复合材料的界面理论和界面控制

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1、4复合材料的界面理论和界面控制本章要求了解复合材料界面的基本概念和界面结合类型；了解聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料的界面特征、界面要求及界面控制方法。了解复合材料界面性能的表征方法。4复合材料的界面理论4.1复合材料界面的基本概念4.2界面结合类型和界面模型4.3对界面的要求4.4聚合物基复合材料的界面及优化4.5金属基复合材料的界面及优化4.6陶瓷基复合材料界面及优化4.7复合材料界面性能的表征4.1复合材料界面的基本概念4.1.1界面定义4.1.2润湿与结合4.1.3复合材料中纤维与基体的界面相容性国防科技大学航天与材料工程学院4.1.1界面定义4.1.1.1定义

2、4.1.1.2原子配位的概念4.1.1.3复合材料中纤维与基体的界面4.1.1.1定义可以把任何两相（如纤维与基体）之间某种材料特性出现不连续性的区域叫做界面。这种不连续性可能是陡变的，也可能是渐变的。很显然，一个给定的界面，其所涉及的材料特性不连续性可以是一个也可以是几个。一般，界面在本质上是一个两维区域。元素的浓度（concentrationofanelement）晶体结构（crystalstructure）原子的配位（atomicregistry）弹性模量（elasticmodulus）密度（density）热膨胀系数（coefficientofthermalex

3、pansion）★材料的特性包括：4.1.1.2原子配位的概念上述大多数物理、化学或力学的不连续性都能够自释，而原子配位的概念还需要进一步详细说明。根据界面处原子配位的类型，可以将界面分为：共格界面半共格界面非共格界面共格界面定义：界面处的原子属于两部分晶体所共有，即在界面两侧，原子位置之间存在一一对应的关系。如图4-1(a)所示。一般除孪晶（twin）外，晶体之间很难出现这种理想的原子配位（即界面没有变形，界面能接近于零）。共格界面的界面能比较低。（1）共格界面（coherentinterface）在大多数情况下，界面两侧的晶格常数不相等（即a≠a），共格界面处总

4、是存在一定程度的弹性变形。如图4-1(b)所示。（111）(a)(b)图4-1共格界面的两种情况（a）共格孪晶界面；（b）一般共格界面a

5、原子排列与相邻晶体（和）的结构均不相同，与相邻晶粒结构也可能不相同。如图4-3所示。4.1.1.3复合材料中纤维与基体的界面界面形貌纤维与基体之间的界面是在制造过程中产生的；纤维与基体之间的界面是A-粗糙界面（roughinterface)，而不是B-理想的平面界面。纤维纤维A界面B界面基体基体图4-4复合材料中的界面A—粗糙界面；B—理想平面界面在粗糙界面的情况下，通常是根据润湿（wettability)概念来研究纤维f与基体m之间的紧密接触。即f-m之间的紧密接触取决于液体m是否润湿纤维f。液体（基体）m固体（纤维）f图4-5粗糙界面时纤维与基体的接触4.1.

6、2润湿与结合4.1.2.1润湿性4.1.2.2润湿性与结合概念的区别4.1.2.1润湿性（1）润湿性的定义润湿性是用于描述液体在固体表面上自动铺展程度的术语。润湿性在促进结合或妨碍结合的机理方面是最关键的概念。（2）润湿性的测量温度升高方向950℃900℃1000℃1100℃1150℃图4-7测量润湿性的滴球模型★润湿条件：ls+lv<sv即：液-固表面能+液-气表面能<固-气表面能只有当系统自由能产生净减少(anetreduction)时，液滴才将铺展，并润湿固体表面。反之，则不会出现完全润湿。★润湿条件：完全润湿时：=0°完全不润湿时：=180º部分润湿时

7、：0º<<90º图4-8润湿条件示意图（3）影响润湿角大小的因素固体表面的原始状态。如吸附气体、氧化膜等均使润湿角增大；固体表面粗糙度将影响润湿角；固相或液相的夹杂（包括人为的）或相与相之间的化学反应所造成的产物都将影响润湿性（润湿剂）。（4）润湿性的改善途径对纤维进行涂层变更基体成份改变温度增加液体压力改变加工气氛对纤维进行涂层涂层方法：电镀、化学镀、化学气相沉积、热解等。涂层目的：增大纤维的表面能sv实例：玻璃纤维的硅烷涂层；碳纤维的钛-硼(Ti-B)涂层；硼纤维的SiC、B4C涂层碳化硅纤维的热解碳涂层等。涂层纤维变更基体成份改