材料表面与界面 第四章 复合材料的界面及界面优化
复合材料的界面工程与性能优化
复合材料的界面工程与性能优化在现代材料科学领域，复合材料因其卓越的性能和广泛的应用前景而备受关注。
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，通过协同作用，实现了单一材料难以达到的性能。
然而，要充分发挥复合材料的优势，关键在于对其界面的有效控制和优化，即界面工程。
复合材料的界面是指不同组分之间的接触区域，这个区域虽然很窄，但对复合材料的性能却有着至关重要的影响。
界面就像是不同材料之间的桥梁，负责传递载荷、交换信息，如果这座“桥梁”不够坚固、不够顺畅，那么复合材料的整体性能就会大打折扣。
从力学性能的角度来看，一个良好的界面能够有效地将载荷从基体传递到增强相，从而提高复合材料的强度和刚度。
想象一下，基体就像是一个大力士的身体，而增强相则是他的肌肉纤维。
如果身体和肌肉纤维之间的连接不够紧密，那么当大力士发力时，力量就无法充分传递，也就无法发挥出最大的力量。
反之，如果界面结合良好，载荷就能顺利传递，复合材料就能承受更大的外力而不发生破坏。
在热性能方面，界面的特性也起着关键作用。
不同材料的热膨胀系数往往不同，如果界面不能有效地协调这种差异，在温度变化时就容易产生内应力，导致复合材料的性能下降甚至失效。
例如，在航空航天领域，复合材料常常要经历极端的温度变化，一个稳定的界面能够确保材料在冷热交替的环境中依然保持良好的性能。
除了力学和热性能，界面还对复合材料的电学、光学等性能产生影响。
比如在电子封装材料中，界面的电学特性直接关系到信号的传输速度和稳定性；在光学材料中，界面的平整度和折射率匹配程度决定了光线的透过率和反射率。
那么，如何进行复合材料的界面工程来优化其性能呢？这涉及到多个方面的策略和技术。
首先是对界面的物理和化学改性。
通过物理方法，如表面打磨、等离子体处理等，可以增加界面的粗糙度和活性，从而提高界面的结合强度。
化学改性则包括对基体和增强相表面进行化学处理，引入官能团，以增强它们之间的化学键合。
第4章_聚合物基复合材料的界面
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。无 法流入液体的孔不仅造成界面脱粘的缺陷，而且
也形成了应力集中点。
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（6）变形层理论
该理论认为，压件表面有一层偶联剂涂层是柔性层，提供 具有“自愈能力”的化学键，在外载作用下，处于不断形 成于断裂的动态平衡。
（7）优先吸附理论
界面的比表面积或界面相的体积分数很大（尤其是纳米
复合材料）界面效应显著：复合材料复合效应产生的根源
界面缺陷形式多样（包括残余应力），对复合材料性能
影响十分敏感
6
复合材料的综合性能并不是由各单一组分性能
的简单加合，而是一种线性关系；
各组分既独立又相互依存，这种是由复合材料
的界面决定的。
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界面效应
和，即物理和化学吸附作用。
高聚物的粘结作用分两个阶段： 第一阶段：高聚物大分子借助于宏观布朗运动从液体或熔 体中，移动到纤维表面，大分子链节逐渐向纤维表面极性 基团靠近； 第二阶段：发生吸附作用。当纤维与聚合物分子间距 <0.5nm，形成各种分子间作用力（吸附产生的根本原因）。
16
润湿吸附理论的局限性：
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在复合材料的指制备中，一般都有一个要求，即 要求组分间能牢固地结合，并且有足够的强度。 要实现这一点，必须要使材料在界面上形成能量 的最低结合，存在液体对固体的良好浸润。 浸润： 是把液滴放到固体表面，液滴会立即铺展开来，遮盖 固体表面，这一现象称为浸润。
Water droplet on a lotus leaf
纤维及树脂间的化学变化，引起界面粘结破坏。 （1）水的浸入 水分子体积小，极性大，易浸入界面； 水 吸 附 特 点
玻璃纤维吸附水能力很强，且吸附可通过水膜进行传递， 形成多层吸附，即较厚的水膜；
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。
复合材料-第四章复合材料界面
复合材料-第四章复合材料界面
（1）物理因素
界面的溶解与析出是影响金属基复合材料第Ⅱ类
界面稳定性的物理因素。当增强材料表面溶入基体 中，必然会损伤纤维，降低增强材料的增强作用， 结果会降低复合材料的强度。
有的复合材料还会出现先溶解后又析出的现象。 这种析出使增强材料的表层聚集形态和结构发生变 化, 严重损伤了纤维，使其强度严重下降。
相互溶解
类型Ⅲ
纤维与基体互相反应形 成界面反应层
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 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
钨丝/铜-钛合金
碳纤维/ 铝（＞580℃）
复合材料-第四章复合材料界面
（b）交换式反应
当增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，产生界面的不稳定。
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。
复合材料-第四章复合材料界面
复合材料-第四章复合材料界面
(c) 暂稳态界面的变化
暂稳态界面是由于增强材料表面局部氧化所产 生的氧化物与基体间发生反应而在界面上形成另一 种氧化物所形成的界面。界面上的氧化层稳定性差, 在长时间热环境下容易发生球化而影响复合材料的 性能。
第四章 复合材料的界面..
