复合材料表界面的分析表征

合集下载

第六章复合材料表界面的分析表征

A. 接枝聚丙烯酰胺碳纤维; B. 接枝聚丙烯酸碳纤维; C. 氧等离子处理碳纤维; D. 未处理碳纤维
41
不同处理碳纤维增强复合材料冲击载荷与冲击时间的对应关系
A. 接枝聚丙烯酰胺碳纤维; B. 接枝聚丙烯酸碳纤维; C. 氧等离子处理碳纤维; D. 未处理碳纤维
氧等离子处理（曲线C）碳纤维复合丝试样的冲击载荷曲线主要弹性承载能U1差不多比未处理者增加近3倍，表明基体变形更大，也有更多的纤维发生形变。相反塑性承载能U2却小到可略视的地步，几乎没有什么纤维拔出和与基体的脱粘，充分表明了强结合的界面特征。
25
碳纤维表面官能团的分析
还原剂，消除自由基，证明等离子处理产生的大部分是游离
基，不是酚羟基
图6-25 等离子处理时间对自由基浓度的影响
在等离子处理初期，自由基浓度迅速增加，处理5分钟后，自由基浓度增加渐趋平缓。
27
图6-26 UHMWPE纤维表面活性的衰减
经等离子处理后的UHMWPE纤维暴露在空气中，表面自由基的浓度随时间而衰减，表面活性在逐渐减小
36
6.4.2 复合材料界面的动态力学分析
a-接枝玻纤 b-未接枝玻纤涂敷聚苯乙烯树脂的玻璃纤维辫子的动态
力学扭辫曲线
曲线b在92℃处出现一个尖锐的聚苯乙烯玻璃化转变损耗峰，而曲线a上，在聚苯乙烯玻璃化转变损耗峰高温一侧还有一个小峰，一般称为α’峰，也叫做界面峰。
界面粘结强，则试样承受周期负荷时界面的能力损耗大，α’峰越明显。
复合材料界面受到因热膨胀系数不同引起的热残余应力。热残余应力的大小正比于两者的热膨胀系数之差Δα和温差ΔT，也与基体和纤维的模量有关。
29
❖ 6.4 界面力学性能的分析表征

1.11复合材料界面的研究方法

通过扫描电镜可观察到复合材料的破坏断面状态。 • 3.红外光谱法与拉曼光谱法
通过红外光谱分析来研究表面和界面的方法。可以了解物质在增强材料表面是发生了物理吸附还是化学吸附。
拉曼光谱法是利用氩激光激发的拉曼光谱来研究表面和界面，它可用于研究偶联剂与玻璃纤维间的粘接。
• 4.能谱仪法用于纤维表面偶联剂处理前后的研究、用于界面的研究。可了解到界面
间有否化学键存在，偶联剂的作用机理也进一步得到证实。确切判断粘接破坏发生的部位，因而可以很好地研究界面的破坏机理，
以及改进界面状况以提高复合材料的性能。
• 5.X射线衍射法利用公式λ＝2dsinθ（λ为X射线波长，d为晶体间距，θ为布拉格角）测定
由于纤维变形而引起布拉格角的变化。可研究增强材料与基体之间的粘接强度。
• 3）表面反应性的测定通常可以采用溶液吸附法来研究碳纤维的处理前后反应性的变化。如用
亚甲基兰作为吸附质，用分光光度法分析吸附前后溶液浓度的变化，在某— 温度下进行等温吸附试验，得到吸附等温值，并按Langmin直线方程处理，求得最大吸附量作为纤维表面反应性的表征。吸附量的公式如下：
X (C C')V W
复合材料界面的研究方法
1.浸润性的测定
若基体能完全润湿被粘附的固体表面，则基体与被粘附固体间的粘附强度将超过基体的内聚强度。
1）静态法测定接触角
静态法测定接触角，通常多用于测定玻璃纤维与液态树脂间的接触角。测量仪器主要是各种角度测定仪，也可以用其它物理方法进行测定。
2）动态浸润速率的测定
基本原理：是纤维束(试样)底面上所受的压力，等于纤维束浸润树脂部分所受的浮力，此压力作用下致使树脂渗进单向排列的纤维束间隙中去，树脂的渗进速度取决于纤维与树脂间的浸润性和浸润速率。

