4 复合材料的界面理论和界面控制
新型复合材料的界面调控与性能研究
新型复合材料的界面调控与性能研究一、引言随着科学技术的不断发展，新材料的开发与应用逐渐成为人们关注的焦点。
而新型复合材料作为材料领域中的一大热点，在其制备和应用方面也得到了广泛的研究与应用。
其中，复合材料的界面调控与性能研究是构建优质复合材料的重要方面。
二、复合材料的界面调控1、界面调控的概念复合材料的性能不仅与单个组分的性能有关，同时也受到各组分间界面的影响。
界面调控是指通过改变各组分间的相互作用，调节其界面的结构和性能以优化复合材料性能的方法。
界面调控方法包括物理、化学和力学三种方式。
在实际应用中，制备过程和材料结构的控制是实现界面调控的关键。
2、常见的界面调控方法（1）表面修饰表面修饰是指在固体颗粒表面上引入一层同类型或不同类型的物质，形成新的界面结构。
通过表面修饰，可以提高复合材料的界面结合强度和界面层的生物相容性，从而提高复合材料的综合性能。
（2）界面结构设计界面结构设计是根据各组分在偏析和相互作用方面的情况，设计需要的界面结构。
通过对界面结构的设计，可以实现各组分之间的最佳结合，达到优化复合材料性能的目的。
（3）界面改性界面改性通常是指将改性剂引入到复合材料的界面层中，从而改变其化学性质。
以增强材料为例，通过界面改性可以提高其强度和硬度，并提高复合材料的抗拉、抗弯强度和疲劳性能。
（4）界面聚合界面聚合是在复合材料的界面上引入交联剂，或者通过化学反应使得各组分之间发生交联反应，从而改变复合材料的界面结构和性质。
界面聚合可以使得复合材料的界面层更加紧密，从而提高其强度和韧性。
三、复合材料性能研究1、复合材料的物理性能复合材料的物理性能包括密度、热膨胀系数、热导率、导热系数、电导率等。
在制备复合材料时，需要根据具体应用要求选择合适的填充材料和基体材料，以实现预期的物理性能。
2、复合材料的化学性能复合材料的化学性能主要表现在两个方面。
一是复合材料材料自身的耐腐蚀性能，二是复合材料在特定环境下的耐腐蚀性能。
复合材料的界面
复合材料的界面复合材料是由两种或两种以上不同的材料组成的材料，通过各自的特性相互作用形成的一种新型材料。
界面是不同材料之间的接触面，是复合材料性能的决定因素之一。
下面将从界面的作用、界面的特性和界面的调控三个方面对复合材料的界面进行详细介绍。
界面在复合材料中起着连接、传递和分散应力的作用。
首先，界面连接了不同材料一起，使其形成整体性能优于单个材料的复合材料。
其次，界面能够传递应力，使复合材料整体受力均匀、分散应力集中，提高材料的强度和韧性。
最后，界面还能够分散应力，减少裂纹扩展和断裂的可能性，延长复合材料的使用寿命。
界面的特性主要包括接触角度、界面能、亲水性或疏水性等。
首先，接触角度反映了界面的亲水性或疏水性，即其与液体接触时的表面张力。
亲水性的界面会使液体在复合材料中能够更好地湿润、浸润，提高复合材料的粘合度和界面传递性。
其次，界面能是指界面上分子之间相互作用的能量。
界面能越小，表示复合材料中不同材料之间的相容性越好，界面强度越高。
最后，亲水性界面和疏水性界面对复合材料的性能也会产生不同的影响。
如亲水性界面可增加复合材料的应力强度、韧性和热稳定性，而疏水性界面可减少复合材料的吸湿性和电导性。
界面的调控主要通过界面改性和表面处理两个途径实现。
首先，通过界面改性可以改变界面的性质，提高其性能，例如通过添加界面活性剂进行处理，使界面能更好地吸附和传递应力；通过聚合物接枝物改性，增加界面粘合力等。
其次，通过表面处理可以对界面进行改善，例如通过物理或化学方法处理材料表面，使其表面特性更加适合复合材料的应用。
常用的表面处理方法有溶剂清洗、电子束辐照、化学氧化等。
综上所述，界面是影响复合材料性能的重要因素，通过界面的调控可以改善复合材料的性能。
理解和研究界面的特性和调控方法对于开发出更加优异的复合材料具有重要意义。