界面区（包括偶联剂部分）的模量介于树脂基体和增 强材料之间时则可最均匀的传递应力。偶联剂的作用是一 端拉紧界面上的聚合物分子结构，一端以硅醇基团与玻璃 等无机材料粘结。接受者不多，缺乏必要的实验根据。
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B. 金属基复合材料的界面 a. 界面的结合机制 界面的结合力
产生良好结合的条件如下： 1) 液体粘度尽量低； 2）S 略大于L
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b. 化学键理论
在复合材料组分之间发生化 学作用，在界面上形成共价键结 合。偶联剂含有与增强体和基体 反应的官能团。实质是强调增加 界面的化学作用是改进复合材料 性能的关键。
c. 物理吸附理论
表面结合化学键示意图
第四章
复合材料的界面
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复合材料性能
＝
基体性能
＋ 增强体性能
玻璃纤维断裂能 10J/m2 聚酯断裂能 100 J/m2
玻璃纤维增强聚酯复合材 料断裂能 105 J/m2
1＋1 > 2
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Outline
• • • • • 概述 复合材料的界面 增强材料的表面处理 复合材料界面的表征 复合材料的界面优化处理
传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。
（2）阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻 止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。
（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、耐热性和磁 场尺寸稳定性等。
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（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 械冲击性等。
第四章 复合材料界面及增强材料的表面处理
∴界面是复合材料产生协同效应的根本原因。
4.为什么CM断裂能比其组成材料树脂和纤维大很多倍？
首先是在应力作用下产生裂纹，裂纹的 尖端是应力集中点，促使裂纹在基体中 发展，遇到纤维：
<1>因为纤维强度高，阻止裂纹前进，裂纹被迫沿界面发展，
使界面脱粘;
<2>裂纹在发展中若遇到纤维的薄弱部分，也可导致纤维断裂，
此理论适于：
2、拘束层理论（抑制层理论）： 理论认为：在基体和增强体之间存在的松弛应力的过渡层 结构不是柔性的变形层，而是模量介于基体和增强体之间 的界面层，这种中间模量的界面层起到了均匀传递应力的 作用。
低 本体基体
模量 临近增强剂 表面的基体 高 界面区的优先吸附
抑制层是通过优先吸附形成的， 增强剂的模量一般比基体树脂高 的多，在CM成型过程中，因为 优先吸附作用，增强剂表面附近 的集体堆砌得比本体更加紧密， 有较高模量。随着离增强剂表面 距离的增大，基体堆砌渐松，模 量渐低，所以形成一个模量由高 到低的梯度减小的过渡区。
所以在此理论之上又提 出
“优先吸附”理论
“柔性层”理论
认为：塑性层不仅是由偶联剂，而是由偶联剂和优先吸附形成的
柔性层组成。柔性层厚度与偶联剂本身在界面区的数量无关。 聚合物基的石墨碳纤维CM 在增强纤维表面接枝上柔性的XJ分子，以 在形成CM中通过XJ分子的形变松弛内应力， 抑制裂纹的发展，提高界面粘结。
由方程式：W＝γL+γS+γSL —— <1> COSθ=(γS -γSL)/ γL —— <2> W：润湿时粘附力（液体在固体表面的粘合功） γL γS γSL 分别为液体、固体、固液的表面张力 θ：基体与粉粒填料、纤维间的接触角
复合材料的界面性能与优化
复合材料的界面性能与优化在现代材料科学领域，复合材料因其出色的性能而备受关注。
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，其性能并非各个组分材料性能的简单加和，而是通过各组分之间的协同作用实现了性能的优化和提升。
而在这其中，复合材料的界面性能起着至关重要的作用。
复合材料的界面，简单来说，就是不同组分材料之间相互接触和作用的区域。
这个区域虽然在尺寸上相对较小，但却对复合材料的整体性能产生着深远的影响。
就好像一个团队中各个成员之间的沟通与协作环节，虽然看似细微，却决定着整个团队的运作效率和成果。
首先，我们来探讨一下复合材料界面性能的重要性。
良好的界面性能能够有效地传递载荷。
当复合材料受到外力作用时，如果界面能够将应力从一种材料传递到另一种材料，那么整个复合材料就能更好地承受外力，从而表现出更高的强度和韧性。
界面性能还对复合材料的热性能有着重要影响。
不同的材料具有不同的热膨胀系数，如果界面结合不好，在温度变化时就容易产生热应力，导致材料性能下降甚至失效。
此外，界面性能也会影响复合材料的耐腐蚀性能和电性能等。
那么，复合材料的界面性能具体包括哪些方面呢？界面的结合强度是一个关键因素。
如果结合强度过低，在使用过程中容易出现界面脱粘，从而降低材料的性能；而结合强度过高，又可能导致材料在受到冲击时无法通过界面的解离来吸收能量，造成脆性断裂。
界面的化学稳定性也是不容忽视的。