聚合物基复合材料及其成型工艺北京航空航天大学第3章复合材料界面

⑴吸附 ⑵物理吸附
一种物质的原子或分子附着在另一种物质的表面上的现象叫吸附，放出能量的过程吸附物与被吸物之间靠分子间力相互作用，形成共存体系。吸附物与被吸物之间形成化学键合的强相互作用。
⑶化学吸附
3. 界面形成及其作用
(4) 表面自由能F
物质表层分子受力不均（如液体的表层分子），都有被拉向内部作用力，所以将内部分子迁移到表层（增加表面），外界要克服把分子拉向内部的力而做功（即提供能量），这样一来使得表层分子比内部分子具有较高的能量，这部分较高的能量称 “表面自由能”。
作用：纤维和树脂的桥梁
界面是桥梁，界面相很关键（力学、功能）
1.界面的重要性研究界面的意义
⑴ 1cm3复合材料中，若含直径8μm的纤维50%时,界面达数千cm2 ⑵ 界面是复合材料极为重要的微结构，作为纤维与基体连接的“纽带”对复合材料的物理、化学及力学性能都有至关重要的影响
• 影响到纤维与基体之间的应力传递，从而决定复合材料的强度，尤其是偏轴向强度 • 影响到复合材料损伤累积与裂纹的传播历程，从而决定复合材料的断裂韧性 • 直接影响复合材料的耐环境、介质稳定性，甚至影响其功能性
粗糙的纤维表面
浸润一个粗糙表面时所形成的机械结合
3. 界面形成及其作用 5)静电吸引
当一个表面带净正电荷，另一表面带净负电荷，两表面会产生吸引。
+ + + + + +
+ + + + + + - - - - - -
分子端部的阴离子群受另一表面的阳离子群吸引导致聚合物在表面的取向
由静电形成结合
界面的类型
（聚集态)

复合材料的界面性能与优化分析

复合材料的界面性能与优化分析在当今的材料科学领域，复合材料因其优异的性能而备受关注。

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学的方法组合在一起而形成的一种新型材料。

其性能不仅取决于各组成材料的性能，还在很大程度上取决于它们之间的界面性能。

复合材料的界面是指两种或多种材料相接触的区域。

这个区域虽然很薄，但对复合材料的整体性能有着至关重要的影响。

界面性能的优劣直接关系到复合材料在使用过程中的力学性能、物理性能、化学性能以及耐久性等。

首先，从力学性能方面来看，良好的界面结合能够有效地传递载荷。

当复合材料受到外力作用时，如果界面结合强度不足，就容易在界面处产生脱粘、开裂等现象，从而导致复合材料的强度和刚度下降。

相反，强界面结合可以使各组分材料协同工作，充分发挥各自的优势，提高复合材料的力学性能。

例如，在纤维增强复合材料中，纤维与基体之间的界面结合强度对复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度等都有着显著的影响。

