复合材料界面与设计
复合材料界面设计与优化考核试卷
B.增强体的表面形貌
C.基体树脂的固化程度
D.界面层的厚度
14.以下哪些方法可以用于评估复合材料的界面性能？（）
A.力学测试
B.热分析
C.微观结构观察
D.电化学测试
15.以下哪些因素可能导致复合材料界面脱粘？（）
A.界面结合力不足
B.界面相容性差
C.过高的界面层厚度
D.外部应力集中
B.降低材料的成本
C.改善材料的加工性能
D.以上都对
2.以下哪种方法常用于复合材料界面的优化？（）
A.有限元分析
B.实验设计
C.神经网络
D.以上都对
3.复合材料界面结合力的主要类型是（）
A.粘结力
B.摩擦力
C.化学键
D.以上都对
4.下列哪种方法不适用于界面结合力的测试？（）
A.拉伸测试
B.剪切测D
20. D
二、多选题
1. ABCD
2. ABC
3. AC
4. ABC
5. ABD
6. ABC
7. ABC
8. ABCD
9. ABC
10. ABC
11. ABCD
12. ABC
13. ABC
14. ABCD
15. ABCD
16. ABCD
17. ABC
18. ABC
19. ABCD
D.紫外可见光谱
11.以下哪些因素会影响复合材料界面的湿热稳定性？（）
A.基体与增强体的吸水性
B.界面相容剂的耐水性
C.界面结合力
D.环境温度和湿度
12.以下哪些是界面优化时需要考虑的物理性能？（）
A.界面结合力
《复合材料》课件——第二章_复合材料界面和优化设计
伤和形成脆性界面相等十分有害。碳纤维/铝钛铜合 金复
合材料中，生成TiC，使界面附近的铝、铜富集。 500℃
时，在C纤维/铝材料界面生成Al4C3脆性层。
2.4 复合材料的界面
2.4.5 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
因此，在研究和设计界面时，不应只追求界面结合而应考 虑到最优化和最佳综合性能。
2.3复合材料组分的相容性
物理相容性： 1. 是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀
地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。 2. 由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增
强剂上形成高的局部应力。 3. 另一个重要的物理关系是热膨胀系数。基体与增强相热膨
物理和化学吸附作用。液态树脂对纤维表面的良好浸润是 十分重要的。浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺 陷和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润将使 界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。
2.4 复合材料的界面
2.4.1界面润湿理论 ： 从热力学观点来考虑两个结合面与其表面能的关系，一般用 表面张力来表征。
胀系数的差异对复合材料的界面结合产生重要的影响，从 而影响材料的各类性能。
2. 3复合材料组分的相容性
物理相容性： 例如：
对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因 为热膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却是将受到张 应力；
对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于抗拉强度， 处于压缩状态比较有利。
2.3复合材料组分的相容性
化学相容性： ➢ 对复合材料来说， 以下因素与复合材料化学相容性有关的
多相复合材料的界面设计与增强机制研究
多相复合材料的界面设计与增强机制研究多相复合材料是由两种或两种以上成分不同的材料相互作用形成的。
在多相复合材料的设计中，界面的设计起着关键作用。
良好的界面设计能够提高材料的力学性能、耐磨性以及抗腐蚀性等。
本文将探讨多相复合材料的界面设计以及增强机制的研究。
一、界面设计的考虑因素界面设计需要考虑多种因素，包括界面的亲和力、界面的结合强度以及界面的扩散性等。
首先，材料的亲和力对于界面的设计至关重要。
当两种材料的亲和力较差时，界面会存在间隙或有机空腔，降低了材料的力学性能。
因此，为了提高界面的亲和力，可以通过表面修饰或添加亲和性强的中间层来实现。
其次，界面结合强度也是界面设计的重要考虑因素之一。
较高的结合强度可以有效地传递载荷，提高材料的强度和刚度。
界面结合强度的提高可以通过增加材料间的化学键或者引入交联剂来实现。