在一些恶劣的环境中，界面处容易发生化学反应，从而影响材料的长期使用性能。
界面的微观结构同样重要，它决定了界面的物理和化学性质，进而影响复合材料的整体性能。
接下来，我们看看影响复合材料界面性能的因素。
材料的表面处理方式是一个重要方面。
通过对增强材料表面进行化学处理、物理处理或者涂层处理，可以改变其表面的化学组成和物理形貌，从而提高与基体材料的相容性和结合力。
制备工艺条件也会对界面性能产生影响。
例如，在复合材料的制备过程中，温度、压力、时间等参数的控制都会影响界面的形成和性能。
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4.2 界面的效应（1）
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种 效应：
(1)传递效应：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起 到基体和增强物之间的桥梁作用。
(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。
阻止裂纹的扩展
4.2 界面的效应（2）
(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。
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。
碳 纤 维
弹性模量及强度 外力方向与纤维轴向相同时，c= f = m (f-纤维、 m-基体、 c-复合材料)，则
c f V f mVm , Ec E f V f EmVm
许多因素影响着界面结合强度，如表面几何形状、 分布状况、纹理结构、表面杂质、吸附气体程度、吸 水情况、表面形态、在界面的溶解、扩散和化学反应、
表面层的力学特性、润湿速度等。
4.3 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。 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。 基体与增强相热膨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。
ZnO晶须
自增韧Si3N4陶瓷
二、叠层复合材料
叠层复合材料是指在基 体中含有多重层片状高 强高模量增强物的复合 材料。
三明治复合 层状陶瓷复合材料断口形貌
双金属、表面涂层等也是层状复合材料。 结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输
及包装等。
有TiN涂层的 高尔夫球头
层 状 复 合
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。
二、复合材料的分类
1、按基体材料分
(1)非金属基复合材料
(2)金属基复合材料。
SiC颗粒
2、按增强材料分
(1) 纤维增强复合材料
Al2O3片
增 强 相 三 种 类 型
(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 （2）以增强材料来命名 例如金属基复合材料。 如碳纤维增强复合材料。
对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求避免高的 残余热应力，因此热膨胀系数不应相差太大。
4.3 复合材料组分的相容性
化学相容性：
指组成材料的各组元（基体与增强体）之间有无 化学反应及反应速度的快慢。包括热力学相容性 和动力学相容性。
化学相容性是一个复杂的问题：
对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两相 化学势相等，比表面能效应也最小。 对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。 纤维和基体间的直接反应则是更重要的相容性问题。
铝 合 金 蜂 窝 夹 层 板
三、粒子增强型复合材料
聚合物基粒子复合材料如酚醛树 脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒 子改性热塑性塑料的钙塑材料 (合成木材)等。 陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增
粒子增强SiC陶瓷基复合材料
韧陶瓷等。
颗粒增强铝基泡沫复合材料
碳黑增强橡胶
金属基粒子复合材料又称金 属陶瓷，是由钛、镍、钴、
4.4 界面理论(1)
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摩擦力而实现的。
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。
表面越粗糙，互锁作用越强，机械粘结作用越有效。 但表面积随着粗糙度增大而增大，其中有相当多的孔穴， 粘度大的液体是无法流入的。造成界面脱粘的缺陷，而 且也形成了应力集中点，影响界面结合。 金属基体复合材料和陶瓷复合材料有这类结合方式。
铬等金属与碳化物、氮化物、
氧化物、硼化物等组成的非 均质材料。
硬质合金组织(Co+WC) 硬质合金铣刀
碳化物金属陶瓷作为工具材 料已被广泛应用，称作硬质
合金。硬质合金通常以Co、
Ni作为粘结剂，WC、TiC等 作为强化相。
4.1 复合材料的界面
