复合材料的界面形成过程
《复合材料》课程笔记
《复合材料》课程笔记第一章：复合材料概述1.1 材料发展概述复合材料的发展历史可以追溯到古代，人们使用天然纤维（如草、木）与土壤、石灰等天然材料混合制作简单的复合材料，例如草绳、土木结构等。
然而，现代复合材料的真正发展始于20世纪40年代，当时因航空工业的需求，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）。
此后，复合材料技术经历了多个发展阶段，包括碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维的研制和应用。
70年代，芳纶纤维和碳化硅纤维的出现进一步推动了复合材料的发展。
这些高强度、高模量纤维能够与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，形成了各种具有特色的复合材料。
1.2 复合材料基本概念、特点复合材料是由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。
复合材料具有以下特点：- 重量轻：复合材料通常具有较低的密度，比传统材料轻，有利于减轻结构重量。
例如，碳纤维复合材料的密度仅为钢材的1/5左右。
- 强度高：复合材料可以承受较大的力和压力，具有较高的强度和刚度。
例如，碳纤维复合材料的拉伸强度可达到3500MPa以上。
- 加工成型方便：复合材料可以通过各种成型工艺进行加工，如缠绕、喷射、模压等。
这些工艺能够适应不同的产品形状和尺寸要求。
- 弹性优良：复合材料具有良好的弹性和抗冲击性能，能够吸收能量并减少损伤。
例如，橡胶基复合材料在受到冲击时能够吸收大量能量。
- 耐化学腐蚀和耐候性好：复合材料对酸碱、盐雾、紫外线等环境因素具有较好的抵抗能力，适用于恶劣环境下的应用。
例如，聚酯基复合材料在户外长期暴露下仍能保持较好的性能。
1.3 复合材料应用由于复合材料的优异性能，它们在各个领域得到了广泛的应用。
主要应用领域包括：- 航空航天：飞机、卫星、火箭等结构部件。
复合材料的高强度和轻质特性使其成为航空航天领域的重要材料，能够提高飞行器的性能和燃油效率。
第四章 复合材料的界面
• 第二阶段是聚合物的固化阶段。在此过程中聚 第二阶段是聚合物的固化阶段。 固化阶段 合物通过物理的或化学的变化而固化，形成固 合物通过物理的或化学的变化而固化， 定的界面层。固化阶段受第一阶段影响， 定的界面层。固化阶段受第一阶段影响，同时 它直接决定着所形成的界面层的结构。 它直接决定着所形成的界面层的结构。以热固 性树脂的固化过程为例， 性树脂的固化过程为例，树脂的固化反应可借 助固化剂或靠本身官能团反应来实现。 助固化剂或靠本身官能团反应来实现。在利用 固化剂固化的过程中，固化剂所在位置是固化 固化剂固化的过程中， 反应的中心， 反应的中心，固化反应从中心以辐射状向四周 扩展，最后形成中心密度大、 扩展，最后形成中心密度大、边缘密度小的非 均匀固化结构。 均匀固化结构。
表面结合化学键示意图
五、 界面反应或界面扩散理论 在复合材料组分之间发生原子 或分子间的扩散或反应，从而形 成反应结合或扩散结合。 界面反应结合或扩 散结合示意图
4. 3 聚合物基复合材料界面
• 一、界面的形成 • 对于聚合物基复合材料，其界面的形成可以分成两 对于聚合物基复合材料， 个阶段： 个阶段： • 第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程。由 第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程。 接触与浸润过程 于增强纤维对基体分子的各种基团或基体中各组分 的吸附能力不同， 的吸附能力不同，它总是要吸附那些能降低其表面 能的物质， 能的物质，并优先吸附那些能较多降低其表面能的 物质。 物质。因此界面聚合层在结构上与聚合物本体是不 同的。 同的。
•
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 复合材料的界面示意图
二、界面结合方式的分类
