第3章 复合材料界面改性与界面设计PPT
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复合材料增强体的界面特性与表面改性 ppt课件
低温等离子体处理也是一种处理效果比较明显的方法。等 离子体是物质在外电场作用下，由电化学放电、高频电磁 振荡而产生的发光的电中性电离气体。电离气体是离子、 电子、自由基、激发态的分子、原子的混合体；激发放电 的电源可以是直流、交流、射频、微波、激光等。等离子 体对纤维表面有清洗和刻蚀作用，也可引发表面聚合、接 枝。此方法对ILSS 有较大提高，又由于改性仅仅发生在 表面层，因而不影响基材的性能，还具有处理时间短，效 率高等优点。
辐射技术是近几十年来发展起来的处理材料的高新技术， 已经广泛地应用于高分子的聚合、接枝、交联、降解、固 化，聚合物的改性以及在生物、医药卫生、食品加工、环 境保护等方面。
辐照方式主要有60Co γ -射线、电子束、中子、Ar+和微波 辐照等
辐射技术是利用电离辐射诱发物理化学变化，以此对材料 进行加工或改性，这种方法不会使处理过的材料带上放射 性。不仅效率高而且具有节能、无公害、工艺简单等优点， 辐射处理可在室温、无催化剂的情况下引发化学反应，无 需考虑待处理材料所处的物理状态，在国内外已越来越受 到重视，也是绿色化技术的一种发展趋势。
碳纤维单丝拉伸样品示意图
单丝拉伸强度按下式计算
式中
t
4 Fb d2
σt —— 单丝拉伸强度（GPa）； Fb —— 破坏载荷（N）； d —— 单丝直径（m）
增强体的表征
本体结构 表征
XRD Raman etc.
AFM HRSEM HRTEM STM etc.
增强体材料
形貌表征
化学成分 表征
IR
利用辐射加工的聚合物材料工业化产品
产品 交联电线、电缆 泡沫聚乙烯 热缩性管材、板材 固化材料的表面涂层（木板、纸张 、屋面瓦、钢板、石膏瓦和印刷品 、软盘、丝网印刷等的保护膜） 胶带、绝缘带 木塑复合材料 聚合物絮凝剂 汽车轮胎 聚四氟乙烯粉末 隐形眼镜 吸水剂 除臭的纤维 聚氨酯的辐射交联 辐射交联尼龙 蓄电池隔板 创伤敷料
第三章复合材料的界面及界面优化
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，材料脆断，既降低强度， 又降低塑性。只有界面结合适中的复合材料才呈现 高强度和高塑性。
负荷
裂纹
纤维 基体
负荷
金属基复合材料的界面控制研究方法：
1）对增强材料进行表面涂层处理 在增强材料组元上预先涂 层以改善增强材料与基体的浸润性，同时涂层还应起到防止 发生反应的阻挡层作用。
出 物 形 貌 ， 有
铝 （ 含 镁 ） 复
析合
出材
相料
碳/铝复合材料界面微结构 (a)快速冷却 (b)慢速冷却
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 纤维与基体互不反 纤维与基体反应形成界
应亦不溶解
应但相互溶解
面反应层
钨丝 / 铜
镀铬的钨丝 / 铜
Al2O3 纤维 / 铜
碳纤维 / 镍
Al2O3 纤维 / 银
钨丝 / 镍
硼纤维（BN表面涂 合金共晶体丝 / 同
层） / 铝
一合金
不锈钢丝 / 铝
SiC 纤维 / 铝
硼纤维 / 铝
硼纤维 / 镁
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
三、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。造 成界面脱粘的缺陷，而且也形成了应力集中点，层的主要 原因之一是生产制备过程要经历高温。在高温下 扩散极易进行，扩散系数D随温度呈指数关系增 加，按照Arrhenius方程：
《复合材料》PPT课件(2024)
优异的抗疲劳性能
复合材料能够抵抗循环载荷作用下的疲劳破坏，具有较长的疲劳寿命， 适用于承受交变应力的结构件。
2024/1/26
03
良好的减震性能
Hale Waihona Puke 复合材料具有较好的阻尼性能，能够吸收和分散振动能量，降低结构的
振动和噪音水平。
16
物理性能
耐高低温性能
复合材料能够在极端温度环境下保持稳定的性能，适用于高温或低 温工作条件。
2024/1/26
25
建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建 筑结构部件，如梁、板 、柱和墙体等，具有轻 质、高强度和耐腐蚀等 优点。
2024/1/26
建筑材料
复合材料还可作为建筑 材料使用，如复合地板 、复合门窗和复合墙板 等，具有美观、环保和 耐用等特点。
装饰装修
复合材料也可用于建筑 装饰装修领域，如吊顶 、隔断和家具等，具有 多样化的外观和优良的 性能。
X射线衍射（XRD）
分析复合材料的晶体结构和相组成，确定增 强体和基体的晶体类型。
2024/1/26
透射电子显微镜（TEM）
揭示复合材料内部微观结构，如增强体的分 布、取向和缺陷等。
原子力显微镜（AFM）
研究复合材料表面纳米级形貌和力学性质。
20
宏观性能测试方法
拉伸试验
测定复合材料的拉伸强度、弹性模量 和断裂伸长率等力学性能指标。
性能变化。
疲劳试验
2024/1/26
研究复合材料在交变应力作用下的疲 劳性能，预测其疲劳寿命和疲劳强度
。
耐化学腐蚀试验
测试复合材料在不同化学介质中的耐 腐蚀性能，评估其耐酸、耐碱、耐盐 雾等能力。
加速老化试验
复合材料能够抵抗循环载荷作用下的疲劳破坏，具有较长的疲劳寿命， 适用于承受交变应力的结构件。
2024/1/26
03
良好的减震性能
Hale Waihona Puke 复合材料具有较好的阻尼性能，能够吸收和分散振动能量，降低结构的
振动和噪音水平。
16
物理性能
耐高低温性能
复合材料能够在极端温度环境下保持稳定的性能，适用于高温或低 温工作条件。
2024/1/26
