复合材料界面
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第四章
复合材料的界面
2018/12/3
1
复合材料性能
＝
基体性能
＋ 增强体性能
玻璃纤维断裂能 10J/m2 聚酯断裂能 100 J/m2
玻璃纤维增强聚酯复合材 料断裂能 105 J/m2
1＋1 > 2
2018/12/3
2
Outline
• • • • • 概述 复合材料的界面 增强材料的表面处理 复合材料界面的表征 复合材料的界面优化处理
界面层结构
界面区域（厚度）
界面结合力 微观结合力
界面微观结构
2018/12/3
宏观结合力
7
(2). 界面作用机理 a. 界面浸润理论
= （F / A）TV WA = S + L - SL
液滴在固体表面的不同润湿情况
当 q > 90o， 液体不润湿固体； q =180o, 固体表面完全不能被液体润湿； L cos q = S - SL 当q < 90o，液体润湿固体；q =0o，液体完全 WA = S + L - SL= L（1+ cos q ） 平铺在固体表面。接触角随温度、保持时间、 吸附气体等而变化。
典型的 MMC
镀Cr的W丝/ Cu Cf/Ni W丝/Ni
2018/12/3
14
• Ⅰ类界面相对而言是比较平整的，而且 只有分子层厚度。 • 界面上除了原组成物质外，基本上不会 有其他物质。
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15
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16
• Ⅱ类界面为原组成物质构成的犬牙交错 的溶解扩散界面，基体中的合金元素和 杂质可能在界面上富集或贫化。 • 例如：Cf/Ni复合材料的界面形态 基体Ni渗透到碳纤维中形成镍环。
e. 拘束层理论
界面区（包括偶联剂部分）的模量介于树脂基体和增 强材料之间时则可最均匀的传递应力。偶联剂的作用是一 端拉紧界面上的聚合物分子结构，一端以硅醇基团与玻璃 等无机材料粘结。接受者不多，缺乏必要的实验根据。
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10
B. 金属基复合材料的界面 a. 界面的结合机制 界面的结合力
增强体与基体之间的结合属于机械咬合和基于次价键 的物理吸附。偶联剂的作用主要是促进基体与增强剂 表面完全浸润。
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d. 变形层理论
增强体与基体热膨胀系数的差别会在界面产生残余应力， 载荷作用也会在界面产生应力集中，增强体表面处理可以在界 面形成塑性层，起到松弛并减小界面应力的作用。偶联剂会导 致生成不同厚度的柔性基体界面，但柔性层的厚度与偶联剂本 身在界面区的数量无关。
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Ni基体
Cf Cf 中渗Ni，形成Ni环 Cf/Ni复合材料的界面形态
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• Ⅲ类界面有微米或亚微米级厚度的界面反应产物， 反应层一般不均匀。 • 例如：Bf/TC4 在高温下发生反应，形成TiB2化合物，形成完 整的界面层。 也可以不是一个完整的界面层，而是在界面上 存在多种反应产物。 SiCW/Al-Mg的界面上就存在Al2O3、SiO2、 MgO等产物在界面析出。
机械结合也就是摩擦力，决定于增强体的比表面和表面粗糙
度以及基体的收缩。 物理结合包括范德华力和氢键，存在于所有复合材料中，但 在聚合物基复合材料中占有很重要的比重 化学结合就是化学键，在金属基复合材料中占有重要作用。
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界面结合形式 机械结合：增强体与基体之间纯粹靠机械连接。具有这类 界面结合的复合材料力学性能差，不宜作结构复合材料使 用。存在于所有复合材料中。 溶解和浸润结合：增强体与基体之间发生润湿，并伴随一 定程度的相互溶解。在原子范围内靠电子的相互作用产生。
传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。
（2）阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻 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性和界
面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性和磁 场尺寸稳定性等。
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（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 械冲击性等。
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1. 概述