1)机械结合。基体与增强材料之间不发生化学反应， 1)机械结合。基体与增强材料之间不发生化学反应，纯粹靠机械 机械结合 连结，靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。 连结，靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。 2)溶解和润湿结合。基体润湿增强材料， 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 溶解和润湿结合 和溶解，形成结合。界面是溶质原子的过渡带。 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 3)反应结合。基体与增强材料间发生化学反应， 反应结合 合物，使基体和增强材料结合在一起。 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， 交换反应结合。 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， 且还通过扩散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。 且还通过扩散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。 5)混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。 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 混合结合 上几种结合方式中几个的组合。 上几种结合方式中几个的组合。
复合材料----复合材料的复合原理及界面
复合材料
第二章复合材料的复合原理及界面
1、弥散增强和颗粒增强的原理
1）弥散增强：复合材料是由弥散颗粒与基体复合而成，荷载主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动，微粒阻碍基体位错运动能力越大，增强效果愈大，微粒尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好。
2）颗粒增强：复合材料是由尺寸较大（直径大于1 m）颗粒与基体复合而成，载荷主要由基体承担，但增强颗粒也承受载荷并约束基体的变形，颗粒阻止基体位错运动的能力越大，增强效果越好；颗粒尺寸越小，体积分数越高，颗粒对复合材料的增强效果越好。
2、什么是混合法则，其反映什么规律
混合法则（复合材料力学性能同组分之间的关系）：σc=σf V f+σm V m，E c=E f V f+E m V m式中σ为应力，E为弹性模量，V 为体积百分比，c、m和f 分别代表复合材料、基体和纤维；反映的规律：纤维基体对复合材料平均性能的贡献正比于它们各自的体积分数。
3、金属基复合材料界面及改性方法有哪些
金属基复合材料界面结合方式：
①化学结合
②物理结合
③扩散结合
④机械结合。
界面改性方法：
①纤维表面改性及涂层处理；
②金属基体合金化；
③优化制备工艺方法和参数。
4、界面反应对金属基复合材料有什么影响
界面反应和反应程度（弱界面反应、中等程度界面反应、强界面反应）决定了界面的结构和性能，其主要行为有：
①增强了金属基体与增强体界面的结合强度；
②产生脆性的界面反应产物；
③造成增强体损伤和改变基体成分。
碳纤维复合材料的表界面
复合材料界面的控制
❖ 复合材料界面的控制是通过界面粘合状态、界面层特性的调 整及控制以使复合材料达到最佳的综合(如强度、韧性等方面) 性能。 ❖ 孤立地将界面认为是零厚度的二维面，仅考虑该面两侧的粘 接问题是远远不够的。 ❖ 界面是具有一定厚度的、存在于增强纤维与树脂基体之间的 过渡区。 ❖ 探讨界面层所需的性能，调整界面相结构，来控制复合材料 的性能。
structure and property characters of the interlayer
A. 非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、形式多样 界面区至少包括： 基体表面层、增强体表面层、基体/增强体界面层三个部分；
B. 具有一定厚度的界面相（层），其组成、结构、性能随厚度方向 变化而变化，具有“梯度”材料性能特征；
碳纤维非氧化处理：主要用于C/C复合、CMC、MMC复合体系。
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碳纤维表面的含氧官能团的数量起着决定性作用， 数量越多结合力越强。碳纤维表面含氧官能团主要有羧 基、羟基和羰基等。