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。
复合材料的界面及复合原则
体育器材领域
复合材料在体育器材领域的应用也十分广泛，主要应用于制造高性能的体育器材和装备。复合材料具 有轻质、高强度、抗冲击等优点，能够提高体育器材的性能和使用安全性。
例如，碳纤维复合材料可以用于制造高级自行车架、高尔夫球杆、滑雪板等体育器材，能够显著提高 器材的刚性和减震效果。同时，复合材料还可以用于制造运动鞋和运动服等装备，提高运动员的竞技 表现和舒适度。
向控制工艺。
03
复合材料结构的可设计性
提高复合材料结构的可设计性是实现其高性能的关键。通过发展先进的
计算设计和模拟技术，可以预测和控制复合材料的结构和性能，实现高
性能复合材料的快速研发。
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复合材料面临的挑战与解决方案
01
界面性能控制
复合材料的界面性能对其整体性能具有重要影响，但界面性能的调控仍
面临挑战。解决方案包括优化界面设计、改进制备工艺和引入新型界面
改性技术等。
02
增强材料的分散与取向
增强材料的分散和取向对复合材料的力学性能和功能性能有显著影响。
解决这一问题需要深入研究增强材料的物理和化学性质，优化分散和取
面能等因素。
提高界面粘附力的方法包括选择合适的粘合剂、对材料表面进
03
行预处理、优化复合工艺等。
界面稳定性
01
界面稳定性是指复合材料在长 期使用过程中保持其性能不变 的能力，它与材料的耐久性和 可靠性密切相关。
02
界面稳定性取决于组分之间的 化学键合、物理相互作用以及 环境因素如温度、湿度和化学 介质的影响。
复合材料的界面及复 合原则
目录
• 引言 • 复合材料的界面特性 • 复合原则 • 复合材料的应用 • 结论
Comp(界面理论3)ok
润湿条件为：
γ1s+γ1v＜γsv (3-1)
γ：表面能（表面张力）； v、l、s：分别表示气体、液体和固体。
由上式可见，降低液/固表面能(γ1s)、液/ 气表面能(γ1v)或增加固/气表面能(γsv)有助
于润湿。
5
完全润湿时：θ＝0°（ θ为润湿角）; 部分润湿时： 0°<θ<90°; 完全不润湿：θ＝180°。 一般而言: 润湿性好，润湿角小（ θ＜90°）； 润湿性差，润湿角大（ θ＞90°）。
⑷增加液体压力 增加外压，有利于克 服或降低纤维间的毛细管压力，使液体容易 渗入纤维束。
10
⑸改变加工气氛 由于γ1v、γsv随气体的性
质不同而变化，通过改变加工气氛可以控制固体 与液体之间的润湿状，含 10%氧气时为0.4J·m-2 。此时，银很容易润湿用 镍涂层Al2O3的晶须。
⑷橡胶
丁苯和丁腈橡胶粘结性差，用甲醇擦洗、金钢 砂打磨其表面，再用浓硫酸、氢氧化钠溶液浸泡、 冲洗和烘干。
16
高聚物表面其他改性方法
⑴光化学改性 紫外光照射，改善其润湿性 和粘结性。如用184nm紫外光照射PE，使表 面发生交联，其搭接的剪切强度由原来1.75 MPa提高到15.4MPa。 ⑵表面接枝改性 用等离子体、紫外光或化 学接枝使高聚物表面产生活点，有利于润湿 和粘结。
第三章
复合材料的界面理论和界面控制
1
一. 复合材料的界面
1 界面定义： 复合材料中，两相（如纤维状增强体与基体） 之间某种材料特性出现不连续的区域。 2 复合材料中的界面形貌： 复合材料界面不是理想的平面界面,而是粗糙界 面。在粗糙界面下要尽量使纤维与基体间的界面 达到润湿状态，提高粘接性。
2
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
28
物理相容性中最重要的是要求纤维与基体的 物理相容性中最重要的是要求纤维与基体的 热膨胀系数匹配。 热膨胀系数匹配。 当纤维中残余应力是压应力时，应注意纤维 纤维中残余应力是压应力时 中残余应力是压应力 的屈曲；当基体的残余应力为拉应力时，应考虑 屈曲； 基体的残余应力为拉应力时 的残余应力为拉应力 界面和基体中的裂纹扩展 界面和基体中的裂纹扩展。 裂纹扩展。