其次，在物理性能方面，界面性能也起着关键作用。

复合材料的热传导、电传导、热膨胀等物理性能都与界面的结构和性质密切相关。

例如，在金属基复合材料中，如果界面处存在大量的缺陷和杂质，会严重阻碍热和电的传导，降低复合材料的导热和导电性能。

此外，界面的存在还会影响复合材料的热膨胀系数，如果界面结合不良，在温度变化时容易产生热应力，导致复合材料的变形和破坏。

化学性能方面，界面是复合材料与外界环境相互作用的前沿阵地。

界面的化学稳定性决定了复合材料的耐腐蚀性、抗氧化性等化学性能。

如果界面处容易发生化学反应，如氧化、腐蚀等，就会削弱复合材料的性能，缩短其使用寿命。

例如，在聚合物基复合材料中，界面的亲水性或疏水性会影响其对水分的吸收和扩散，进而影响复合材料的耐湿性和耐老化性能。

那么，如何优化复合材料的界面性能呢？这需要从多个方面入手。

一方面，可以通过对原材料的表面处理来改善界面性能。

例如，对于纤维增强复合材料，可以对纤维表面进行氧化、涂层等处理，增加纤维与基体之间的化学键合和物理结合，提高界面结合强度。

材料表面和界面的表征简介

谱
Raman效应产生于入射光旳电场与介质表面上振动旳感生偶极子旳相互作用，造成分子旳旋转或振动模式旳跃迁变化。
Raman光谱仪器
石墨旳Raman光谱图
Raman光谱旳特点
（1） Raman光谱研究分子构造时与红外光谱互补
（2） Raman光谱研究旳构造必需要有构造在转动或者振动过程中旳极化率变化
SPM扫描探针显微镜
AFM线性剖面图
AFM立体显示图
Average roughness Ra
特点（1）针尖与样品之间旳排斥作用力；来反应
样品旳形貌 (2)辨别率可达： 0.1 nm (3) 能够在真空、大气、溶液条件下进行表面
分析，图象旳质量与针尖非常亲密有关（4）样品形貌起伏不能太大
三种观察原子旳措施比较
红外光谱研究旳构造必需要有有构造在转动或者振动过程中偶极矩差别
（3）能够测定物质旳晶体构造和晶相判断，但只能是研究光能到达旳表面区域
（4）样品能够是固态、液体或者气体
2.4 XPS光电子谱
1. 光电发射定律
原子由核和绕核运动旳电子所构成，电子具有拟定旳能量并在一定轨道上运动(EB(i), )。当能量为hv旳光激发原子或者分子时，只要 hv >EB(i),,便可激发出i轨道上电子，并取得一定动能Ek，留下一种离子： M + hv = M+* + e-1
5. Bruggle 方程
2dhklsinhkl=n
A
hkl
m N
B
hkl
= n = mB+ BN = 2dhklsinhkl
2.3 拉曼光谱（Raman spectra）
• 光经过样品时产生散射
hv

Fe-Al微叠层复合材料的制备及界面表征

ＤＳＣ曲线上呈现出 ~ ５５９ꎬ ~ ５７１和 ~ ６６７ ℃ 三个放热峰ꎬ分别代表ＦｅＡｌ３ ꎬＦｅ２Ａｌ５和ＦｅＡｌ的相转变ꎻ固－固和
固－液合金化后得到的Ｆｅ－ＡｌＭＩＬ力学性能较差ꎬ均易发生分层断裂现象ꎬ而固－半固态合金化热处理后
其力学性能最佳.
关键词: 微叠层复合材料ꎻ热轧复合ꎻ冷轧减薄ꎻ合金化ꎻ界面
ａｕｔｈｏｒ: ＺＵＧｕｏ￣ｙｉｎꎬ Ｅ￣ｍａｉｌ: ｚｕｇｙ＠ｓｍｍ. ｎｅｕ. ｅｄｕ. ｃｎ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｌａｙｅｒｓｏｆｐｕｒｅｉｒｏｎａｎｄｐｕｒｅａｌｕｍｉｎｕｍｓｈｅｅｔｓｗｅｒｅａｌｔｅｒｎａｔｅｌｙｓｔａｃｋｅｄꎬ ａｎｄｔｈｅＦｅ￣Ａｌ
ｍｅｔａｌ￣ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ￣ｌａｍｉｎａｔｅ ( ＭＩＬ ) ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｏｔ￣ｒｏｌｌｉｎｇ
ｅｘｏｔｈｅｒｍｉｃｐｅａｋｓｏｆ ~ ５５９ꎬ ~ ５７１ａｎｄ ~ ６６７ ℃ ꎬ ｗｈｉｃｈｒｅｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｐｈａｓｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓｏｆＦｅＡｌ３ ꎬ
Ｆｅ２Ａｌ５ ꎬ ａｎｄＦｅＡｌꎬ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ. ＴｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅＦｅ￣ＡｌＭＩＬｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｏｂｔａｉｎｅｄ
制技术及合金化热处理工艺所制备的Ｆｅ－Ａｌ
ＭＩＬ界面情况研究较少. 此外ꎬＦｅ－Ａｌ系金属间
化合物相的类型较多ꎬ脆性也随着铝含量的增加而
素已被证明是改善其室温脆性及提高力学性能的
增大ꎬ进而影响Ｆｅ－ＡｌＭＩＬ的使用性能[３] . 目前ꎬ对