碳纤维表面官能团与树脂之间相互作用示意图
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臭氧氧化法
臭氧氧化法： 碳纤维表面的不饱和状态的碳原子进行氧化，使 其生成含氧官能团。
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界面残余应力
1）热残余应力 热膨胀系数的不同、环境温度的变化是多组分材料存在热残余
应力的根本原因。 高性能树脂基复合材料多半高温固化成型，成型温度与使用温
度有很大差别；增强纤维与基体间热膨胀系数也存在很大差异。 2）固化残余应力 环氧、酚醛、不饱和聚酯、聚酰亚胺等树脂，在固化过程中都
伴随着体积收缩。 纤维具有较高模量，树脂基体的固化收缩会在材料内部形成很
碳纤维电化学表面处理前后XPS表面化学分析结果
复合材料的界面
改变强化材料表面的性质
• 对SiC晶须表面采用化学方法处理后XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)分析的结 果。由C(1s)和Si(2p)的波谱可以看出，有的地方存在SiO2，有的地方不存在SiO2。 利用这样的表面状态的差来增强界面的结合力。
6.6.2 向基体添加特定的元素
• 在用烧结法制造复合材料的过程中，为了有助于 烧结，往往向基体添加一些元素。有时为了使纤 维与基体发生适度的反应以控制界面，也可以添 加一些元素。在SiCPCS纤维强化玻璃陶瓷（LAS） 中，如果采用通常的LAS成分的基体，在晶化处 理时会在界面产生裂纹。而添加百分之几的Nb时， 热处理过程中会发生反应，在界面形成数微米的 NbC相，获得最佳界面，从而达到高韧化的目的。
5.5 界面行为
5.5.1 界面的脱粘与剥离（Debonding）
研究界面的脱粘与剥离的意义
研究思路 ➢ 考虑基体中仅有一根纤维，受到拉伸载荷为Pf的情
况 ➢ 分析复合材料中强化材料与基体间应力传递的方
式 解析法： ➢ 应用最大剪切应力理论 ➢ 应用断裂力学理论
脱粘、剥离与滑动的关系为一旦发生脱粘与剥离，剥离部分就产生滑 动。解析法可以应用最大剪切应力理论，也可以应用断裂力学理论。
临界值
• 断裂的机制 张开型裂纹 φ=0
剪切型裂纹 φ=90 φ=tan-1（KⅡ/KⅠ）
界面对复合材料性能的影响
• 界面特性
复合材料性能
界面黏结强度下降复合材料弹性模量下降
• 但界面特性与复合材料性能的定量关系少
• 界面参数 （强度，韧性）
• 脆性组元的界面区域，尺寸与厚度相当的缺 陷 断裂力学模型
5.2.1 界面应力与非弹性过程
复合材料的界面理论
复合材料的界面理论1、界面形成及其形成1.1界面的定义复合材料的界面是指基体与增强相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。
界面区域如图1-1所示。
1.2界面的形成复合材料体系对界面要求各不相同，它们的成形加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为两个阶段: 第一阶段:增强体与基体在一组份为液态(或粘流态)时的接触与浸润过程。
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，通常都存在一个液态对固体的相互浸润。
所谓浸润，即把不同的液滴放到不同的液态表面上，有时液滴会立即铺展开来，遮盖固体的表面，这一现象称为“浸润”。
第二阶段:液态(或粘流态)组份的固化过程，即凝固或化学反应。
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。
以固热性树脂的固化过程为例，固化剂所在位置是固化反应的中心，固化反应从中心以辐射状向四周扩展，最后形成中心密度大、边缘密度小的非均匀固化结构，密度大的部分称为胶束或胶粒，密度小的称胶絮。
2、界面对复合材料性能的影响及影响界面结合强度的因素 2.1界面对复合材料性能的影响复合材料内界面结合强度是影响复合效果的最主要因素。
界面的结合强度主要取决于界面的结构、物理与化学性能。
具有良好结合强度的界面，可以产生如下强化效应:(1)阻止裂纹的扩散，提高材料的韧性;(2)通过应力传递，使强化相承受较大的外载荷，提高复合材料的承载能力;(3)分散和吸收各种机械冲击和热冲击的能量，提高抗外加冲击的能力;(4)使强化相与基体产生既相互独立又相互协调的作用，弥补各自的缺点，获得新的材料使用性能。
