材料表界面
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性能除与纤维、树脂的种类及含量外，还与纤维的排列方向、铺层次序 和层数有关，因此可以优化设计，做到安全可靠，经济合理。
在制造复合材料的同时，也就得到了制品，可一次成型。这一特点使得 复合材料制品的零部件数目可明显减少，避免了接头过多，降低了应力集中。 同时，也相应减轻了零部件的重量，减少了制造工序和加工量，缩短加工周 期，降低生产成本。
一、复合材料概述
复合材料是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺 复合而成的多相材料。
包括三层意义：
它是一种多相材料，包含两种或两种以上物理上不同并可用机 械方法分离的材料。
它可以在人为控制下以某种工艺将几种分离的不同材料混合在 一起，形成复合材料。
它的性能应优于各单独的组分材料，在某些方面可能具有组分 材料没有的独特性能。
１.３ １.７ ２.１ ５.３
比模量 （108cm）
２.７ ２.６ ２.５ ２.０
碳纤维I／环氧复合材料 １.６ １.０７
２.４
６.７
１５
碳纤维II／环氧复合材料 １.４５ １.５０
１.４
１０.３ ９.７
有机纤维／环氧复合材料 １.４ １.４０
０.８
１0.０
５.７
硼纤维／环氧复合材料 ２.１ １.３８
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ① 轻质高强：
相对密度低，1.4--2.0之间，约为钢的1/5,铝的1/2，比强度比钢、铝合金高，如高 模量碳纤维/环氧复合材料的比强度为钢的5倍，铝合金的4倍。其比模量是钢、 铝、钛的4倍。是复合材料适宜用作航空、航天材料的宝贵性能。
二、聚合物基复合材料
一、复合材料概述
复合材料的分类：
按基体材料分类 ① 聚合物基复合材料：热固性和热塑性树脂基 ② 金属基复合材料 ③ 无机非金属基复合材料：陶瓷基，水泥基 其中，应用最广、产量最大的是聚合物基复合材料。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ① 轻质高强 ② 电性能好 ③ 耐腐蚀性能好 ④ 热性能好 ⑤ 性能具有可设计性 ⑥ 界面结合性差，层间剪切强度低
聚合物基复合材料的一般特性：
① 轻质高强： 一些常用材料及纤维复合材料的比强度和比模量
材料
钢 铝合金 钛合金 玻璃纤维复合材料
密度 拉伸强度Βιβλιοθήκη Baidu（g/cm3） （GPa）
７.８ １.０３ ２.８ ０.４７ ４.５ ０.９６ ２.０ １.０６
弹性模量 （102GPa）
２.１ ０.７５ １.１４ ０.４
比强度 （106cm）
一、复合材料概述
复合材料的结构：
纤维增强塑料
基体相
塑料：把纤维粘结在一起，使纤维的强度充分发挥
增强剂相
纤维：分散于塑料，混凝土中的“钢筋”，承担负荷
相与相之间存在界面。
一、复合材料概述
复合材料的界面：
界面对复合材料的性能起着至关重要的作用。复合材料的性 能不是组成材料性能的简单加和，而产生了 1＋1>2 的作用， 称为协同效应。
断裂能大幅提高的原因？
玻璃纤维的断裂能约为10 J／m2， 聚酯的断裂能约为 100 J／m2， 而复合后的玻璃纤维增强塑料的断裂能达105J／m2
一、复合材料概述
复合材料的界面：
界面是复合材料产生协同效应的根本原因
一、复合材料概述
复合材料的界面：
图10-2复合材料破坏过程中的能量吸收
裂纹在基体中发展，遇到纤维，可 能发生界面脱粘、基体和纤维的断 裂、纤维拔出等过程，吸收了大量 能量。并且裂纹发展未必在一个平 面上，可沿着材料中不同的平面发 生如上的界面脱粘、基体和纤维的 断裂、纤维拔出等过程，直到裂纹 贯穿了某一平面材料才破坏，这就 使得复合材料的断裂能大大高于各 组分材料的断裂能的加和，充分体 现出复合材料的协同效应。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ⑥界面结合性差，层间剪切强度低
由于复合材料是由性能遽然不同的两种材料构成，因而界面的相容性和结 合力差，使得复合材料的层间剪切强度、横向强度都不够理想。因此，常常要 对复合材料进行界面改性来提高复合材料的性能。
聚合物基复合材料也存在一些缺点和问题，如工艺稳定性较差，材料性能 分散性大，耐高温和环境老化性不好等。
第十章 复合材料的界面
第十章 复合材料的界面
一、复合材料概述 二、聚合物基复合材料 三、玻璃纤维增强塑料界面 四、先进复合材料的界面
一、复合材料概述
复合材料是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺 复合而成的多相材料。