复合材料的界面相互作用分析

复合材料的界面相互作用分析在材料科学领域，复合材料凭借其独特的性能优势，已成为众多应用中的关键角色。

而复合材料性能的优劣，很大程度上取决于其内部不同组分之间的界面相互作用。

这种界面相互作用就像是一座桥梁，连接着复合材料中的各个部分，对材料的整体性能起着至关重要的作用。

要理解复合材料的界面相互作用，首先得明确什么是复合材料。

复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成的多相材料。

这些不同的组分在性能上相互补充，从而使复合材料具有单一材料难以达到的优异性能。

在复合材料中，界面是指两种不同材料之间的过渡区域。

这个区域虽然在尺寸上可能非常小，但却具有极其复杂的结构和性质。

界面的存在使得不同材料之间能够实现有效的载荷传递、应力分布和能量转换。

界面相互作用的类型多种多样，其中包括物理相互作用和化学相互作用。

物理相互作用主要包括范德华力、氢键和静电作用等。

范德华力虽然相对较弱，但在界面相互作用中也能发挥一定的作用。

氢键则在一些含有极性基团的复合材料中较为常见，它能够增强界面的结合强度。

静电作用则在某些带有电荷的材料组合中产生影响。

化学相互作用在复合材料的界面结合中往往起着更为关键的作用。

例如，在一些复合材料中，不同组分之间可能会发生化学反应，形成化学键，如共价键、离子键等。

这些化学键的形成极大地提高了界面的结合强度，使得复合材料在承受外力时能够更加稳定地传递载荷。

复合材料的界面相互作用对其性能的影响是多方面的。

在力学性能方面，良好的界面结合能够提高复合材料的强度、刚度和韧性。

当载荷施加到复合材料上时，界面能够有效地将应力从一个组分传递到另一个组分，避免局部应力集中，从而提高材料的整体承载能力。

如果界面结合不良，就容易在界面处产生裂纹和脱粘，导致材料过早失效。

在热性能方面，界面相互作用也起着重要的作用。

不同材料的热膨胀系数往往不同，当温度发生变化时，界面处可能会产生热应力。

良好的界面结合能够缓解这种热应力，提高复合材料的热稳定性。

碳纤维复合材料的表征和力学性能分析

碳纤维复合材料的表征和力学性能分析碳纤维复合材料是一种具有优异力学性能的新材料，其广泛应用于汽车、飞机、火箭等领域。

本文旨在探讨碳纤维复合材料的表征和力学性能分析，以及相关研究领域的发展趋势。

一、碳纤维复合材料的表征（1）纤维型号及组织碳纤维是制备碳纤维复合材料的关键原料，其型号及组织结构对材料性能有重要影响。

常见的碳纤维型号有T300、T700、M40等，其强度和模量随着型号提高而增加。

同时，碳纤维的组织结构也影响复合材料的性能。

纤维间的排列方式、纤维的分布密度等都会影响材料的力学性能。

（2）基体树脂碳纤维复合材料中的基体树脂也对其性能具有重要影响。

基体树脂一般选择环氧树脂、酚醛树脂等。

不同的基体树脂在温度、湿度等环境下的性能表现有所不同。

因此，对基体树脂进行适当选择很关键。

（3）工艺参数制备碳纤维复合材料的工艺参数也是影响材料性能的关键因素。

工艺参数包括热处理温度、压力、固化时间等。

不同的工艺参数对材料的力学性能、热学性能等产生重要影响。

因此，在制备过程中需要严格控制这些工艺参数。

二、碳纤维复合材料的力学性能分析（1）强度碳纤维复合材料在强度方面表现优异，具有很高的拉伸和压缩强度。

其中，双向编织的 T700 碳纤维复合材料的拉伸强度可达到2000 MPa 以上，压缩强度为1300 MPa 左右。

但碳纤维复合材料的剪切强度相对较低。

（2）刚度碳纤维具有很高的弹性模量，使碳纤维复合材料具有很高的刚度。

在刚度方面，碳纤维复合材料比钢铁、铝合金等传统材料还要高出1-2倍。

这也是碳纤维复合材料应用于飞机等领域的重要原因之一。

（3）耐疲劳性能碳纤维复合材料在疲劳方面表现也非常出色，其疲劳寿命比金属材料长得多。

尤其是在不同的温度、湿度等环境下，碳纤维复合材料的疲劳寿命表现更加稳定。

三、碳纤维复合材料的发展趋势随着全球经济的快速发展，碳纤维复合材料在汽车、飞机、火箭等领域的应用越来越广泛。

未来，碳纤维复合材料的制备技术将会更加成熟，同时优化碳纤维和基体树脂的配比也将成为研究的重点。

第2章复合材料的界面和优化设计.