8
界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时， 界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时， 的衡量是当受力发生开裂时 这一裂纹能转为区域化而不产生近一步界面 脱粘。即这时的复合材料具有最大断裂能 脱粘。即这时的复合材料具有最大断裂能和 最大断裂能和 一定的韧性。 一定的韧性。
9
由此可见， 研究和设计界面时 由此可见，在研究和设计界面时， 不应只追求界面粘结而应考虑到最优化 界面粘结而应考虑到 不应只追求界面粘结而应考虑到最优化 和最佳综合性能。 和最佳综合性能。
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3. 残余应力
物理相容性要求金属基体有足够的韧性和 物理相容性要求金属基体有足够的韧性和强 要求金属基体有足够的韧性 度，还要求在材料中出现裂纹和位错移动时基体 还要求在材料中出现裂纹 位错移动时基体 裂纹和 上产生的局部应力不在增强纤维上形成高应力 上产生的局部应力不在增强纤维上形成高应力。 高应力。
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在选择金属复合材料的组分材料时， 在选择金属复合材料的组分材料时，为避免 过高的残余应力，要求增强纤维与基体的热膨胀 过高的残余应力，要求增强纤维与基体的热膨胀 系数不要相差很大。 系数不要相差很大。
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4.2.3 陶瓷基复合材料的界面
在陶瓷基复合材料中，增强纤维与基体之间形 在陶瓷基复合材料中， 质地均匀， 成的反应层质地均匀 对纤维和基体都能很好地结 成的反应层质地均匀，对纤维和基体都能很好地结 合，但通常是脆性的。因增强纤维的横截面多为圆 但通常是脆性 脆性的 故界面反应层常为空心圆筒状 空心圆筒状， 厚度可控。 形，故界面反应层常为空心圆筒状，其厚度可控。
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。
复合材料界面调控的策略
复合材料界面调控的策略复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料组合而成的材料。
其中，界面是复合材料中不可忽视的部分，它直接影响着材料的性能和性质。
因此，通过调控复合材料界面可以实现对材料的性能进行改善和优化。
下面将介绍一些常见的复合材料界面调控策略。
1. 表面改性技术：通过对复合材料表面进行物理或化学处理，可以改善材料的表面性能，提高界面的粘结强度。
常见的表面改性技术包括等离子体处理、表面涂层、化学修饰等。
这些技术可以使复合材料与基体或填料之间的界面更加紧密，增强界面的粘结力，提高材料的强度和耐久性。
2. 界面结构设计：通过调整复合材料界面的结构，可以实现对材料性能的调控。
例如，在复合材料界面设计中引入纳米颗粒，可以增加界面的接触面积，提高材料的界面相互作用和相互渗透能力，从而提高材料的强度和耐久性。
另外，利用纳米层间间隔法可以调控纳米颗粒的尺寸和分布，进一步优化界面结构，提高材料性能。
3. 界面增强技术：通过在复合材料界面中引入增强材料，可以提高界面的强度和耐久性。
常见的界面增强技术包括纤维增强、颗粒增强和纳米增强等。
这些技术可以有效地增加复合材料界面的强度和刚度，提高材料的抗拉强度和耐磨性。
4. 界面相互作用调控：通过调控界面材料之间的相互作用力，可以实现对复合材料性能的调控。
例如，通过调节复合材料界面的亲疏水性，可以改变界面的润湿性和黏附性，从而影响材料的摩擦性能和耐腐蚀性。
