材料表面与界面第四章复合材料的界面及界面优化

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诱导效应
聚合物表面
R
R
R
Si
Si
Si
H O
HH
H2O O
O H
HH
O
O
H
H
O
O
O
M
M
M
无机表面
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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。
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碳黑增强橡胶
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金属基粒子复合材料又称金
属陶瓷，是由钛、镍、钴、
铬等金属与碳化物、氮化物、
氧化物、硼化物等组成的非
均质材料。 碳化物金属陶瓷作为工具材
硬质合金组织(Co+WC) 硬质合金铣刀
料已被广泛应用，称作硬质
合金。硬质合金通常以Co、
Ni作为粘结剂，WC、TiC等
作为强化相。
比强度也高得多。
材料种类 环氧树脂
纵向抗拉强 度 MPa
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环氧树脂 / E级玻璃纤维 1020
环氧树脂 / 碳纤维（高弹性）
1240
环氧树脂 / 芳纶纤维（49） 1380
环氧树脂 / 硼纤维（70 % Vf ） 1400-2100
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纵向弹性模 量 GPa
6.9
45
145
76
210-280
纤维的临界长径比
Lc fy d 2 my
纤维最小体积分数
Vfc
mu
m
fu
m
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2. 粒子增强型复合材料的增强机制
粒子增强型复合材料按照颗粒尺寸大小和数量多少可分为： 弥散强化的复合材料；颗粒增强的复合材料。
（1）弥散强化的复合材料的增强机制
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)。
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阻止裂纹的扩展
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4.2 界面的效应（2）
(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。
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不连续效应
电阻R1 电阻R2 电阻R1
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4.2 界面的效应（3）
维
特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的 体积分数、尺寸和分布。
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弹性模量及强度
外力方向与纤维轴向相同时，c= f = m (f-纤维、 m-基体、 c-复合材料)，则
cfV fm V m ,E c E fV f E m V m
当外力垂直于纤维轴向时，则
cm f,cm V m fV f
陶瓷中增韧纤维受外力作用， 因拔出而消耗能量，耗能越 多材料韧性越好。
C/C复合材料 Si/Si复合材料
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用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹 性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上 采用。现在发现，晶须 (如SiC 和Si3N4)能起到陶瓷材 料增韧的作用。
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复合材料的界面示意图
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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
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界面通常包含以下几个部分： 基体和增强物的部分原始接触面； 基体与增强物相互作用生成的反应产物，此产 物与基体及增强物的接触面；
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3、破断安全性好
4、优良的高温性能。
5、减震性好。复合材料中的大量
界面对振动有反射吸收作用，不易
产生共振。
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\ \ \
比 强 度 比 较 碳 硼 玻钛 钢 铝 纤纤璃 维维纤 树树维 脂脂树 脂
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常用的复合材料
一、纤维增强复合材料
1. 常用增强纤维
(1)玻璃纤维：用量最大、价格最便宜。
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4.1 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。
复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域，约 几个纳米到几个微米。此区域的结构与性质都不同于 两相中的任何一相。这一界面区由五个亚层组成，每 一亚层的性能都与基体和增强相的性质、复合材料成 型方法有关。
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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。
MMC的SEM照片
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MMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性 因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了 MMC的应用范围。
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航天飞机内 MMC (Al / B
纤维)桁架
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4. 纤维--陶瓷复合材料
陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、 抗氧化，但韧性低、难加工。 在陶瓷材料中加入纤维增强， 能大幅度提高强度，改善韧 性，并提高使用温度。
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4.3 复合材料组分的相容性
化学相容性：
指组成材料的各组元（基体与增强体）之间有无 化学反应及反应速度的快慢。包括热力学相容性 和动力学相容性。
化学相容性是一个复杂的问题： 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，化学相容性要严重得多。 纤维和基体间的直接反应则是更重要的相容性问题。
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. 基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面 结合产生重要的影响，从而影响材料的各类性能。
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思考：
当复合材料使用条件要求基体韧性好而增强材 料是脆性材料时，该如何考虑基体材料的热膨胀系 数？
(1) 纤维增强复合材料
Al2O3片
(2) 粒子增强复合材料
(3)叠层复合材料。
Al2O3纤维
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三、复合材料的命名
（1）以基体为主来命名 例如金属基复合材料。 （2）以增强材料来命名 如碳纤维增强复合材料。 （3）基体与增强相并用 如“C/Al复合材料”即
为碳纤维增强铝基复合材料。 （4）商业名称命名 如“玻璃钢”即为玻璃纤维
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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。