同时，界面结合强度还与材料的表面形貌有关。
粗糙的表面形貌能够增加界面的接触面积，从而提高界面结合强度。
最后，界面的扩散性也需要考虑。
界面扩散性决定了材料间的相互渗透程度。
若界面扩散性不佳，会导致材料间的界面剥离或者分层现象。
为了提高界面的扩散性，可以选择互相溶解性较好的材料，或者采取表面修饰等方法。
二、增强机制的研究多相复合材料的增强机制是指通过控制界面的组织结构和化学反应来增加材料的力学性能。
界面增强机制主要包括增加界面的摩擦阻力、增加界面的切削强度和增加界面的耐磨性等。
增加界面的摩擦阻力能够提高材料的摩擦性能和耐磨性。
一种常见的方式是在界面上添加润滑剂或者填充物，如石墨、纳米材料等。
这些润滑剂可以减少材料间的摩擦力，从而降低材料的磨损。
增加界面的切削强度是通过增加界面的结合强度来实现的。
前文提到的界面结合强度的提高可以有效地提高材料的强度和刚度，从而增加材料的切削强度。
增加界面的耐磨性能可以通过表面修饰或添加合适的抗磨料实现。
抗磨料的添加能够增加材料的硬度和抗磨性，有效地提高材料的耐磨性。
复合材料界面层结构设计
复合材料界面层结构设计说到复合材料，大家的第一反应应该是“又是那个高科技材料吧？”没错，复合材料确实是高大上的代表，但你要知道，里面有一个特别重要的部分，叫做界面层结构。
这玩意儿，你不太留意，它可能就悄悄地决定了复合材料的强度、韧性、耐久性，甚至是它能不能在关键时刻发挥作用。
所以呀，今天就来聊聊这界面层结构，到底是怎么影响复合材料的表现的。
你想啊，复合材料其实就是由两种或者多种不同材料组成的。
它们的“结合”并不是简单的拼拼凑凑，而是要在微观层面上形成一种超强的“亲密关系”。
这里的界面层就像是两个陌生人之间的媒介，不是随便弄的，要搭建得既稳又牢。
就拿你平常喝的那杯水来说，水杯跟水的关系就像是复合材料里的材料界面层。
你不希望水杯破了，水洒出来，对吧？所以，界面层必须强大，才能确保材料之间的有效结合。
这层结构，简单说就是在不同材料的接触面上，可能通过化学反应、物理作用，甚至是温度变化来优化它们之间的亲和力。
咱们可以把它想象成两个人握手的过程。
如果握得不结实，大家彼此间没啥信任感，关系自然也不会稳固；而如果握得紧密，信任感满满，那自然是一拍即合。
这种界面层的设计，不能光靠直觉。
要想实现材料的完美融合，除了要看它们本身的化学性质外，甚至还得考虑到它们的微观结构，温度变化，甚至环境条件。
这时候设计师就得“动脑筋”了，不能简单地去拼凑，不然材料可能会发生“分裂”，就像两个人吵架，关系破裂，一拍两散。
比方说，当复合材料在高温下使用时，如果界面层设计得不好，材料之间可能会因为温度变化导致不同的膨胀率不匹配，最终让复合材料变形甚至裂开。
想象一下，水壶底部突然裂开，水从里面漏出来，你是不是要慌得不行？这就得靠好的界面层设计，避免这种尴尬的情况发生。
简单来说，它就像是复合材料里的“润滑剂”，让不同材料之间能够和谐共处。
但话又说回来，界面层并不是越厚越好，也不是越薄越好。
它的设计得有度，不然你过度“保护”了它，反而会影响材料的整体性能。
复合材料因不合理设计导致界面失效案例
复合材料因不合理设计导致界面失效案例复合材料是由两种或更多种不同材料组合而成的材料，具有较高的强度和刚度。
然而，如果在设计和制造过程中不合理，复合材料的界面可能会失效，导致材料整体性能下降甚至失去使用价值。
一个常见的导致界面失效的原因是不合理的材料选择。
复合材料的界面是由不同材料的分子结构相互作用形成的，如果两种材料之间没有良好的相容性，界面的黏结强度将会很低。
例如，如果选择了两种互不相容的树脂和纤维材料，界面的黏结性就会受到严重影响，容易出现分层和剥离的问题。
另一个引发界面失效的原因是不当的材料处理和加工方法。
复合材料的制造过程中需要进行树脂浸渍和固化等步骤，如果处理不当，可能会导致界面的缺陷产生。
例如，如果树脂浸渍不均匀或固化温度不合适，界面附近的材料就会发生变形、开裂或剥离等问题，从而导致界面失效。
此外，设计过程中的应力分析和结构设计也会对复合材料的界面产生影响。
如果在设计过程中没有充分考虑材料的应力分布和结构的受力情况，就可能导致界面附近的应力集中，进而引发界面失效。
例如，在设计复合材料结构时忽略了材料的各向异性特性，可能会导致界面附近的应力分布不均匀，从而导致界面的剪切和剥离。
为了避免因不合理设计导致复合材料界面失效，需要从材料选择、加工工艺以及结构设计等多个方面进行综合考虑。
首先，应选择具有良好相容性的材料，并进行合理的处理和加工，确保树脂的均匀浸渍和固化。
其次，应进行详细的应力分析和结构设计，确保复合材料结构的强度和刚度分布均匀，避免界面附近的应力集中。
最后，进行充分的试验和验证，确保复合材料的性能满足设计要求。