复合材料-第四章复合材料界面
（1）物理因素
例1 粉末冶金制备的W丝/Ni，钨在镍中有很大的固溶度，在1100℃左右使用50小时后，钨丝发生溶解，造成钨丝直径仅为原来的60%，大大影响钨丝的增强作用，如不采取措施，将产生严重后果。为此，可采用钨丝涂覆阻挡层或在镍基合金中添加少量合金元素，如钛和铝，可以起到一定的防止钨丝溶入镍基合金的作用。
如何防止碳在镍中先溶解后析出的问题，就成为获得性能稳定的Cf / Ni的关键。
例2 碳纤维增强镍基复合材料。在800℃高温下，在界面碳先溶入镍，而后又析出，析出的碳是石墨结构，密度增大而在界面留下空隙，给镍提供了渗入碳纤维扩散聚集的位置。而且随温度的提高镍渗入量增加，在碳纤维表层产生镍环，严重损伤了碳纤维，使其强度严重下降。
4.2.1 聚合物基复合材料的界面
1.界面的形成 聚合物基复合材料界面的形成可以分成两个阶段： ①基体与增强纤维的接触与浸润过程； 增强纤维优先吸附能较多降低其表面能的组分，因此界面聚合物在结构上与聚合物基体是不同的。 ②聚合物的固化阶段。聚合物通过物理的或化学的变化而固化，形成固定的界面层。
1
2
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，这一区域由五个亚层组成。
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归为以下几种效应。……P61
复合材料界面设计的原则(总的原则)
界面粘结强度要保证所受的力由基体通过界面传递给增强物，但界面粘结强度过高或过弱都会降低复合材料的强度。
复合材料的界面
用于不含游离水，只含化学键合水或物理结合水的干燥 填料体系。
Eg：碳酸钙、水合氧化铝等。
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2 单烷氧基焦磷酸酯基型 适合范围： 用于含湿量较高的填料体系，如陶土、滑石粉等。 三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯(TTOPP—385)就是典型 的单烷氧基焦磷酸酯基型偶联剂。
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填充、增强材料的表面处理
为了改进增强纤维与基体之间的界面结构，改善两者间的结合性能， 需要对增强纤维进行适当的表面处理。
表面处理的方法是在增强纤维表面涂覆上一种称为表面处理剂的物质， 包括浸润剂、偶联剂等其它助剂，以制造与基体间好的粘结界面。
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１ 粉状颗粒的表面处理技术
无机粉体填料与有机高聚物的不相容性，重视研究改善粉 体填料的表面性质。
3
聚合物基复合材料界面的形成及作用机理 1. 界面的形成 两个阶段：基体与增强材料的接触与浸润过程；基体与增强 材料通过相互作用使界面固定阶段 界面层的结构包括：界面的结合力、界面区域的厚度和界面 的微观结构 通常对纤维进行表面处理以增强界面结合力
4
2. 界面作用机理
（1）界面张力、表面自由能、比表面能
lv
sv sl时，cos 0, 90o,不润湿
lv sv sl 0时，0<cos 1, 0o 90o,润湿
sv sl lv时，cos 1， 0o，完全润湿，粘附功最大
8
B. 化学键理论 偶联剂作用机理 强调增加界面的化学作用是改进复合材料性能的关键 硅烷偶联剂具有两种性质不同的官能团，一端为亲玻璃纤维的官能团 (X)，一端为亲树脂的官能团(R)，将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面 上形成共价键结合
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
第6章 聚合物复合材料的界面
重要性： 重要性： 第 6 章 复 合 材 料 的 界 面
1. 界面所占面积多： 界面所占面积多： 玻璃钢制品中30%纤维含量的制品与50%纤维含量制 玻璃钢制品中30%纤维含量的制品与50%纤维含量制 30%纤维含量的制品与50% 品的界面数量明显不同 2. 力的传递