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。面作用机理
（1）界面浸润性理论
2.2 复合材料的界面
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
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。
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
（5）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
关，也与复合材料各组分的浸润性、相容性、

第6章-2 金属基复合材料的界面及其表征

5
6.2.6.2 界面对金属基复合材料力学性能的影响
界面结合强度对复合材料的冲击性能影响较大。纤维从基体中拔出，纤维与基体脱粘后，不同位移造成的相对摩擦都会吸收冲击能量，并且界面结合还影响纤维和基体的变形能力。
三种复合材料的典型冲击载荷－时间关系曲线
1－弱界面结合 2－适中界面结合 3－强界面结合
1
界面组成及成分变化
2
界面区的位错分布
3
界面强度的表征
4
界面残余应力的测定
5 界面结构的高分辨观察及其原子模拟
10
6.3.1 界面组成及成分变化
确定界面上有无新相形成是界面表征的主要内容之一。新相可能是增强体与基体通过扩散反应而在界面处形成的新相, 也可能是基体组元与相界处杂质元素反应在界面处优先形核而成为新相。一般情况下常用明场像或暗场像对界面附近区域形貌进行观察, 通过选区衍射和X射线能谱进行微区结构和成分分析。当析出物十分细小时, 可采用微衍射和电子能量损失谱来分析其结构和成分, 电子能量损失谱尤其适合于对C、O等轻元素的分析。可以准确判知界面析出物的结构、成分和形貌特征。
1、金属基复合材料界面可分成哪些类型？请分别举例说明不同类型界面的特征。 2、金属基复合材料的界面结合有哪几种？什么样的界面结合对力学性能更有利？
3
6.2.6 界面对性能的影响
不同类型和用途的金属基复合材料界面的作用和最佳界面结构性能有很大差别。
纤维增强脆性基体复合材料的微观断裂模型（a）纤维“桥接” （b）裂纹穿过纤维造成脆断
11
挤压铸造Al18B4O33w /Al-2.5%Mg 复合材料界面 TEM 照片
4Al18B4O33+33Mg = 33MgAl2O4+6Al+16B

复合材料的界面状态解析了解界面的分类掌握复

（3）表面处理的最优化技术。（4）粉体材料在基体中的分散：
①、分散状态的评价； ②、分散技术及机理； ③、分散状态与复合材料性能。（5）复合技术的优化及其机理。
图3.3 材料粘接的破坏形式
作业： 6、复合材料的界面层，除了在性能和结构上不同于相邻两组分相外，还具有哪些特点； 7、简述复合材料界面的研究对象； 8、简述与表面张力有关的因素。 9、吸附按作用力的性质可分为哪几类？各有什么特点？ 10、利用接触角的知识，讨论固体被液体的浸润性。 11、界面的相容性指什么？如何确定？
当固体表面的原子的原子价被相邻的原子所饱和，表面分子与吸附物之间的作用力是分子间引力（范德华力）。
特点：
1）、无选择性，吸附量相差较大；
2）、吸附可呈单分子层或多分子层；
3）、物理吸附、解吸速度较快，易平衡。
一般在低温下进行的吸附是物理吸附。
3.3.2.2 化学吸附
当固体表面的原子的原子价被相邻的原子所饱和，
根据物质的聚集态，可以得到五种类型的界面，即气-液（g-l）、气-固（g-s）、液-液（l-l）、液-固（l-s）、固-固（s-s）界面。
通常的研究中，习惯于把气-液（g-l）、气-固（g-s）界面分别称为液相表面、固相表面。
注意：对于复合材料来说，界面并非是一个理想的几何面。
实验证明：复合材料中相与相之间的两相交接区是一个具有相当厚
增强体 F
表面处理技术
增强体
F 表面 F/I 界面
表面处理物质层
I 表面 I 结构
增强体
F/I 界面
表面处理物质层
复合技术
基体
I/M 界面
基体 M
增强体基体
F/M 界面

复合材料界面与设计

将纤维与基体压出，暴露出纤维与基体形貌，脱粘发生在C层与反应层之间，可以看到碎片
图高模量碳纤维复合材料拉伸破坏断口侧壁SEM照片
图高模量碳纤维复合材料拉伸破坏的断口SEM图片图中深色部分为纤维拔出后留下的空洞
碳纤维水泥状态
玻璃纤维热塑性复合材料
复合材料界面SEM图
TEM是研究陶瓷基复合材料界面微观结构
玻纤单丝从PP基体中的拔出剪切强度测试
4、临界纤维长度试验法
将单丝纤维埋人基体制成哑铃状试样，拉伸使纤维断裂成一段
段的残片，测量残片长度，可得到残片的长度分布图，统计出残片平均长度L，临界纤维长度Lc与平均长度L的关系为：
临界剪切强度为：
5、界面粘接能测试法
在试样中埋人纤维单丝，试样尺寸30mm×10mm×10mm，试样中间开一直径1.5MM小孔，使小孔穿过纤维。对试样施加压应力，由于纤维与基体压缩模量不同，界面产生剪应力，载荷足够大时，纤维在小孔
复合材料界面分析表征提纲
界面形貌结构分析表征增强材料表面化学表征界面力学性能分析表征
一、界面形貌结构分析表征
界面结合强弱与与界面区域的微观结构密切相关；复合材料的结构缺陷常常集中于界面区域；制造与使用过程中，界面的结构前景都吸引人们
?界面结构的最重要的手段是temsemafm和拉曼光谱技术也为人们重视1纤维表面处理形态表征低温等离子处理热处理电晕和低温等离子处理植物纤维2纤维表面接枝聚合物形态碳纤维接枝聚苯乙烯碳纤维接枝3复合材料界面状态纤维拔出状态cc复合材料拉伸破坏断裂面脱粘没有导致表面和内壁任何损伤可以判定纤维与基体之间只有松散结合不存在确定厚度的界面层cc复合材料横断面semcc复合材料界面结构与先驱体种类和热处理形式有关以上显示纤维相同基体及处理不同界面状况不同26显示sicsic复合材料受压力破坏后显示复合材料几乎所有破坏形式27显示纤维拉出和断裂破坏界面结合弱碳化硅增强某种钛合金复合材料a纤维表面有一层碳b纤维表面未覆盖c反应层有明显区别