总之，复合材料界面失效是由不合理设计引起的常见问题。
通过合理的材料选择、加工工艺和结构设计，可以有效预防界面失效，提高复合材料的整体性能和可靠性。
3.-复合材料的界面.pdf
SiC(SCS-6) fiber-reinforced Ti3AlC2 matrix composites: Interfacial characterization and mechanical behavior
*Urena, A., et al., Composites Science and Technology, 2005. 65(13): p. 2025-2038
界面效应 Interfacial Effects
• 力传递 Transfer - 结合强度高？ • 阻断效应 Block - 裂纹，应力，结合强度高？ • 不连续效应 non-continuous - 物理性能不连续：电、磁、热等 • 散射和吸收效应 Scattering and absorption - 波在界面产生散射和吸收，透光、隔热、隔音、耐 机械冲击 和耐热冲击性） • 诱导效应 Induction - 一种物质的表面结构使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，如高弹性、低 膨胀性、耐冲击性、耐热性等
界面效应
• 界面效应是单一材料所没有的特性 • 由于界面面积比例大， 界面的性质、结构、完整性对复 材性能影响很大 • 举例：纳米晶材料 o Hall-Petch关系 o 纳米铜——超塑性，材料在一定条件下热变形，可获 得伸长率达500~2000%的均匀塑性变形，且不发生劲 缩现象
Lu, L., M.L. Sui and K. Lu, Superplastic Extensibility of Nanocrystalline Copper at Room Temperature. Science, 2000. 287: p. 1463-1466.
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、
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
¢ 纤维的体积分数 2
涂聚苯乙烯树脂的玻璃纤维的DMA a—接枝玻纤 b—未接枝玻纤
不同碳纤维增强聚丙烯酸复合树料损耗角正切 与温度DMA a一未处理碳纤维 b一接枝聚丙烯酸碳纤维
8、微量冲击分析
微量冲击分析是一种以一定速度对微小试样进行冲
击，记录下冲击过程中冲击锤受到的反作用功与冲 击时间对应关系的一种研究方法,为了能清晰反应界 面的结合状况，纤维必须是单向的，所以多采用纤 维的复合丝试样。 试样的尺寸很小，通常为0.5mm×10mm的圆柱状试样。 测试时试样呈简支梁状况进行冲击，冲击锤上端装 有载荷感受传感器将反作用功变成电信号送出，再 由A／D转换器转化成数字信号，同时送出信号形成 平面曲线图。
6、层间剪切强度
压剪法 可参见GB1450.1—83，对试 样施加均匀连续的剪应力，直至破坏。 层间剪切强度可按下式计算：
短梁弯曲法
参见GB3357—82 ASTM D2544—84装置示 意如图,连续加载至试样破坏，记录最大载荷 值及试样破坏形式。层间剪切强度按下式 计 算：
7、动态力学分析
单丝从基体中拔出、测定纤维拔脱的应力，从而求出纤维与 基体间的界面剪切强度。显然，拔出力随埋人深度而增大, 达到临界长度Lc时，拔出纤维所需的应力等于纤维的拉伸强 度。
3、顶出法
单丝拔脱试验的离散度大，要做大量的试验，找到临界长度， 基体对纤维浸润时会沿纤维上爬，影响精 度。作为改进，又 发展了顶出法。 ，
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，纤维在小孔端点脱粘， 此时粘结能G为：
关注；
界面结构的最重要的手段是TEM、SEM，AFM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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
碳纤维接枝
3、复合材料界面状态
纤维拔出状态
C/C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
复合丝的全部冲击载荷可转化成体 系两种能量，其中E1为基体变形、 纤维变形及表面能变化等所需的能 量。其中E1在总能量中占有较大的 比例，并受界面结合强度的制约。 而E2为纤维拔出和纤维与基体脱粘 所需的能量。它是复合材料所特有 的冲击能量吸收机制，在全部能量 吸收中占有一定比重，而且基本上 以塑性能量形式存在，界面结合强 度越弱，则E2越大。但当界面结合 弱到不能有效传递载荷时其值又下 降，致使最大冲击载荷也下降，不 利于整体抗冲击性能的提高。所以 最佳界面结合状态时材料的抗冲击 性能方能达到最好。