基体与纤维之间连接桥梁， 基体与纤维之间连接桥梁，纤维与基体之间的应力 传递作用 3. 影响性能－ 影响性能－增韧
提高浸润性的手段
第 6 章 复 合 材 料 的 界 面
界面设计基本原则：改善浸润性，提高界面的粘接强度。 界面设计基本原则：改善浸润性，提高界面的粘接强度。 提高PMC界面粘接强度的措施： 界面粘接强度的措施： 提高 界面粘接强度的措施 （1）使用偶联剂 ） 偶联剂：也称活性浸润剂， 偶联剂：也称活性浸润剂，它既与增强用玻璃纤维表面 形成化学键， 形成化学键，又与基体具有良好的相容性或与基体反应的化 学试剂。 学试剂。 常用的偶联剂：有机硅、有机铬、钛酸酯等。 常用的偶联剂：有机硅、有机铬、钛酸酯等。 有机硅偶联剂的结构通式为： 有机硅偶联剂的结构通式为：R-Si-(OR`)3
6.2 高聚物复合材料界面的形成及作用机理
第 6 章 复 合 材 料 的 界 面
3、机械结合： 当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不 机械结合： 当两个表面相互接触后， 平将发生机械互锁。 平将发生机械互锁。 另一方面，尽管表面积随着粗糙度增大而增大， 另一方面，尽管表面积随着粗糙度增大而增大，但 其中有相当多的孔穴，粘稠的液体是无法流入的。 其中有相当多的孔穴，粘稠的液体是无法流入的。无 法流入液体的孔不仅造成界面脱粘的缺陷，而且也形 法流入液体的孔不仅造成界面脱粘的缺陷， 成了应力集中点。 成了应力集中点。
复合材料性能
第4章复合材料的界面
界面的基本概念
界面的形成与作用机理
§界面的作用机理
（七）优先吸附理论
树脂胶液中，各组分在玻璃纤维上的吸附能力各不相同，纤维表面优 先吸附基体体系中的助剂。例如胺类固化环氧树脂，优先吸附胺类，使界 面层基体内分布为一梯度，有利于消除应力，改善复合材料的力学性能。
界面的破坏机理
§影响界面黏结强度的因素
（1）纤维表面晶体大小及比表面积
碳纤维复合材料的界面黏结强度随纤维表面晶体尺寸增大而下降。 纤维的比表面积大，黏结的物理界面大，粘结强度高。但对于不同的 纤维和不同的表面处理，应该具体问题具体分析。 （2）浸润性 界面的黏结强度随浸润性增加而增大，随空隙率的上升而下降。 （3）界面反应性 界面黏结强度随界面反应性的增大而增大，界面的反应性大小与复合 材料层剪强度紧密相关。制备复合材料时要尽可能多地向界面引入反应基 团，增加界面化学键合比例，提高复合材料性能。
第4 章 聚合物基复 合材料的界面
本章主要内容
1 2 3 4 5
第一节 界面的基本概念 第二节 界面的形成与作用机理 第三节 界面的破坏机理 第四节 纤维的表面处理
第五节 复合材料界面的研究
界面的基本概念
• 界面——纤维复合材料中增强纤维和基体之间
共有的接触面。 • 聚合物基复合材料的三要素：界面、纤维和基 体。 • 影响复合材料性能的因素：①增强材料的性能， 如纤维的形状、排列等；②基体的性能；③复 合材料的结构及成型技术；④复合材料中纤维 和基体界面的结合状态，即界面层的性能。
复合材料第3章----复合材料的界面
钨丝/ 铜 Al2O3纤维 / 铜 Al2O3纤维 / 银 硼纤维（表面涂BN）/ 铝 不锈钢丝/ 铝 SiC纤维（CVD）/ 铝
硼纤维 / 铝
镀铬的钨丝/ 铜 碳纤维 / 镍 钨丝/ 镍
合金共晶体丝/ 同一合金
钨丝/铜-钛合金 碳纤维/ 铝（＞580℃）
Al2O3纤维/ 钛 硼纤维/ 钛
硼纤维/ 钛-铝 SiC纤维/强材料与含有两种以上元素的金属基体之间发生化学反应， 形成反应产物后，反应产物还会与其它基体元素发生交换反应，产 生界面不稳定。
例如硼纤维/钛合金（Ti-Al-1V-1Mo）,硼与钛在界面首先发 生反应：
Ti(Al) + B → (Ti·Al)B2 再发生交换反应:
(Ti·Al)B2 + Ti → TiB2 + Ti(Al) 电子探针证实了界面反应的最终产物是TiB2。
总体要求：
4①面.均希金匀望属、增有强基效材复地料传与合递基材应体力之料；间界具有面良设好的计润湿性，粘着强，有利于界
②增强材料与基体润湿后互相间发生一定程度的溶解，保持适宜的 界面结合力，提高复合材料的强韧性；
③产生适量的界面反应，而界面反应物质地均匀、无脆性异物、 不成为复合材料内部缺陷(裂纹)源，界面反应能够得到一定控制。
2金属基复合材料的界面
金属基复合材料由于基体与增强物复合的温度较高，基体与增强物 易发生相互作用而生成化合物，而基体与增强物互相扩散而形成扩散层.