另外，利用界面相互作用调控技术还可以实现对复合材料的导热性能、电磁性能和光学性能等的调控。
5. 界面界面交互效应：在复合材料界面设计中，通常会涉及到多种界面之间的相互作用效应。
通过合理设计界面之间的相互作用，可以实现对复合材料性能的协同调控。
例如，在纳米复合材料中，通过调整纳米颗粒与基体材料、填料材料之间的界面相互作用，可以实现对材料导电性、热传导性和磁性等性能的调控。
复合材料界面调控是一种有效的方法，可以实现对复合材料性能的改善和优化。
第二章 复合材料的界面及界面优化
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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
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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。
复合材料材料的界面理论 ppt课件
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6
3.3.2增强材料的表面处理
1.碳纤维的表面处理
表面处理的作用：使复合材料不仅具有良好的界面粘接力、 层间剪切强度，而且其界面的抗水性、断裂韧性及尺寸稳 定性均有明显的改进。此外，通过碳纤维表面改性处理， 还可制得具有某种特殊功能的复合材料。
1）氧化法
（1）气相法(或干法):以空气、氧气、臭氧等氧化剂，采用 等离子表面氧化或催化氧化法。
基体表面上的官能团与纤维表面上的官能团起化学反应， 因此在基体与纤维间产生化学键的结合，形成界面。如：偶 联剂的应用而得到证实，故也称“偶联”理论。
（2）液相法（或湿法）：有硝酸、次氯酸钠加硫酸、重铬 酸钾加硫酸、高锰酸钾加硝酸钠加硫酸氧化剂及电解氧化 法等。
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7
2）涂层法
(1)有机聚合物涂层：树脂涂层、接枝涂层、电 沉积与电聚合等。
(2)无机聚合物涂层：经有机聚合物涂层后碳化、 碳氢化合物化学气相沉积、碳化硅或氧化铁涂层、 生长晶须涂层等。
网状结构是指在复合材料组分中，一相是三维连续，另 一相为二维连续的或者两相都是三维连续的。
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2.层状结构
两组分均为二维连续相。所形成的材料在垂直于增强相和 平行于增强相的方向上，其力学等性质是不同的，特别是层 间剪切强度低。
3.单向结构
纤维单向增强及筒状结构的复合材料。
4.分散状结构
（1） 浸润剂会影响复合材料性能（妨碍了纤维与基 体材料的粘接），用前去除浸润剂，
（2）采用偶联剂对纤维表面进行处理。偶联剂的分 子结构中，一般都带有两种性质不同的极性基团， 一种基团与玻璃纤维结合，另一种基团能与基体树 脂结合，从而使纤维和基体这两类性质差异很大的 材料牢固地连接起来。
材料表面与界面-第四章-复合材料的界面及界面优化
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
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。
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
纵向弹性模 量 GPa
6.9
45
145 76
210-280
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
芳纶刹车片
3. 纤维--金属(或合金)复合材料