复合材料的界面：基体与增强物之间化学成分具有显著变化的、构成彼此结合 的、能够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
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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：界面可将复合材料体系中基体承受的外力
产生良好结合的条件如下： 1) 液体粘度尽量低； 2）S 略大于L
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b. 化学键理论
在复合材料组分之间发生化 学作用，在界面上形成共价键结 合。偶联剂含有与增强体和基体 反应的官能团。实质是强调增加 界面的化学作用是改进复合材料 性能的关键。
c. 物理吸附理论
表面结合化学键示意图
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b. 界面的类型及界面模型
界面类型 界面特征 类型Ⅰ
增强材料与基体 互不溶解、互不 反应 W丝/Cu Al2O3f/Cu Bf/Al Al2O3/Al SiCf/Al Bf/Mg
类型Ⅱ
增强材料与基体不反 应，但能相互溶解
类型Ⅲ
增强材料与基体相互 反应，生成界面反应 产物 Cf/Al Bf/Ti SiCf/Ti W丝/Cu-Ti合金 Al2O3f/Ti
（5）诱导效应：一种物质（通常是增强剂）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，如强弹性、低膨胀性 、耐热性和冲击性等。
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2. 复合材料的界面
A. 聚合物基复合材料的界面
(1). 界面的形成
第一阶段：基体与增强纤维的接触与浸润过程 增强纤维优先吸附能够降低其表面 能的物质。 第二阶段：聚合物的固化阶段 聚合物通过物理或化学的变化而固化形成固定的界 面层
反应结合：基体与增强体之间发生化学反应，在界面上形
成化合物。需要严格控制界面反应产物的数量，防止在界 面上形成过量的脆性相，从而影响材料强度。
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源自文库
交换反应结合：含有两种以上元素的基体与增强体之间除发 生化学反应在界面上形成化合物外，还通过扩散发生元素交 换。 氧化物结合：实为反应结合的一种特殊情况。在界面上由基 体与增强体表面的氧化物发生相互作用而形成的一种结合形 式。 混合结合：为最重要、最普遍的结合形式。
复合材料的界面
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复合材料性能
＝
基体性能
＋ 增强体性能
玻璃纤维断裂能 10J/m2 聚酯断裂能 100 J/m2
玻璃纤维增强聚酯复合材 料断裂能 105 J/m2
1＋1 > 2
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Outline
• • • • • 概述 复合材料的界面 增强材料的表面处理 复合材料界面的表征 复合材料的界面优化处理
界面层结构
界面区域（厚度）
界面结合力 微观结合力
界面微观结构
2018/12/3
宏观结合力
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(2). 界面作用机理 a. 界面浸润理论
= （F / A）TV WA = S + L - SL
液滴在固体表面的不同润湿情况
当 q > 90o， 液体不润湿固体； q =180o, 固体表面完全不能被液体润湿； L cos q = S - SL 当q < 90o，液体润湿固体；q =0o，液体完全 WA = S + L - SL= L（1+ cos q ） 平铺在固体表面。接触角随温度、保持时间、 吸附气体等而变化。
典型的 MMC
镀Cr的W丝/ Cu Cf/Ni W丝/Ni
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• Ⅰ类界面相对而言是比较平整的，而且 只有分子层厚度。 • 界面上除了原组成物质外，基本上不会 有其他物质。
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• Ⅱ类界面为原组成物质构成的犬牙交错 的溶解扩散界面，基体中的合金元素和 杂质可能在界面上富集或贫化。 • 例如：Cf/Ni复合材料的界面形态 基体Ni渗透到碳纤维中形成镍环。
e. 拘束层理论
界面区（包括偶联剂部分）的模量介于树脂基体和增 强材料之间时则可最均匀的传递应力。偶联剂的作用是一 端拉紧界面上的聚合物分子结构，一端以硅醇基团与玻璃 等无机材料粘结。接受者不多，缺乏必要的实验根据。
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B. 金属基复合材料的界面 a. 界面的结合机制 界面的结合力
增强体与基体之间的结合属于机械咬合和基于次价键 的物理吸附。偶联剂的作用主要是促进基体与增强剂 表面完全浸润。