金属材料
取
协
长
复合
同
补
材
作
短
无机
有机
非金属 料 高分子
用
材料
材料
产生原来单一材料本身所没有的新性能
聚合物基复合材料的一般特性： ④ 热性能好：
导热系数低，是优良的绝热材料。耐烧蚀性能能保护飞行器重返大气层免受 2000℃以上的高温、高速气流损害。高性能复合材料可设计成热膨胀系数为 零、能在高低温的交替中保持良好的尺寸稳定性材料。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ⑤ 性能具有可设计性：
也正是对复合材料存在的问题的研究解决，推动着 复合材料科学的发展。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的分类：
用于复合材料的聚合物基体有多种分类方法，如按树 脂热行为可分为热塑性及热固性两类。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的分类（基体）： 热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、 聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子， 可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。
２.１
６.６
１０
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ②电性能好：
电绝缘性、高频介电性能、微波透过性好，适宜于电机仪表零件、雷达罩等。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ③ 耐腐蚀性能好：
耐海水、酸碱、盐和有机溶剂，适宜于化工机械零部件、管道、贮槽、渔船等。
二、聚合物基复合材料
一、复合材料概述
复合材料的界面：
图10-3复合材料界面模型
1 纤维本体区 2 纤维表面区 3 界面吸附层 4 基体表面区 5 基体本体区
界面相内的化学组分，分子排列，热性
能，力学性能呈现连续的梯度性变化。
界面相很薄，是亚微观的，却有极其复杂的结构。在两相复合过程中，会出现 热应力（导热系数，膨胀系数的不同），界面化学效应（官能团之间的作用或 反应）和界面结晶效应（成核诱发结晶，横晶），这些效应引起的界面微观结 构和性能特征，对复合材料的宏观性能产生直接的影响。
在制造复合材料的同时，也就得到了制品，可一次成型。这一特点使得 复合材料制品的零部件数目可明显减少，避免了接头过多，降低了应力集中。 同时，也相应减轻了零部件的重量，减少了制造工序和加工量，缩短加工周 期，降低生产成本。
一、复合材料概述
复合材料是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺 复合而成的多相材料。
包括三层意义：
它是一种多相材料，包含两种或两种以上物理上不同并可用机 械方法分离的材料。
它可以在人为控制下以某种工艺将几种分离的不同材料混合在 一起，形成复合材料。
它的性能应优于各单独的组分材料，在某些方面可能具有组分 材料没有的独特性能。
１.３ １.７ ２.１ ５.３
比模量 （108cm）
２.７ ２.６ ２.５ ２.０
碳纤维I／环氧复合材料 １.６ １.０７
２.４
６.７
１５
碳纤维II／环氧复合材料 １.４５ １.５０
１.４
１０.３ ９.７
有机纤维／环氧复合材料 １.４ １.４０
０.８
１0.０
５.７
硼纤维／环氧复合材料 ２.１ １.３８
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ① 轻质高强：
相对密度低，1.4--2.0之间，约为钢的1/5,铝的1/2，比强度比钢、铝合金高，如高 模量碳纤维/环氧复合材料的比强度为钢的5倍，铝合金的4倍。其比模量是钢、 铝、钛的4倍。是复合材料适宜用作航空、航天材料的宝贵性能。
二、聚合物基复合材料
一、复合材料概述
复合材料的分类：
按基体材料分类 ① 聚合物基复合材料：热固性和热塑性树脂基 ② 金属基复合材料 ③ 无机非金属基复合材料：陶瓷基，水泥基 其中，应用最广、产量最大的是聚合物基复合材料。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ① 轻质高强 ② 电性能好 ③ 耐腐蚀性能好 ④ 热性能好 ⑤ 性能具有可设计性 ⑥ 界面结合性差，层间剪切强度低
聚合物基复合材料的一般特性：
① 轻质高强： 一些常用材料及纤维复合材料的比强度和比模量
材料
钢 铝合金 钛合金 玻璃纤维复合材料
