不同环境温度下界面产生热应力。这两种应力的加和总称为界面残余

6、应力。1)界面残余应力可以通过对复合材料进行热处理，使界面松弛而降低，但受界面结合强度的控制，在界面结合很强的情况下效果不明显。2)界面残余应力的存在对复合材料的力学性能有影响，其利弊与加载方向和复合材料残余应力的状态有关。已经发现，由于复合材料界面存在残余应力使之拉伸与压缩性能有明显差异。