复合材料的复合原则及界面
复合材料的复合原则及界面复合材料是由两个或多个不同性质的材料组合而成的材料，通过将各种材料的优点相互结合，可以得到具有更好性能和更广泛应用的材料。
复合材料的复合原则和界面是影响复合材料性能的重要因素，下面将详细介绍。
机械复合是指通过力的作用将两种或多种材料结合在一起。
例如，在纤维增强复合材料中，纤维和基体通过力的作用使其结合在一起，形成复合材料。
机械复合适用于强度要求高、耐磨性强的产品。
机械复合的优点是简单易行，但界面结合力较弱。
化学复合是指通过化学反应使两种或多种材料结合在一起。
例如，在聚酯树脂和玻璃纤维布中，通过涂布树脂、固化反应将其结合在一起。
化学复合适用于要求强度高、界面粘结力强的产品。
化学复合的优点是界面结合力强，但复合过程所需的材料和设备较多。
物理复合是指通过物理吸附、静电作用等力的作用将两种或多种材料结合在一起。
例如，在橡胶和金属复合材料中，通过物理吸附力将橡胶和金属结合在一起。
物理复合适用于要求柔软、耐热性好的产品。
物理复合的优点是操作简便，但界面结合力较弱。
表面改性是指通过处理材料表面使其与其他材料更好地结合在一起。
例如，通过表面改性处理，改善材料的亲水性或增加表面粗糙度，从而提高与其他材料的粘结力。
表面改性适用于要求界面粘结力强的产品。
表面改性的优点是简单易行，但只是针对材料表面的改性，界面结合力可能不如其他复合方式。
物理界面是指两种材料之间的物理结合，如吸附、机械咬合等。
物理界面的结合力较弱，容易发生剥离或剪切现象。
为了提高物理界面的结合力，可以采用增加界面接触面积、增加纳米级界面过渡层等方法。
化学界面是指两种材料之间的化学结合，如共价键、离子键等。
化学界面的结合力较强，具有较好的界面粘附性。
为了提高化学界面的结合力，可以采用表面改性、界面交联等方法。
综上所述，复合材料的复合原则和界面对于复合材料性能的影响是不可忽视的。
在设计和制备复合材料时，需要根据产品的要求和应用环境选择合适的复合方法和优化界面结构，以提高复合材料的性能和应用价值。
第4章 复合材料的界面结合特性-1
第4章 复合材料的界面结合特性
孙举涛
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本章主要内容
4.1 复合材料的界面形成过程 4.2 树脂基复合材料的界面结构及界面理论 4.3 非树脂基复合材料的基体及界面结构 4.4 树脂基复合材料界面的破坏原理 4.5 复合材料界面优化设计 4.6 界面分析技术
2
4.1复合材料的界面形成过程
（9）酸碱作用理论 根据酸碱作用理论： 增强材料与聚合物基体的表面酸碱性不同时，易结 合，酸碱性相差越大越易结合； 增强材料与聚合物基体的表面酸碱性一致时，应对增 强材料进行表面处理，改变其表面酸碱性，使增强材料 与聚合物基体的表面酸碱性不同，达到提高增强材料与 聚合物基体之间的结合强度。 界面接触体系的粘附功的非色散成分, 主要来源于界面 的酸碱作用, 而并非是偶极（极性 作用）。
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4.3 非树脂基复合材料的界面结构
4.3.1 金属基复合材料的界面结合理论
1、金属基复合材料界面类型
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 界面平整、分子层厚 度；除原组成外不含 其它物质。 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
由于充分的润湿两相界面处产生的物理吸附主要是由范德华力的作用实42树脂基复合材料的界面结构及界面理论422树脂基复合材料的界面结合理论两组分能充分浸润则粘结强度高于树脂基体的内聚能1142树脂基复合材料的界面结构及界面理论422树脂基复合材料的界面结合理论1润湿理论湿润理论解释了增强体表面粗化表面积增加有利于提高与基体树脂界面结合力的事实但是单纯以两者润湿好坏来判定增强体与树脂的粘接效果是不完全的
复合材料界面理论概述
复合材料至少具有增强体和基体两种不同性质的组分，界面就是在这些组分复合的过程中产生的。
在纤维增强复合材料中，纤维和基体都保持着它们自己的物理和化学特性，但是因为二者之间界面的存在，使得复合材料产生组合的崭新的独特的力学性能。
对于复合材料，界面是一种极为重要的微结构，是复合材料的“心脏”，是联系增强体和基体的“纽带”，对各组分性能的发挥程度和复合材料的总算性能都具有举足轻重的影响。
复合材料之所以比单一材料具有优异的性能，就是因为其各组分间的协同效应，而复合材料的界面就是产生这种效应的根本缘故。
图1 纤维-树脂复合材料界面暗示图复合材料的界面不是零厚度的二维“假想面”，而是具有一定厚度的极为复杂多变的“界面相”或者“界面层”。
