复合材料的界面及界面优化

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1、第三章复合材料的界面及界面优化2011.03.08目标与要求掌握界面定义、组成掌握界面的作用掌握界面理论掌握界面设计方法了解界面表征方法一、复合材料的界面复合材料的界面是指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。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界面特点性能和结构上不同于基体和增强材料具有一定的厚度连接基体与增强体材料能够传递载荷(1)传递效应界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。(2)阻断效应结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力

2、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性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。二、界面的效应（1）二、界面的效应（2）(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、耐机械冲击及耐热冲击性等。(5)诱导效应一种物质(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由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等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

3、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。界面结合较差，增强体不能发挥作用；界面结合过强，材料破坏过程的裂纹容易扩展到界面，直接冲击增强体则呈脆性断裂。最佳状态的界面，裂纹沿界面扩展形成曲折的路径耗散较多的能量，即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。研究和设计界面时，不应只追求界面结合强度而应考虑到复合材料综合力学性能。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。三、界面理论(1)机械结合基体与增强材料之间不发生化学反应，靠纤

4、维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。在钢筋与混凝土之间的界面上会产生剪应力，为此，在预应力钢筋的表面带有螺纹状突起。表面越粗糙，互锁作用越强，机械粘结作用越有效。但表面积随着粗糙度增大而增大，其中有相当多的孔穴，粘度大的液体是无法流入。造成界面脱粘的缺陷，而且也形成了应力集中点，影响界面结合。金属基体复合材料和陶瓷复合材料有这类结合方式在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很难遇到，往往是机械粘结作用与其它粘结机理共同起作用。三、界面理论(2)溶解和润湿结合主要是聚合物基体复合材料的结合形式。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶解，即物理和化学吸附作用。界面是溶质原子的过渡

5、带。浸润性是表示液体在固体表面上铺展的程度。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。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。润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条件在制备聚合物基复合材料时，树脂对增强材料的浸润性是指树脂能否均匀地分布在增强材科的周围，这是树脂与增强材料能否形成良好粘结的重要前提。在制备金属基复合材料时，液态金属对增强材料的浸润性，则直接影响到界面粘结强度。如W/Cu、W/Ni、C/Ni、BN/ZrO2的复合体系三、界面理论(3)化学

6、结合是指增强材料表面与基体表面发生化学反应，以化学键连接基体和增强体。从理论上可以获得较强的界面粘结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/铝材料在

7、界面生成Al4C3脆性层三、界面理论(4)复合材料的基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，按照Arrhenius