纳米复合材料的界面及形貌表征

陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。

陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。

这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。

而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。

纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料来讲，界面的粘结形式主要有两种：机械粘结，化学粘结由于陶瓷基复合材料往往是在高温条件下制备，而且往往在高温环境中工作，因此增强体与陶瓷之间容易发生化学反应形成化学粘结的界面层或反应层。

若基体与增强体之间不发生反应或控制它们之间发生反应，那么当从高温冷却下来时，陶瓷的收缩大于增强体，由于收缩而产生的径向压应力 r 与界面剪应力有关。

此外，基体在高温时呈现为液体(或粘性体)，它也可渗入或浸入纤维表面的缝隙等缺陷处，冷却后形成机械结合。

实际上，高温下原子的活性增大，原子的扩散速度较室温大的多，由于增强体与陶瓷基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。

此时，增强体与基体之间的界面是具有一定厚度的界面反应区，它与基体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性的。

例如Al2O3f/SiO2系中会发生反应形成强的化学键结合。

2、界面的作用对于陶瓷基复合材料来讲，界面粘结性能影响陶瓷基体和复合材料的断裂行为。

对于陶瓷基复合材料的界面来说，一方面应强到足以传递轴向载荷，并具有高的横向强度；另一方面，陶瓷基复合材料的界面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。

因此，陶瓷基复合材料界面要有一个最佳的界面强度。

强的界面粘结往往导致脆性破坏，如下图(a)所示，裂纹可以在复合材料的任一部位形成，并迅速扩展至复合材料的横截面，导致平面断裂。

平面断裂主要是由于纤维的弹性模量不是大大高于基体，因此在断裂过程中，强的界面结合不产生额外的能量消耗。

第二章复合材料的界面及界面优化

18
19
机械结合基体与增强材料之间不发生化学反应，靠纤维的粗糙表面与基体产生机械互锁而实现的。
在钢筋与混凝土之间的界面上会产生剪应力，为此，在预应力钢筋的表面带有螺纹状突起。
20
表面越粗糙，互锁作用越强，机械粘结作用越有效。
在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很难遇到，往往是机械粘结作用与其它粘结机理共同起作用。但机械结合方式几乎存在于所有复合材料中。
类型3
纤维与基体互不反应纤维与基体互不反纤维与基体反应形成界面
亦不溶解
应但相互溶解
反应层
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
镀铬的钨丝 / 铜碳纤维 / 镍钨丝 / 镍合金共晶体丝 / 同一合金
二、界面的效应
(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、磁性、耐热性等。
(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、隔音性、隔热性、耐机械冲击及耐热冲击性等。
(5)诱导效应一种物质(通常是增强相)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，由此产生一些新的现象，如低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。
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
37
界面结合结合太弱，受载时，纤维大量拔出，强度低；结合太强，纤维受损，复合材料脆断，既降低强度，又降低韧性。只有界面结合适中的复合材料才呈现高强度和高韧性。

复合材料界面分析技术

复合材料界面分析技术简介复合材料是由两种或多种不同组分组成的新材料，其界面是影响复合材料性能的关键因素之一。

复合材料界面分析技术是一种研究复合材料界面特性和相互作用的方法，该技术可以帮助科学家和工程师深入了解复合材料界面的结构、性质和失效机理，从而改进复合材料设计和应用。