1电子显微镜观测法基材表面形貌分析尤其是经表面处理的基材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增强体材料表面形貌分析氧等离子处理后经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断面形貌分析碳铝复合材料不同界面结合时的强度与断口特征结合状态拉伸强度mpa断口形貌不良结合206纤维大量拔出长度很大呈刷子状结合适中612纤维有拔出现象并有一定长度铝基体有缩颈现象并可发现劈裂状结合稍强470出现不规则断面并可看到很短的拔出纤维结合太强224典型脆断形式平断口2红外光谱与拉曼光谱波长为25m区间的波谱称为红外光谱它是分子键的振动光谱
Al2O3片
(2) 粒子增强复合材料
(3)叠层复合材料。
Al2O3纤维
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
复合材料的复合原则及界面
复合材料的复合原则及界面
整理课件
1
第一节 复合原则
要想制备一种好的复合材料，首先应 根据所要求的性能进行设计，这样才能成 功地制备出性能理想的复合材料。
复合材料的设计应遵循的原则如下：
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2
一、材料组元的选择
挑选最合适的材料组元尤为重要。
在选择材料组元时，首先应明确各组 元在使用中所应承担的功能，也就是说， 必须明确对材料性能的要求。
表面层的力学特性，润湿速度等。
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由于界面区相对于整体材料所占比重甚 微，欲单独对某一性能进行度量有很大困难。
因此常借于整体材料的力学性能来表征 界面性能，如层间剪切强度(ILSS)就是研究 界面粘结的良好办法；
如再能配合断裂形貌分析等即可对界面
的其他性能作较深入的研究。
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由于复合材料的破坏形式随作 用力的类型、原材料结构组成不同 而异，故破坏可开始在树脂基体或 增强剂，也可开始在界面。
(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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(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。
(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
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如金属基复合材料中，采用纤维与颗粒、 晶须增强时，同样采用固态法，但用纤维增 强时，一般采用扩散结合；而用颗粒或晶须 增强时，往往采用粉末冶金法结合。
因为颗粒或晶须增强时若采用扩散结合，
势必使制造工艺十分复杂，且无法保证颗粒
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。
复合材料界面调控的策略
复合材料界面调控的策略复合材料是由两种或多种不同材料组合而成的材料，具有优异的性能和广泛的应用领域。
而复合材料的性能很大程度上取决于其界面的调控。
界面调控是指通过改变复合材料中不同材料之间的相互作用，从而调控复合材料的性能和结构。
本文将从几个方面介绍复合材料界面调控的策略。
第一，界面化学调控。
界面化学调控是通过调整不同材料之间的化学相互作用来改变界面性能。
例如，可以通过表面修饰剂、交联剂等手段改变界面的亲水性或疏水性，从而调控复合材料的表面性能。
此外，通过在界面上引入功能分子或添加剂，可以实现复合材料的特殊功能，如抗菌、阻燃等。
第二，界面结构调控。