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d. 变形层理论
增强体与基体热膨胀系数的差别会在界面产生残余应力， 载荷作用也会在界面产生应力集中，增强体表面处理可以在界 面形成塑性层，起到松弛并减小界面应力的作用。偶联剂会导 致生成不同厚度的柔性基体界面，但柔性层的厚度与偶联剂本 身在界面区的数量无关。
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Ni基体
Cf Cf 中渗Ni，形成Ni环 Cf/Ni复合材料的界面形态
2018/12/3
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• Ⅲ类界面有微米或亚微米级厚度的界面反应产物， 反应层一般不均匀。 • 例如：Bf/TC4 在高温下发生反应，形成TiB2化合物，形成完 整的界面层。 也可以不是一个完整的界面层，而是在界面上 存在多种反应产物。 SiCW/Al-Mg的界面上就存在Al2O3、SiO2、 MgO等产物在界面析出。
机械结合也就是摩擦力，决定于增强体的比表面和表面粗糙
度以及基体的收缩。 物理结合包括范德华力和氢键，存在于所有复合材料中，但 在聚合物基复合材料中占有很重要的比重 化学结合就是化学键，在金属基复合材料中占有重要作用。
11
2018/12/3
界面结合形式 机械结合：增强体与基体之间纯粹靠机械连接。具有这类 界面结合的复合材料力学性能差，不宜作结构复合材料使 用。存在于所有复合材料中。 溶解和浸润结合：增强体与基体之间发生润湿，并伴随一 定程度的相互溶解。在原子范围内靠电子的相互作用产生。
传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。
（2）阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻 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性和界
面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性和磁 场尺寸稳定性等。
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（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 械冲击性等。
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1. 概述
复合材料的界面：基体与增强物之间化学成分具有显著变化的、构成彼此结合 的、能够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
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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：界面可将复合材料体系中基体承受的外力
产生良好结合的条件如下： 1) 液体粘度尽量低； 2）S 略大于L
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b. 化学键理论
在复合材料组分之间发生化 学作用，在界面上形成共价键结 合。偶联剂含有与增强体和基体 反应的官能团。实质是强调增加 界面的化学作用是改进复合材料 性能的关键。
c. 物理吸附理论
表面结合化学键示意图
2018/12/3
13
b. 界面的类型及界面模型
界面类型 界面特征 类型Ⅰ
增强材料与基体 互不溶解、互不 反应 W丝/Cu Al2O3f/Cu Bf/Al Al2O3/Al SiCf/Al Bf/Mg
类型Ⅱ
增强材料与基体不反 应，但能相互溶解
类型Ⅲ
增强材料与基体相互 反应，生成界面反应 产物 Cf/Al Bf/Ti SiCf/Ti W丝/Cu-Ti合金 Al2O3f/Ti
（5）诱导效应：一种物质（通常是增强剂）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，如强弹性、低膨胀性 、耐热性和冲击性等。
2018/12/3
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2. 复合材料的界面
A. 聚合物基复合材料的界面
(1). 界面的形成
第一阶段：基体与增强纤维的接触与浸润过程 增强纤维优先吸附能够降低其表面 能的物质。 第二阶段：聚合物的固化阶段 聚合物通过物理或化学的变化而固化形成固定的界 面层
反应结合：基体与增强体之间发生化学反应，在界面上形
成化合物。需要严格控制界面反应产物的数量，防止在界 面上形成过量的脆性相，从而影响材料强度。
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源自文库
交换反应结合：含有两种以上元素的基体与增强体之间除发 生化学反应在界面上形成化合物外，还通过扩散发生元素交 换。 氧化物结合：实为反应结合的一种特殊情况。在界面上由基 体与增强体表面的氧化物发生相互作用而形成的一种结合形 式。 混合结合：为最重要、最普遍的结合形式。