表面分析技术1.扫描电子显微镜（SEM）–SEM是一种常见的界面分析技术，通过扫描样品表面的电子束，可以获取高分辨率的表面形貌信息，以及界面的形貌特征、粗糙度和孔隙度等参数。

–SEM还可以结合能谱分析技术（EDS）进行元素分析，从而了解不同相的分布情况以及界面处元素的交互作用。

2.X射线光电子能谱（XPS）–XPS是一种表面分析技术，可以获得化学计量比和能态信息，用于表征复合材料界面的化学成分和界面能态特性。

–XPS可以通过改变束流能量和角度，分析不同深度处的界面化学成分。

3.傅里叶变换红外光谱（FTIR）–FTIR可以用于分析复合材料界面的化学成分和功能团，从而研究界面的相互作用机制和性能调控方式。

–FTIR还可以通过差示扫描量热仪（DSC）等技术，研究界面反应的热性质和动力学。

界面力学性能测试技术1.力学性能测试–拉伸试验、弯曲试验等是常见的检测界面力学性能（如粘结强度、界面剪切强度等）的方法，可以评估复合材料界面的耐久性和力学强度。

2.微纳力学测试技术–原子力显微镜（AFM）可以测量复合材料界面的力-位移曲线，用于评估界面的强度和粘附力。

–AFM还可以进行纳米压痕测试，研究复合材料界面的硬度、弹性模量等力学性能。

3.界面失效分析–界面失效是复合材料在使用过程中的常见问题，界面失效分析技术可以帮助确定界面破坏机理和失效形式，从而指导提升界面的耐久性和可靠性。

–最常用的界面失效分析技术包括断口分析、断裂力学分析和失效模式分析等。

数值模拟方法复合材料界面分析技术不仅包括实验方法，还有数值模拟方法。

通过建立界面模型和适当的界面模型参数，可以对复合材料界面的结构和性能进行预测和优化。

复合材料的界面

w F dx 2 ldx dA

w
dA
10
表示使液体增加单位面积所需作的（非体积）功，
单位为 J m2 ，称为比表面能。由于恒T.p下，可逆非体积功等于吉布斯函变
W dGT , P dA
G ( )T , P A

等于系统增加单位面积时所增加的吉布斯函数，
即
sv sl lv cos
——杨氏方程
sv sl lv时， cos 1， 0 ，完全润湿，粘附功最大
14
sv sl时， cos 0, 90 , 不润湿 lv sv sl 0时，0< cos 1,0 90 , 润湿
24
2、A-151、A-172: 1，2－聚丁二烯树脂，丁苯树脂
A-151 化学名称：乙烯基三乙氧基硅烷分子式：CH2=CHSi(OC2H5)3 A-172 化学名称：乙烯基三(2-甲氧基乙氧基) 硅烷分子式：CH2=CHSi (OCH2CH2OCH3)
25
3、KH-560: 环氧树脂
化学名称：γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷 OCH3 分子式： CH2 Si OCH3 OCH3 O
43
21
22
R基团与树脂基体的作用机理：以R基团为乙烯基—CH＝CH2与不饱和聚酯树脂中的不饱和双键的反应为例：
23
偶联剂的品种及其应用范围 1、KH-570: 不饱和聚配树脂
化学名称：γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷分子式：CH2=C(CH3)COOC3H6Si(OCH3)3 国外对应牌号： A-174（美国联合碳化物公司） KBM-503（日本信越化学工业株式会社） SH-6030（美国道康宁化学公司）

复合材料界面剪切强度表征方法研究

复合材料界面剪切强度表征方法研
究
“复合材料界面剪切强度表征方法研究”是指研究如何表征复合材料界面剪切强度的方法。

它主要包括以下几个方面：
1.分析复合材料的特性和特点：复合材料是由不同材料组成的，具有许多独特的性能特征，如强度、刚度、耐磨性、导电性等，这些性能特征都会影响复合材料界面剪切强度的表征。

因此，在研究复合材料界面剪切强度表征方法之前，需要分析复合材料的特性和特点，找出影响其剪切强度的因素，以便有针对性地研究表征方法。

2.确定剪切强度测试方法：复合材料界面剪切强度表征方法的研究，需要先选择一种有效的剪切强度测试方法，以便准确地测量复合材料界面剪切强度。

常用的剪切强度测试方法有拉伸试验，抗拉剪切试验，剪应力试验等。

3.研究复合材料界面剪切强度表征方法：根据剪切强度测试方法的结果，研究不同复合材料界面剪切强度的表征方法，以确定表征精度和可靠性，并给出表征的具体方法。

4.验证复合材料界面剪切强度表征方法：在确定了复合材料界面剪切强度表征方法之后，还需要对其进行验证，以确定表征结果的准确性和可靠性。

以上就是“复合材料界面剪切强度表征方法研究”的大致内容，主要包括分析复合材料的特性和特点、确定剪切强度测试方法、研究复合材料界面剪切强度表征方法、验证复合材料界面剪切强度表征方法等步骤。