界面结构调控是通过调整不同材料之间的结构特征来改变界面性能。
例如，通过控制复合材料中纤维的排列方式、层间距离等参数，可以调控复合材料的力学性能。
此外，通过界面结构调控还可以实现复合材料的多功能化，如光学、电子等性能的调控。
第三，界面能量调控。
界面能量调控是通过调整不同材料之间的能量差异来改变界面性能。
例如，可以通过调整复合材料中不同材料的相容性，使其能量匹配，从而提高界面的粘合强度。
此外，界面能量调控还可以用于调控复合材料的界面应力和应变分布，从而提高其力学性能。
第四，界面微观结构调控。
界面微观结构调控是通过调整复合材料中不同材料之间的微观结构来改变界面性能。
例如，可以通过控制复合材料中纤维的直径、长度等参数，调控界面的粗糙度和接触面积，从而影响界面的粘合强度。
此外，界面微观结构调控还可以用于实现复合材料的自修复和自感应等功能。
复合材料界面调控的策略主要包括界面化学调控、界面结构调控、界面能量调控和界面微观结构调控。
这些策略可以通过调整不同材料之间的相互作用、结构特征、能量差异和微观结构来改变界面性能，从而实现复合材料的性能调控和功能设计。
通过合理应用这些策略，可以进一步拓展复合材料的应用领域，并提高其性能和可靠性。
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4 复合材料的界面理论和界面控制一般情况下，复合材料的界面产生于复合材料的制造过程，当由不同化学成分的增强体和基体组成复合材料时，这些组元通过接触，它们中的某些元素在相互扩散、溶解后往往发生化学反应生成新相，称为界面相。
此外，这种新相也可以是人为添加的，例如，为了增进基体对增强体的润湿，或者为了缓冲它们之间的残余应力而在增强体表面预先设置了各种涂层，在制造后被保留在复合材料中，成为界面相。
界面相的化学组成和物理性能与增强体和基体均不相同，在复合材料承受载荷时，由于界面相所处的特殊力学和热学等环境，对复合材料的整体性能产生着重大影响，因而通过认识、控制界面相来改善复合材料性能的研究越来越引起人们的重视。
研究复合材料界面的组成、结构、控制、性能和改进界面相的工作被称为“界面工程”。
虽然目前对复合材料的界面理论和界面控制的研究尚不成熟，但是，在指导聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料的工艺和性能改善上已经起着十分明显的作用。
本节主要介绍复合材料界面的基本概念和各类复合材料的界面控制。
4．1 复合材料界面的基本概念4．1．1 界面定义在复合材料中，两相（如纤维与基体）之间某种材料特性出现不连续的区域叫做界面。
这种材料特性的不连续可能是陡变的，也可能是渐变的。
材料的特性包括：元素的浓度、晶体结构、原子的配位、弹性模量、密度、热膨胀系数等。
很显然，一个给定的界面，其所涉及的材料特性不连续性可以是一种也可以是几种。
上述大多数物理、化学或力学特性的不连续性较容易理解，而原子配位的概念则需要进一步详细说明。
根据界面处原子配位的类型，可以将界面分为共格界面、半共格界面和非共格界面。
这三种界面示意于图4-1（a ）、（b ）、（c ）。
共格界面是指界面处的原子属于两侧晶体所共有，即在界面两侧，原子位置之间存在一一对应的关系。
图4-1(a)是理想共格界面——孪晶界面（左）和一般共格界面（右）的示意图。
显然，共格界面的界面能比较低。
但是，一般除孪晶界面外，晶体之间很难出现这种理想的原子配位（即界面没有弹性变形，界面能接近于零）。
在大多数情况下，界面两侧的晶格常数不相等（即a α≠a β），共格界面处总是存在一定程度的弹性变形。
半共格界面是指界面处原子只有一部分是一一对应的，而其余原子则呈现周期性位错。
如图4-1（b ）所示。
非共格界面是指在界面两侧的原子已经找不到任何对应关系。
一般，这种非共格界面只有几个原子直径宽。
在此区域，原子排列紊乱且不规则。