密度 拉伸强度Βιβλιοθήκη Baidu（g/cm3） （GPa）
７.８ １.０３ ２.８ ０.４７ ４.５ ０.９６ ２.０ １.０６
弹性模量 （102GPa）
２.１ ０.７５ １.１４ ０.４
比强度 （106cm）
一、复合材料概述
复合材料的结构：
纤维增强塑料
基体相
塑料：把纤维粘结在一起，使纤维的强度充分发挥
增强剂相
纤维：分散于塑料，混凝土中的“钢筋”，承担负荷
相与相之间存在界面。
一、复合材料概述
复合材料的界面：
界面对复合材料的性能起着至关重要的作用。复合材料的性 能不是组成材料性能的简单加和，而产生了 1＋1>2 的作用， 称为协同效应。
断裂能大幅提高的原因？
玻璃纤维的断裂能约为10 J／m2， 聚酯的断裂能约为 100 J／m2， 而复合后的玻璃纤维增强塑料的断裂能达105J／m2
一、复合材料概述
复合材料的界面：
界面是复合材料产生协同效应的根本原因
一、复合材料概述
复合材料的界面：
图10-2复合材料破坏过程中的能量吸收
裂纹在基体中发展，遇到纤维，可 能发生界面脱粘、基体和纤维的断 裂、纤维拔出等过程，吸收了大量 能量。并且裂纹发展未必在一个平 面上，可沿着材料中不同的平面发 生如上的界面脱粘、基体和纤维的 断裂、纤维拔出等过程，直到裂纹 贯穿了某一平面材料才破坏，这就 使得复合材料的断裂能大大高于各 组分材料的断裂能的加和，充分体 现出复合材料的协同效应。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ⑥界面结合性差，层间剪切强度低
由于复合材料是由性能遽然不同的两种材料构成，因而界面的相容性和结 合力差，使得复合材料的层间剪切强度、横向强度都不够理想。因此，常常要 对复合材料进行界面改性来提高复合材料的性能。
聚合物基复合材料也存在一些缺点和问题，如工艺稳定性较差，材料性能 分散性大，耐高温和环境老化性不好等。
第十章 复合材料的界面
第十章 复合材料的界面
一、复合材料概述 二、聚合物基复合材料 三、玻璃纤维增强塑料界面 四、先进复合材料的界面
一、复合材料概述
复合材料是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺 复合而成的多相材料。
金属材料
取
协
长
复合
同
补
材
作
短
无机
有机
非金属 料 高分子
用
材料
材料
产生原来单一材料本身所没有的新性能
聚合物基复合材料的一般特性： ④ 热性能好：
导热系数低，是优良的绝热材料。耐烧蚀性能能保护飞行器重返大气层免受 2000℃以上的高温、高速气流损害。高性能复合材料可设计成热膨胀系数为 零、能在高低温的交替中保持良好的尺寸稳定性材料。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ⑤ 性能具有可设计性：
也正是对复合材料存在的问题的研究解决，推动着 复合材料科学的发展。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的分类：
用于复合材料的聚合物基体有多种分类方法，如按树 脂热行为可分为热塑性及热固性两类。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的分类（基体）： 热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、 聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子， 可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。
２.１
６.６
１０
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ②电性能好：
电绝缘性、高频介电性能、微波透过性好，适宜于电机仪表零件、雷达罩等。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ③ 耐腐蚀性能好：
耐海水、酸碱、盐和有机溶剂，适宜于化工机械零部件、管道、贮槽、渔船等。
二、聚合物基复合材料
一、复合材料概述
复合材料的界面：
图10-3复合材料界面模型
1 纤维本体区 2 纤维表面区 3 界面吸附层 4 基体表面区 5 基体本体区
界面相内的化学组分，分子排列，热性
能，力学性能呈现连续的梯度性变化。
界面相很薄，是亚微观的，却有极其复杂的结构。在两相复合过程中，会出现 热应力（导热系数，膨胀系数的不同），界面化学效应（官能团之间的作用或 反应）和界面结晶效应（成核诱发结晶，横晶），这些效应引起的界面微观结 构和性能特征，对复合材料的宏观性能产生直接的影响。