它是一项重要而有意义的工作，可以为我们了解复合材料的剪切强度等性能提供可靠的参考数据，为复合材料的生产和应用提供有效的指导。

第2章复合材料的界面和优化设计

系数也比较大，复合后容易产生拉伸残余应力，而增强体（尤其是纤维）多为脆性材料，其热膨胀系数也比较小，复合后容易出现压缩残
余应力。因而不能选用模量很低的基体与模量很高的纤维复合，否则
纤维容易发生屈曲。在选择金属基复合材料的组分材料时，为避免过高的残余应力，要求增强体与基体的热膨胀系数不要相差太大。
界面的作用机理：
界面作用机理是指界面发挥作用的微观机理。
1、界面浸润性理论
浸润性是表示液体在固体表面上铺展的程度。该理论认为，填充剂被液态树脂良好浸润是非常重要的，若浸润不好会在界面上产生孔隙，易使应力集中而使复合材料开裂，如果两组组分完全浸润，则树脂与填充剂之间的黏结强度将超过基体的内聚强度。
价值、能否推广使用的一个极重要的问题。
界面效应既与界面结合状态、形态和物理--化
学性质等有关，也与界面两侧组分材料的浸润性、
相容性、扩散性等密切相联。
复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面，
而是一个多层结构的过渡区域，界面区是从与增
强剂内部性质不同的某一点开始，直到与基体内
整体性质相一致的点间的区域。
31
4、扩散理论
复合材料的基体与增强材料间可以发生原子或分子的互扩散或发生反应，从而形成反应结合或互扩散结合。对于聚合物来说，这种粘结机理可看作为分子链的缠结(如图所示)。
上述每一种理论都有一定的实验支待，
但每一种理论都有它的局限性，这是因为
界面相是一个结构复杂而具有多重行为的相。
二、金属基复合材料的界面
1、界面类型
类型
I类界面
基体与增强材料之间既不相互反应，也不互溶，这类界面微观是平整的，而且只有分子层厚度，界面除了原组成物质外，基本上不含其它物质。

复合材料中微观结构的表征技术

复合材料中微观结构的表征技术在材料科学领域，复合材料因其优异的性能而备受关注。

然而，要深入理解复合材料的性能，就必须对其微观结构进行精确的表征。

复合材料的微观结构复杂多样，包括纤维、颗粒、基体的分布、界面特性等，这些微观结构特征直接决定了材料的力学、热学、电学等性能。

因此，发展和应用有效的微观结构表征技术至关重要。

常见的复合材料微观结构表征技术之一是光学显微镜（Optical Microscopy，OM）。

它是一种相对简单且直观的方法，通过可见光的折射和反射来观察样品的表面形貌和微观结构。

光学显微镜可以提供微米级别的分辨率，对于较大尺寸的微观结构特征，如纤维的排列、颗粒的分布等，能够给出较为清晰的图像。

但它的局限性也很明显，对于纳米级别的微观结构和内部结构的观察能力有限。

电子显微镜（Electron Microscopy，EM）则是更强大的微观结构表征工具。

其中，扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）通过电子束扫描样品表面，产生二次电子图像，能够提供高分辨率的表面形貌信息，分辨率可达纳米级别。

我们可以清晰地看到复合材料中纤维与基体的界面结合情况、颗粒的形态和分布等。

此外，结合能谱分析（Energy Dispersive Spectroscopy，EDS），还能对样品的元素组成进行定性和定量分析。

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）则能够穿透样品，提供内部微观结构的信息。

它的分辨率甚至可以达到原子级别，对于研究晶体结构、位错、晶界等微观结构特征具有不可替代的作用。

但TEM样品制备复杂，需要将样品减薄至几十甚至几纳米的厚度，这在一定程度上限制了其广泛应用。

X 射线衍射（Xray Diffraction，XRD）技术是用于分析晶体结构的重要手段。

通过测量 X 射线在晶体中的衍射角度和强度，可以确定晶体的类型、晶格参数、晶体取向等信息。