复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分 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。
2、纤维—树脂复合材料
通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。 这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高， 比强度也高得多。
材料种类 环氧树脂 环氧树脂 / E级玻璃纤维
环氧树脂 / 碳纤维（高弹性）
纵向抗拉强 度 MPa 纵向弹性模 量 GPa
69 1020
6.9 45
1240
能大幅度提高强度，改善韧 性，并提高使用温度。
陶瓷中增韧纤维受外力作用， 因拔出而消耗能量，耗能越 多材料韧性越好。
Si/Si复合材料
用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹
性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上
采用。现在发现，晶须 (如SiC 和Si3N4)能起到陶瓷材 料增韧的作用。
（1）弥散强化的复合材料的增强机制
将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形 的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。
（2）颗粒增强的复合材料的增强机制
用金属或高分子聚合物为粘结剂，把具有耐热性好、硬度
高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起 而行成的材料。
二、复合材料的性能特点
不连续效应
电阻R1 电阻R2 电阻R1
4.2 界面的效应（3）
(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 冲击性等。
散射和吸收效应
4.2 界面的效应（4）
(5)诱导效应：一种物质(通常是增强物)的表 面结构使另一种与之接触的物质(通常是聚 合物基体)的结构由于诱导作用而发生改变， 由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨 胀性、耐冲击性和耐热性等。
2.
3.
思考： 当复合材料使用条件要求基体韧性好而增强材 料是脆性材料时，该如何考虑基体材料的热膨胀系 数？
4.3 复合材料组分的相容性
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时将受 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。
（3）基体与增强相并用 如“C/Al复合材料”即 为碳纤维增强铝基复合材料。
（4）商业名称命名 如“玻璃钢”即为玻璃纤维 增强树脂基复合材料。
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。
145 76
210-280
环氧树脂 / 芳纶纤维（49） 1380
环氧树脂 / 硼纤维（70 % Vf ） 1400-2100
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
金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料 （MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。 常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。 作为增强体的连续纤 维主要有硼纤维、SiC 和C纤维；Al2O3纤维 通常以短纤维的形式 用于MMC中。
4.3 复合材料组分的相容性
对复合材料来说， 以下与其化学相容性有关的问题十分重要： 1）相反应的自由能 F：代表该反应的驱动力。设计复 合材料时，应确定所选体系可能发生反应的自由能的变化。 2）化学势U：各组分的化学势不等，常会导致界面的不 稳定。 3）表面能T：各组分的表面能很高，导致界面的不稳定。 4）晶界扩散系数D：由晶界或表面扩散系数控制的二次 扩散效应常使复合体系中组分相的关系发生很大变化。
当外力垂直于纤维轴向时，则
c m f , c mVm f V f
纤维的临界长径比 纤维最小体积分数
Lc fy d 2 my
mu m V fc fu m
2. 粒子增强型复合材料的增强机制
粒子增强型复合材料按照颗粒尺寸大小和数量多少可分为： 弥散强化的复合材料；颗粒增强的复合材料。
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
界面剪切强度太低：
表明界面结合过弱。在拉伸时纤维与基体脱粘、滑 移，纤维断裂点周围基体的形态呈空管状，而且界 面上没有任何曾经有过强烈相互作用的迹象。在这 种状况下，纤维高强度和高模量的优势得不到充分 发挥，复合材料得不到有效增强。
1、比强度和比模量高。其中纤维 增强复合材料的最高。
2、良好的抗疲劳性能。碳纤维增
强材料-1可达b的70~80%。因纤 维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。
比 强 度 比 较
3、破断安全性好
4、优良的高温性能。
5、减震性好。复合材料中的大量