也就是说，非共格界面处的原子排列与相邻晶体（α和β）的结构均不相同，与相邻晶粒结构也可能不相同。
如图4-1（c ）所示。
（a ） （b ） （c ）图4-1 界面处原子配位的类型（a ）一般共格界面；（b ）半共格界面；（c ）非共格界面4．1．2 润湿与结合4．1．2．1 润湿性（1）润湿性的定义润湿性是用于描述液体在固体表面上自动铺展程度的术语。
它在描述复合材料工艺过程中增进结合或妨碍结合的机制方面是重要的概念。
（2）润湿性的测量为了表征基体材料在复合工艺过程中处于液态时对于固态增强体的润湿性，对于在高温下熔化的基体材料，一般采用图4-2所示的滴球试验模型。
通常将构成增强体的固态材料制成光滑平板，将固态的基体材料（如热塑性高聚物或金属）切割成立方体置于其上，送入石英玻璃管中用高频感应炉加热。
当升至基体材料熔化温度以上时开始定时拍照。
随着温度不断升高，熔化的基体材料由立方体形状逐渐变成圆球、椭圆球、半圆球、球缺至铺展形状。
分析与各种形状滴球相应的温度，即可确定该固体材料与基体材料体系的润湿条件。
在所拍摄的照片或底片上测量气-液表面与液-固表面之间的角度，即可确定润湿角θ。
对于热固性高聚物基体，则直接将其液滴滴于增强体材料的平板上测量其润湿角。
图4-2 测量润湿性的滴球模型图4-3示出液体对固体的润湿条件。
润湿条件为：液-固表面能+液-气表面能<固-气表面能。
即：γls + γlv < γsv（4-1）式中，γ表示表面能；v、l、s分别表示气体、液体和固体。
由式（4-1）可见，降低液-固表面能和液-气表面能或者增大固气表面能都有助于润湿。
也就是说，只有当系统自由能产生净减少时，液滴才将铺展，并润湿固体表面。
反之，则不会出现完全润湿。
完全润湿时润湿角θ=0°；完全不润湿时θ=180º；部分润湿时0º<θ<90º。
图4-3 润湿条件示意图（3）影响润湿角大小的因素影响润湿角的因素包括：固体表面的原始状态，如吸附气体、氧化膜等均使润湿角增大；固体表面粗糙度高将使润湿角减小；固相或液相的夹杂（包括人为的）或相与相之间的化学反应所造成的产物都将影响润湿性。
夹杂或反应产物影响润湿性的原因在于：反应产物改变了固相的性质、夹杂和反应产物改变了固相的表面粗糙度。
但是，决定润湿性的最本质的原因还是体系中各相的属性。
4．1．2．2 润湿性与结合概念的区别良好的结合意味着沿着整个界面形成均匀的、原子或分子水平的接触。
其结合强度可以从弱的范德华力到强的共价键力。
结合可以在固态相与液态相之间发生，也可以在固态相与固态相之间发生。
后者可以用来评价和估计复合材料的性能。
前者可以用来评价和估计复合材料体系工艺的可行性和质量。
润湿性指的是固体、液体在分子水平上紧密接触的可能程度。
润湿角低（θ<90º）表明润湿性良好；润湿角高（θ>90º）则表明润湿性差。
润湿性只用于说明不同物态（特别是固态相与液态相）之间接触情况，它是评价复合材料体系工艺性的重要概念。
润湿性好将促进结合。
4．1．3 复合材料中纤维与基体的界面4．1．3．1 复合材料中的界面形貌复合材料中纤维与基体之间的界面是在制造过程中产生的。
纤维与基体之间的界面是粗糙界面，它不是理想的平面界面，如图4-4所示。
在粗糙界面的情况下，通常是根据润湿条件来研究纤维与基体之间的接触状况。
即纤维-基体之间的接触状况取决于在复合材料制造过程中液态基体是否能润湿纤维（见图4-5）。
图4-4 复合材料中的界面 图4-5 粗糙界面时纤维与液态基体的接触A —粗糙界面；B —理想平面界面4．1．3．2 润湿性的改善途径改善基体与纤维润湿性的方法包括：对纤维进行表面处理（包括清洁处理和表面涂层）；变更基体成份；提高加工温度；增加液态基体压力和控制加工气氛等。
（1）纤维表面处理在制造复合材料之前，清除纤维表面的杂质、气泡和用化学方法去除纤维表面的氧化膜，这些操作均能增进液态基体对纤维的润湿性。
对纤维进行表面涂层的方法包括：电镀、化学镀、化学气相沉积和热解等。