界面相的成分、结构、形态和能量均与本体相很不相同，同时，不同的复合材料体系界面相也是不同的。
总之界面具有异常复杂而奥秘的结构，鼓励着人们去探索，去发现。
通过对复合材料的深入研究，人们已经提出了多种复合材料界面理论，比较有代表性的有浸润理论、蔓延理论、化学键理论、啮合理论等。
每一种理论都有一定的实验根据作为支撑，但是因为界面的复杂性，每一种理论都不能完美地解释一切界面现象。
任何事物都不是不可认知的，随着科学技术的发展和界面表征技术的长进，界面理论将会发展和完美，蒙在“界面相”上的奥秘面纱必将在不久的未来被人们揭开。
下面向几种重要的界面理论作容易的推荐：（1）浸润理论：由Zisman于1963年提出。
界面的粘结强度受浸润作用影响，良好的浸润是形成良好界面的基本条件之一。
润湿良好对两相界面的接触有第1 页/共 3 页益，可以减少缺陷的发生，增多机械锚合的接触点，也可以提高断裂能。
因此，增大纤维表面的自由能，提高纤维的浸润性能对增强纤维和树脂间的界面粘结性能有很大协助。
然而，粘结毕竟是异常复杂的过程，不能单纯从浸润性解释所有的界面现象，偶尔候处理后的纤维浸润性变差界面粘结性却浮上了很大的提高。
复合材料界面形成过程
复合材料界面形成过程嘿，咱今儿个就来讲讲复合材料界面形成过程。
你想啊，这复合材料就好比是一个团队，里面的各种材料那就是团队成员。
而这界面呢，就是让这些成员能好好合作、发挥出最大作用的关键纽带。
一开始啊，这些材料们就像是一群陌生人，被放在了一块儿。
它们彼此打量着，心里可能都在嘀咕：“这家伙是谁呀？”就这么着，它们开始慢慢靠近。
然后呢，它们之间就会发生一些奇妙的反应。
就跟两个人认识了之后，会互相产生影响一样。
它们的表面开始相互作用，一些化学键啊啥的就开始形成啦。
这就像是两个人找到了共同话题，关系变得越来越亲密。
接着呀，这种相互作用不断加强，界面也就逐渐清晰起来。
这界面可重要啦，它得协调好各种材料之间的关系，让它们劲儿往一处使。
不然，这团队不就乱套啦？你看啊，要是没有一个好的界面，就好比一场比赛里没有好的裁判，那还不得乱成一锅粥啊。
这界面得让不同的材料都能发挥出自己的优势，又能相互配合得恰到好处。
而且哦，这界面的形成可不是一下子就搞定的，那是得经过一段时间的磨合呢。
就像我们交朋友，也不是一天两天就能成为铁哥们儿的呀。
在这个过程中，温度啊、压力啊这些因素也都很重要呢。
就好像天气会影响我们的心情一样，这些因素也会对界面的形成产生影响。
要是温度不合适，界面可能就形成得不好；要是压力不对，那也不行。
咱再想想，要是这界面形成得不好，那这复合材料的性能不就大打折扣啦？那可不行！所以说呀，得重视这界面形成的过程。
总之呢，复合材料界面形成过程就像是一场奇妙的旅程，各种材料在这个旅程中相遇、相知、相互作用，最终形成一个强大的整体。
这过程可不简单呢，得好好研究、好好把握。
只有这样，我们才能制造出性能优异的复合材料，让它们在各个领域大显身手呀！你说是不是这个理儿？。
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原位、分子、宏观复合材料等
3-5-2 复合材料的组成与特性 1.概述
聚合物基复合材料(polyme-matrix composites,PMC) 金陶碳属瓷/碳基基复复 复合合 合材材 材料料 料(c((amrbeotanl--共cmar同abtro构inx c成coommppoos现 （siittee代 体ss,,C复 系MMM合 ）CC材)) 料 无机胶凝基复合材料(fiber reinforced concrete,FRC)
A. 颗粒增强体：高强、高模、耐高温的陶瓷和石墨等非金 属材料 的微细粉末，主要起增强、增韧作用，而不是普 通填料的填充体积或降低成本的作用，增强体价格往往比 基体还贵。
B. 短 纤 维 （ 晶 须 ） (chopped fiber or whisker) ： 长 径 比 5~1000 之 间 ， 横 截 面 积 小 于 52×10―5cm2 （ 当 量 直 径 约 1~10m）的含缺陷很少的单晶纤维，其模量和强度接近 其纯晶体的理论值。主要有金属晶须、氧化物晶须、氮化 物晶须、硼化物晶须和无机盐类晶须。
性能协同作用，与简单混合有本质的区别（性能上）
简言之：复合材料由连续基体相(matrix phase)和分散增强相 (disperse phase)及界面相(interface phase)所构 成
分散相
金属 材料
无 机 非 金 属 材 料
有机 高分 子材
料
金属纤维(丝) 金属晶须 金属片材
纤维
陶瓷
粒子填充塑料 纤维/村脂基复合材料
碳纤维/金属基复合材 料
纤维/陶基复合材料Fra bibliotek金属/塑料