复合材料界面与设计
2011年11月
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
冲击载荷与冲击时间关系曲线
该研究方法对复合材料的界面结合进行了分析，得到了十分有意义的结果。将未经
处理、氧等离子处理、接枝聚丙烯酰胺(接枝层厚度约为300nm) 和接枝聚丙烯酸(接 枝厚度100nm)四种处理的碳纤维按微量冲击分析法制成复合丝样品，分别在室温下 用微量冲击仪冲击，结果如下图所示。 聚丙烯酸接枝碳纤维复合丝试样的弹性承栽能E2很大(b)，其时间对应上与氧等离子 处理者相近，也没有明显表现出纤维滑移的征状。与氧等离子处理者所不同的是接 枝纤维样品的E2部分也比较大，表明在界面上也容许有一定量的纤维产生滑移和脱 粘。与E1相比E2占有较大的比例，因此整个冲击承载能大大增加．超过了氧等离子 处理者。 聚丙烯酰胺接枝碳纤强复合丝试样的冲击承裁曲线，冲击韧始基线与冲击结束基线 没有重合(a)。这是由于聚丙烯酰胺接枝层过厚所致。因为在冲击过程中不仅纤维表 层界面产生应变，而且接技层中的分子链也会产生蠕变或滑移，两者综合的结果， 使微量冲击曲线产生了畸变
动态力学分析用于对复合材料界面结合
的评估，也是一种发展动向。 在基体的玻璃化转变温度之上将会出现 一个与界面结合有关的损耗峰，见图中 的b、 b1、 b2如果碳纤维未经处理，则 该损耗峰就不会出现，除非纤维的排列 方向完全一致，而且与应力的作用方向 也必须完全相同。
低体积分数单向碳纤维增强环氧树脂的E”的温度关系
课程考核与课程论文
根据以上思考题，最好能够结合实际工作和
课程内容，撰写一篇课程论文，作为课程考 核依据。 论文要求：
观点明确，内容完整，格式准确，逻辑清楚； 3000－5000字；标准格式撰写；打印；学期 结束前交稿。
。
复合材料界面处理形式
机械处理 偶联剂处理 热处理 氧化处理 化学腐蚀处理 表面涂层法 表面沉积处理 冷等离子处理 辐射处理 光电处理 …….
思考题：
1. 纤维增强热塑性复合材料如何进行界面设计处理？ 2. 难粘聚合物材料如何进行层间复合设计？ 3. 含金属层复合材料结构如何进行界面设计处理？ 4. 复合材料结构热处理过程会对界面产生哪些影响？ 5. 浸润性提高从哪些方面影响复合材料界面及结构性能？ 6. 橡塑复合、木塑复合、热固热塑复合如何进行界面处理设计？ 7. 液晶树脂增强塑料、增强热固性树脂如何进行界面设计？ 8. 新的测试手段如何应用于复合材料界面表征？ 9. 查阅文献，综述先进聚合物复合材料界面设计与表征进展。 10. 界面设计处理与你正在进行的课题关联性。
四、复合材料界面力学性能表征
界面残余应力 单丝拔脱实验法 临界纤维长度实验法 界面粘结能测试 层间剪切强度 动态力学分析
微量冲击分析
1、界面残余应力
消除残余压力可以通过引入 膨胀单体，提高综合性能， 可用冲击韧性来表示。
2、单丝拔脱实验法
单丝拨脱试验是将增强纤维单丝垂直埋人基体之中，然后将
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
C/C复合材料横断面SEM C/C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
2-6显示SIC/SIC复合材料受压力破坏后显示复合材料 几乎所有破坏形式 2-7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。厚度、均匀性
三、增强纤维表面化学分析表征
1、XPS
X射线光电子能谱是测量材料表面化学组成的有 效工具，可以定性测量元素存在，可以根据谱线 强弱测定元素含量。以及官能团含量。
2、红外光谱
3、紫外光谱研究
4、核磁共振法
5、原子发射光谱研究
6、化学分析和热分析
热失重
-COOH在500－800℃分解成CO2,R-OH在900－1000℃ 分解生成CO，由热失重测定CO2 、CO量，可以求出表 面-COOH和－OH 化学分析方法 碳纤维表面的羟基与羧基还可以通过化学检测来定量 测试
的最重要的方法，据此可获得界相和其附 近基体纤维的结晶或无定型态，元素分布 和化学组成等微观结构的几乎全部资料。
20TEM图，与基体相邻的明亮层CL为碳层，与纤维相邻的TL为 过渡层，F为纤维层 21TEM是CL与基体M图像，可以看到清晰的晶格条纹相应于C平 层，具有典型的湍层碳结构特征
可以确切看到两界面层之间的相接触区域，CL层可以看到 湍层碳，TL层可以看到大量纳米级的SICA晶粒。