复合材料的界面.ppt

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1、5.复合材料的界面5.1界面的特征与分类界面在复合材料中的必然性与重要性硬化、强化——跨越界面的载荷传递韧性——裂纹的偏转，纤维的拔出塑性——界面附近峰值应力的松弛界面的分类1)机械结合。基体与增强材料之间没有发生化学反应，纯粹靠机械连结。它是靠纤维的粗糙表面与基体产生的摩擦力而实现的。2)溶解和润湿结合。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶解，形成结合。界面是溶质原子的过渡带。3)反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，在界面上生成化合物，使基体和增强材料结合在一起。4)交换反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，生成化合物，并且还通过扩散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。

2、5)混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。是以上几种结合方式中几个的组合。5.2界面的结合机理5.2.1吸附与润湿当一种液体与一种固体相互接触时，如果能够自然地发生原子尺度的紧密结合，则称为“润湿”。不同物质之间的结合虽然有时也借助于第三种物质，但是主要是范德华力的作用。关于润湿，可以由单纯的热力学进行分析，但是实际上往往与时间有关，有时也会发生一些化学反应。5.2.2内部扩散与化学反应界面处可能会发生多种促进接合的反应。例如，两个聚合物材料之间的自由基末端能够通过扩散而连接，从而增大结合强度。该效果已经在热硬化树脂中得到了应用。即使是在其他体系中，也可能会伴随着化学反应而

3、发生扩散，也能够使结合强度增大。5.2.3静电吸引当表面具有相反电荷的情况下，会形成表面结合力。对玻璃纤维涂敷偶联剂，或者对纤维实施某些处理时，可能会利用这一效应。由于玻璃的氧化物及适用于偶联剂的水溶液的pH值，能够使表面显示阴离子或阳离子特性。因此，如果使用具有例子功能的原子团，就可能实现上述结合。当然，静电吸引一般并非复合材料的主要结合原因。而且，如果有水等强极性溶剂的存在，还可能会发生放电，使该结合力下降。5.2.4力学结合如果基体对增强体（纤维）的润湿性良好，纤维表面的粗糙度也能够增大界面的结合。与拉伸强度相比，该效应对于由剪切应力引起的断裂的抵抗能力更大。在有凹陷角度存在的情

4、况下，对拉伸强度的贡献也会增大。由于接触面积的增加，会使强度增大。5.2.5残余应力残余应力的存在会对界面的接触性质产生很大的影响。基体的塑性变形及伴随着体积变化的相变的发生是残余应力的主要原因。伴随着热硬化树脂的硬化也会发生体积变化。形成残余应力的最主要的原因是成形（制造）后冷却时发生的收缩。由于大部分的复合材料中纤维的热膨胀系数比基体的热膨胀系数小，所以纤维受到压缩残余应力，而基体受到拉伸残余应力。5.3界面反应与界面行为5.3.1研究界面反应的重要性复合材料中增强材料与基体间相互作用的必然性（在制造和使用过程中）界面难以达到理想热力学平衡状态须控制增强材料与基体间相互作用的数量和

5、速度。界面反应的动力学问题十分重要研究界面反应的目的：选择最佳的材料组合和制造工艺，以得到最佳的材料性能。5.3.2界面的相容性为了实现基体和增强材料之间的有效结合，需要二者之间发生扩散。界面元素的相容性是实现扩散的先决条件。一般说来，可以根据两种物质混合后的Gibbs自由能G来判断其相容性。G<0，相容；G>0，不相容。5.3.3界面反应的种类基体与增强材料间不生成化合物，只生成固溶体。在界面上生成的固溶体并不导致复合材料性能的降低，主要是增强材料消耗使强度降低。假定基体中的扩散物的原始浓度为零，基体表面上扩散原子的浓度在整个过程中保持不变，等于该元素在基体中的极限溶解度，基体

6、为半无限的物体，扩散系数与浓度无关。扩散的菲克第二定律如下：式中c0为平衡浓度、D为扩散系数、t为时间、x为距离。界面反应的种类可以计算在某以扩散系数D下，经过时间t扩散后，浓度达到c时的扩散带宽度。扩散系数与温度的关系如下：D=Aexp(-Q/kT)式中A为频率因子；Q为扩散激活能；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。根据式可以计算出欲达到一定厚度的扩散层时所需要的温度和时间。界面反应的种类2)界面形成化合物当其达到一定的厚度时，复合材料的强度可能会大幅度降低。这是因为在界面生成的脆性化合物层在受载破坏而造成纤维断裂。因此预测化合物反应带的厚度十分重要。反应扩散是一个非常复杂的过程，测定

7、总反应速度十分困难。通常用简化的公式求化合物层的大概厚度。式中c为化合物均质区内扩散物的平均浓度、c为均质区内浓度。这里假定相界移动符合抛物线规律，指数为2。利用上式可以计算经一定的扩散时间t后，化合物厚度达到一定值时所对应的极限扩散系数。界面反应的种类一般说来，基体与增强材料之间相互作用不足或过量都不利反应不足：复合材料的强度低过量：可以引起界面脆化。对于界面反应，应根据具体情况，促进反应以增进结合抑制反应5.4界面强度5.4.1界面粘结强