涂层目的是增大纤维的表面能γsv 。
例如：玻璃纤维表面的硅烷涂层，碳纤维表面的钛-硼(Ti-B )涂层，硼纤维表面的SiC 、B 4C 涂层和碳化硅纤维的热解碳涂层等。
（2）变更基体成份对于金属基复合材料，用合金化来改善润湿性最方便和有效。
因为纯金属的表面张力都很高，难以润湿纤维。
如果进行合金化，可使合金元素在金属表面上富集，降低金属表面能 ls ，从而增进熔融金属基体对纤维的润湿。
例如正电性较强的金属元素B 会在液态金属与增强物表面之间的界面上产生选择性吸附，从而降低润湿角θ。
根据Gibbs 吸附方程：Γ=-[d γ/RT d （ln c ）] （4-2）式中，Γ为溶质表面浓度；c 为溶质总浓度（或体积浓度）；γ为表面能；R 为气体常数；T 为绝对温度。
由式（4-2）可知，当d γ/d （ln c ）降低和T 增大时，Γ增大。
对于一些特定的体系，只有B 原子在一定浓度范围内时才可使界面张力下降。
例如在碳纤维增强纯铜（C f /纯Cu ）复合材料中，θ=120º；加入1at%的铬（Cr ），θ=50º；加入1at%的钒（V ），θ=68º。
加入合金元素后，θ角的变化还与熔化时间有关，图4-6示出润湿角与所加合金元素和熔化时间的关系。
图4-6 C f/纯Cu复合材料润湿角的降低与所加元素和熔化时间的关系（3）改变温度一般，提高制造温度可以增进润湿性，但这种增进受到基体材料性质的限制。
如碳纤维增强铝（C/Al）复合材料系，在1050℃时，θ才小于90º，即铝熔液能够对碳纤维产生润湿。
但是，在此高温下会产生一些不利影响，如：基体严重过热、铝氧化、C与Al在高温下发生化学反应生成Al4C3、界面脆化等。
再如钨丝增强铜（W f/Cu）复合材料系，Cu的熔点为1083℃，直到1400℃时铜的熔液才对钨丝产生润湿，而对Ta f/Sn系，Sn的熔点为232℃，直到1000℃锡熔液才对钽丝产生润湿。
过高的温度还会对增强材料造成损伤，例如发生氧化。
因此采用提高温度来改进基体与增强体的润湿时，必须综合兼顾这些不利的影响。
（4）增加液体压力液体在外压下浸润纤维的条件是：所加外压必须能够克服纤维之间的毛细管压力P c。
毛细管压力由下式决定：P c=4（γlv）(V f/d f)cosθ（4-3）式中，V f 、d f 分别为纤维体积分数和纤维直径。
可见，V f /d f 越大、γlv越大，则P c 的绝对值越大。
但是，P c值还要取决于cosθ的符号。
当θ<90º时，cosθ>0，则P c为正值。
是完全润湿的情况，液态基体可自动浸渗纤维束；当θ>90º，cosθ<0,则P c为负值。
是不润湿的情况，此时必须施加大于P c的外力才能使液体渗入纤维束。
（5）改变加工气氛由于γsv和γlv值随气体的性质而有所变化，因此通过改变制造过程中的环境气氛也可以控制固体与液体之间的润湿状况。
如在气氛中含10%的O2时，银的表面张力可从不含氧时的1.2J/m2降低至0.4J/m2（降低至约1/3），此时，银很容易润湿用镍涂层的Al2O3晶须。
另外，如果在固体或液体表面吸附某种气体，也可以改变γsv或γlv。
4．1．4 复合材料中纤维与基体的界面相容性相容性（compatibility）是指两个相互接触的组分是否相互容纳。
在复合材料中是指纤维与基体之间是否彼此协调、匹配或是否发生化学反应。
复合材料界面相容性包括：物理相容性（含力学相容性）和化学相容性。
4．1．4．1 界面的物理相容性复合材料界面的物理相容性主要包括润湿性、热膨胀匹配性和组分之间元素的相互溶解性。
（1）纤维与基体间的润湿性为了保证复合效应的充分发挥，在复合材料工艺过程中，液态基体对纤维最好能发生润湿，以免复合材料界面结合太弱，使其传递载荷的功能不能充分发挥。
（2）热残余应力热残余应力是由于复合材料组分之间的热膨胀系数不同，当使用（或制造）过程中所处的温度偏离复合材料成型温度时，在组元和界面处产生的结构内应力。