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4.3 复合材料组分的相容性
物理相容性：
1. 是指基体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。
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不同界面结合强度断裂纤维周围基体形态模型
a. 弱界面结合状况 b. 界面结合适中状况 c. 界面结合过强状况
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界面剪切强度太低：
表明界面结合过弱。在拉伸时纤维与基体脱粘、滑 移，纤维断裂点周围基体的形态呈空管状，而且界 面上没有任何曾经有过强烈相互作用的迹象。在这 种状况下，纤维高强度和高模量的优势得不到充分 发挥，复合材料得不到有效增强。
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4.3 复合材料组分的相容性
对复合材料来说， 以下与其化学相容性有关的问题十分重要：
1）相反应的自由能 F：代表该反应的驱动力。设计复 合材料时，应确定所选体系可能发生反应的自由能的变化。
2）化学势U：各组分的化学势不等，常会导致界面的不 稳定。
3）表面能T：各组分的表面能很高，导致界面的不稳定。 4）晶界扩散系数D：由晶界或表面扩散系数控制的二次 扩散效应常使复合体系中组分相的关系发生很大变化。
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聚合物基纤维增强复合材料零件
碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空 发动机高温构件
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芳纶刹车片
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3. 纤维--金属(或合金)复合材料
金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料 （MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。
常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。
作为增强体的连续纤 维主要有硼纤维、SiC 和C纤维；Al2O3纤维 通常以短纤维的形式 用于MMC中。
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
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4.2 界面的效应（1）
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种 效应：
(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、减缓应力集中的作用。
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界面剪切强度过高：
纤维断裂，应力集中到断口周围基体上； 界面结合强度大于基体强度，应力不能松弛，裂缝沿
着垂直于纤维方向向基体内部发展。 界面结合过强时复合材料呈脆性断裂。
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界面剪切强度适中：
应力分布的区域化，没有在某点处因应力集中而造成破坏 并产生裂缝。因为纤维断裂时，相邻界面处可以适当脱粘 或滑移很小的一部分，分散了集中于断口处的应力点。保 护了基体不在纤维断口处产生破坏和裂缝，而且能够通过 很微小的脱粘和滑移吸收一定的能量，从而提高了材料整 体的力学性能。
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4.3 复合材料组分的相容性
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相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，一般都是抗压强度大于抗拉强 度，处于压缩状态比较有利。
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相差太大。
(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。
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散射和吸收效应
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4.2 界面的效应（4）
(5)诱导效应：一种物质(通常是增强物)的表 面结构使另一种与之接触的物质(通常是聚 合物基体)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。
ZnO晶须 自增韧Si3N4陶瓷
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二、叠层复合材料
叠层复合材料是指在基 体中含有多重层片状高 强高模量增强物的复合 材料。
层状陶瓷复合材料断口形貌 三明治复合
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双金属、表面涂层等也是层状复合材料。 结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输
及包装等。
增强树脂基复合材料。
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复合材料的增强机制及性能
1. 纤维增强复合材料的增强机制
在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要 承载组分，其增强效果主要取决于纤维的 特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的 体积分数、尺寸和分布。
在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要
碳
承载组分，其增强效果主要取决于纤维的 纤
(2)碳纤维：化学性能与碳相似。
碳纤维
(3)硼纤维：耐高温、强度、弹性模高。
(4)碳化硅纤维：高熔点、高硬度。
(5)Kevlar有机纤维：用于高温、高强 复合材料。
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玻璃纤 维
SiC纤维
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2、纤维—树脂复合材料
通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。 这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高，
有TiN涂层的 高尔夫球头
铝
合
层 状 复 合
金 蜂 窝 夹 层
板
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三、粒子增强型复合材料
聚合物基粒子复合材料如酚醛树 脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒 子改性热塑性塑料的钙塑材料 (合成木材)等。
陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增
韧陶瓷等。
粒子增强SiC陶瓷基复合材料
颗粒增强铝基泡沫复合材料
材料表面与界面第四章复 合材料的界面及界面优化
概述
一、复合材料的概念
复合材料是由两种或两
种以上化学性质或组织
结构不同的材料组合而
复
合
成的材料。
材 料
船
体
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二、复合材料的分类
1、按基体材料分
(1)非金属基复合材料
SiC颗粒
增
(2)金属基复合材料。
强 相
三
2、按增强材料分
种 类
型
（2）颗粒增强的复合材料的增强机制
用金属或高分子聚合物为粘结剂，把具有耐热性好、硬度 高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起 而行成的材料。
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二、复合材料的性能特点
1、比强度和比模量高。其中纤维 增强复合材料的最高。
2、良好的抗疲劳性能。碳纤维增 强材料-1可达b的70~80%。因纤 维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。