第2章 复合材料的界面和优化设计

2.1 复合材料界面的概念
（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、化学性质有
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
2.2 复合材料的界面
一、聚合物基复合材料的界面
1、界面的形成
第一阶段：基体与增强体的接触与浸润过程。在复合材料的制备过程中， 要求组份间能牢固的结合并有足够的强度，要实现这一点必须要使材料在 界面上形成能量最低结合，通常存在液态对固体的相互浸润。
2.2 复合材料的界面
Mg17Al12 原 位 复 合 材 料 碳 析铝 出（ 物含 化形 镁 合貌 ） 物， 复 析有 合 出 材 相 料 / TiB2/NiAl 碳/铝复合材料界面微结构 (a)快速冷却 (b)慢速冷却
2.2 复合材料的界面
二、金属基复合材料的界面
2、界面的结合方式
（1）化学结合：通过化学键结合。 （2）物理结合：通过范德华力结合。 （3）扩散结合：通过相互扩散结合。 （4）机械结合：通过机械咬合结合。
总的来讲，金属基体复合材料界面以化学结合为主，有时也会出 现几种界面结合方式共存。
2.2 复合材料的界面
二、金属基复合材料的界面
3、影响界面稳定性的因素
2.2 复合材料的界面
二、金属基复合材料的界面
4、残余应力
2.2 复合材料的界面
二、金属基复合材料的界面
5、金属基复合材料的界面控制方法
（1）对增强材料进行表面涂层处理：在增强材料组元上预先涂层以改善 增强材料与基体的浸润性，同时涂层还应起到防止发生反应的阻挡层作用。
（7）优先吸附理论
2.2 复合材料的界面
3、聚合物基复合材料界面改性原则 （1）在聚合物基复合材料的设计中，首先应考虑如何改善增强材料与 基体间的浸润性。一般可采取延长浸渍时间，增大体系压力、降低熔 体粘度以及改变增强体织物结构等措施。 （2）适度的界面结合强度。 （3）减少复合材料中产生的残余应力。 （4）调节界面内应力和减缓应力集中。
一、聚合物基复合材料的界面
2、界面作用机理
（1）界面浸润性理论
2.2 复合材料的界面
（2）化学键理论
2.2 复合材料的界面
（3）扩散理论
2.2 复合材料的界面
（4）电子静电理论
2.2 复合材料的界面
（Байду номын сангаас）机械联接理论
2.2 复合材料的界面
（6）变形层理论和抑制层理论
2.2 复合材料的界面
2.1 复合材料界面的概念
（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。
2.1 复合材料界面的概念
（4）散热和吸收效应：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。
复合材料
郭连贵
湖北工程学院化学与材料科学学院
第2章 复合材料的界面和优化设计
石墨烯
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
多壁碳纳米管
2
2.1 复合材料界面的概念
2.1 复合材料界面的概念
一、复合材料界面的定义
复合材料界面示意图
复合材料界面区成分比较复杂
2.3 复合材料界面的表征
界面表面形态、结构的表征
未处理碳纤维的表面形态
低温等离子处理碳纤维表面形态
氧等离子处理后，经80℃与苯乙烯反应4小时，接枝聚苯乙烯分子 链的碳纤维照片
复合材料的界面定义是什么，包括哪些部分？ 复合材料界面具有哪些效应，都有哪些界面理论 聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料界 面有哪些特点，都有哪些优化设计的方法？
1、界面的类型
类 型 1 类 型 2 类 型 3 纤维与基体互不反应亦 不溶解 钨丝 / 铜 Al2O3 纤维 / 铜 Al2O3 纤维 / 银 硼纤维（BN表面涂层） /铝 不锈钢丝 / 铝 SiC 纤维 / 铝 硼纤维 / 铝 硼纤维 / 镁 纤维与基体互不反应 但相互溶解 镀铬的钨丝 / 铜 碳纤维 / 镍 钨丝 / 镍 合金共晶体丝 / 同一合 金 纤维与基体反应形成界面反应 层 钨丝 / 铜 – 钛合金 碳纤维 / 铝（ 580 C） Al2O3 纤维 / 钛 硼纤维 / 钛 硼纤维 /钛-铝 SiC 纤维 / 钛 SiO2 纤维 / 钛
2.2 复合材料的界面
三、陶瓷基复合材料的界面
1、界面的结合方式——与金属基复合材料基本相同
2、界面的稳定性 （1）基体与增强体在界面形成固溶体（增强）； （2）基体与增强体在界面形成化合物（降低）。
2.2 复合材料的界面
三、陶瓷基复合材料的界面
3、陶瓷基复合材料的界面控制方法
4、热残余应力
基体与增强体之间热膨胀系数的不同导致残余应力，其在界面处引起 应力集中容易导致裂纹。
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。
界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响，每种复合材 料都要求有合适的结合强度。
界面结合较差，增强纤维与基体很容易分离，在材料的断面可观察到 脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象，起不到增强作用； 界面结合过强，增强纤维与基体之间应力无法松弛，形成脆性断裂； 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。
（2）选择金属元素：改变基体的合金成分，造成某一元素在界面上富集 形成阻挡层来控制界面反应。尽量避免选择易参与界面反应生成脆硬界面 相、造成强界面结合的合金元素
（3）优化制备工艺和参数：金属基体复合材料界面反应程度主要取决于 制备方法和工艺参数，因此优化制备工艺和严格控制工艺参数是优化界面 结构和控制界面反应的有效途径。
2.2 复合材料的界面
二、金属基复合材料的界面
1、界面的类型
第一类：界面平整、组分纯净，无中间相。 第二类：界面不平直，由原始组分构成的凸凹的溶解扩散型界面。 第三类：界面中含有尺寸在亚微米级的界面反应物。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。
2.2 复合材料的界面
二、金属基复合材料的界面
2.3 复合材料界面的表征
现代科学的发展为复合材料界面的分析表征提供了强有力的手段 。扫描电镜、红外光谱、紫外光谱、光电子能谱、动态力学分析 、原子力显微镜等，在复合材料界面分析表征中得到充分的应用 ，为揭示界面的本质、丰富界面的理论作出了重要的贡献。
2.3 复合材料界面的表征
2.3 复合材料界面的表征
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
2.1 复合材料界面的概念
二、复合材料界面的结合方式
2.1 复合材料界面的概念
三、复合材料的界面效应
（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。
第二阶段：聚合物的固化过程。固化阶段受第一阶段的影响，同时它也 直接决定着所形成的界面层的结构。如热固性树脂固化时的胶粒和胶絮。
界面层的结构包括：界面结合力的性质、界面层的厚度、界面层的组成和 微观结构。
2.2 复合材料的界面
一、聚合物基复合材料的界面
2、界面作用机理
（1）界面浸润性理论
2.2 复合材料的界面