纤维/树脂基复合材料
颗粒/橡胶 颗粒/树脂基复合材料 纤维/树脂基复合材料
2. 分类： (1)按来源：天然、 人工复合材料等 (2)按基体：树脂基、 金属基、 无机非金属基复合材料等 (3)按增强体形态：颗粒增强(particle-reinforced)
晶须
玻璃 碳
颗粒 纤维 粒子 纤维
炭黑
有机纤维 塑料 橡胶
复合材料系统组合
连
续
相
金属材料
无机非金属材料
纤维金属基复合材料
钢丝/水泥复合材料
晶须/金属基复合材料
晶须/陶瓷基复合材 料
纤维/金属基复合材料 晶须/金属基复合材料 弥散强化合金材料
纤维/陶瓷基复合材 料
晶须/陶基复合材料
有机高分子材料 增强橡胶 金属/塑料板
3-5 复合材料的组成与结构
STRUCTURE OF COMPOSITE MATERIALS
Composition and Structures of Composites Materials Concept, Types and Properties Structures Interfacial Phase Modification of interface
特点：保持金属材料特性外，与金属基体相比具有高强、 高模、高韧性、高抗冲、尺寸稳定性好、抗疲劳性 能好等特点，可沿用大部分金属成型加工方法，适合于
C. 纤维及其织物(braided fabric or filament winding)：植物 纤维、动物纤维、碳物纤维、合成纤维等
（2）复合材料的特性(character) 一般特性： a. 可设计性 b. 构件复合与成型一次性完成，整体性好 c. 性能分散性大，性能对工艺工程及工艺参数甚至一些 偶然性因素都十分敏感，难以精确控制结构和性能 d. 复合效应（多种复合效应）(principle of combined action)
（1）组成(composition)
①基体(matrix)
②增强材料(reinforcement)（都是一个庞大的材料体系、品 种繁多，结构与性能呈多样化，复合体系的系统组合、排 列给复合材料的巨大的发展空间，原则上，基体与增强体 结构与性能差异越大，愈具复合价值，但更为重要的是基 体与增强体之间的匹配。）
一般性能特点： a. 比强度、比模量大 b. 破坏安全性高 c. 耐疲劳性好 d. 阻尼减震性好 e. 耐烧蚀性能好
2. PMC的组成 (1) 基体
热固性基体(thermosetting matrix)： i) 熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好 ii) 交联固化成网状结构，尺寸稳定性、耐热性好，但性脆 iii) 制备过程伴有复杂化学反应
热塑性基体(thermoplastic matrix)： i) 溶体或溶液粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和压力 下成型，工艺性差
ii) 线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好 iii) 制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象) (2) 增强体主要有碳纤、玻纤维、芳纶纤维、硼纤维等
短纤或晶须增强(chopped fiber or whiskers reinforced) 连续长纤增强(continuous fiber-reinforced) 多维编织布增强(braided fabric or filament windingreinforced) 三维编织体增强等
(4)按应用：结构、功能、智能复合材料等 (5)按增强材料品种：玻纤、碳纤、有机纤维复合材料等 (6)按特定含义：通用、先进、现代、
树脂基体与增强体相容性、浸润性较差，多经过表面处理 与表面改性，浸润剂、偶联剂、涂复层的使用，使其组成复 杂化。
3. MMC (1) 基体：Al、Mg、Ti、Ni等轻金属及其它们的合金（比强度、
比模量高） (2) 增强体：强度、模量和熔点远高于金属基体的金属或非金
属材料。
主要有：硼纤维、碳纤维、 SiC纤维、 Al2O3纤维 钨丝、钢丝、不锈钢丝 陶瓷颗粒、晶须等
Section 15.8---15.12
3-5 复合材料的组成与结构(composition and structure of composites) 3-5-1复合材料定义及分类(definition and classification of composites) 1. 定义(P225页)
(1)种类不同，性质差异很大的几种材料及其界面相（层） 所组成（组成上） (2)多相固体材料（结构） (3)经设计复合而成（制备上） (4)通过复合效应获得原组份材料所不具备的性能，或产生