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建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建 筑结构部件，如梁、板 、柱和墙体等，具有轻 质、高强度和耐腐蚀等 优点。
2024/1/26
建筑材料
复合材料还可作为建筑 材料使用，如复合地板 、复合门窗和复合墙板 等，具有美观、环保和 耐用等特点。
装饰装修
复合材料也可用于建筑 装饰装修领域，如吊顶 、隔断和家具等，具有 多样化的外观和优良的 性能。
X射线衍射（XRD）
分析复合材料的晶体结构和相组成，确定增 强体和基体的晶体类型。
2024/1/26
透射电子显微镜（TEM）
揭示复合材料内部微观结构，如增强体的分 布、取向和缺陷等。
原子力显微镜（AFM）
研究复合材料表面纳米级形貌和力学性质。
20
宏观性能测试方法
拉伸试验
测定复合材料的拉伸强度、弹性模量 和断裂伸长率等力学性能指标。
性能变化。
疲劳试验
2024/1/26
研究复合材料在交变应力作用下的疲 劳性能，预测其疲劳寿命和疲劳强度
。
耐化学腐蚀试验
测试复合材料在不同化学介质中的耐 腐蚀性能，评估其耐酸、耐碱、耐盐 雾等能力。
加速老化试验
3.-复合材料的界面.pdf
研究发现：由于Al2O3膜的干扰，铝/石墨之间没有确定的 润湿角，而是一个随时间和温度变化的动态润湿过程。 界面有化学反应，生成的Al4C3有助于润湿过程。
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.
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.
材料表面与界面复合材料的界面及界面优化PPT教案
纤维的临界长径比 纤维最小体积分数
Lc fy d 2 my
V fc
mu fu
m
m
第5页/共135页
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。
（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)。
有TiN涂层的 高尔夫球头
铝
合
层 状 复 合
金 蜂 窝 夹 层
板
第16页/共135页
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
增韧陶瓷等。
粒子增强SiC陶瓷基复合材料
颗粒增强铝基泡沫复合材料
第36页/共135页
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。
第37页/共135页
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。
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
界面对振动有反射吸收作用，不
易产生共振。
第7页/共135页
\ \ \
比 强 度 比 较 碳 硼 玻钛 钢 铝 纤纤璃 维维纤 树树维 脂脂树 脂
常用的复合材料
金属基复合材料界面问题课件.ppt
———
2．界面的作用
2024散射与吸收效应、诱导效应及不连续效 应。
传递效应：是指界面可以将外力通过基体传递给增强体，起连接基体与增强 体的作用。
阻断效应：是指界面具有阻断裂纹扩展、延缓应力集中的作用。 散射与吸收效应：是指界面具有透光、隔热、隔音、吸振、耐热冲击的性能。 诱导效应是指界面使周围物质的结构发生改变，从而产生出一系列特殊的性 质。不连续效应是指界面的物理不连续性。
产生界面反应产物一脆性相 ：界面反应结果形成各种类型的化 合物,如A14C3、AIB2、A12MgO4、MgO、Ti5Si3、TIC等。
造成增强体损伤和改变基体成份 ： 严重的界面反应使高性能纤 维损伤。
界面反应还可能改变基体的成份。
———
主要的界面问题：
1.界面反应及其控制途径: 2.界面微结构及其表征: 3.界面结构特性对微观、宏观性能的影响: 4.界面结构与复合材料组分的关系: 5.界面稳定性: 6.界面的优化设计和优化界面的有效途径
———
2024/10/8
Cf/Al复合材料界面反应工艺控制
在现有的金属基复合材料体系中， Cf/Al复合材料对界面是最为敏感的， 甚至成为复合材料能否成功应用的关键技术障碍一般地,C 与 Al的复合界面在 773K便可生成 Al4C3
三方面的危害： 1.呈脆性，可降低界面在复杂应力下传递载荷的作用; 2.会导致碳纤维损伤，降低纤维的承载能力 3.易于水解，潮湿环境下易腐蚀。
———
3．界面的类型
3.界面分类
2024/10/8
•结合的原理 机械结合 化学结合
•相互作用
既不反应又不扩散 不反应但溶解扩散 界面反应
———
4.界面反应
4.1界面过程 （1）界面的吸附和偏聚 （2）扩散和传质 （3）成核和生长 （4）界面化学反应
聚合物基复合材料的界面ppt课件
第二阶段：
液态（或粘流态）组分的固化过程，即凝固或化学反应。
固化阶段受第一阶段影响，同时它也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，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 称做胶束或胶粒，密度小的称做胶絮。
18
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
1）浸润吸附理论
浸润吸附理论认为，高聚物的黏结作用可以分为两个阶段： 第一阶段：高聚物大分子借助于宏观布朗运动从溶液或
熔融体中，移动到被粘物表面；再通过微布朗运动，大分子 链节逐渐向被粘体表面的极性基体靠近。没有溶剂时，大分 子链节只能局部靠近表面，而在压力作用下或加热使黏度降 低时，便可与表面靠得很近。
所谓浸润，即是把不同的液滴放到不同的固体表面上，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”。 有时液滴仍团聚成球状，这一现象称为“不浸润”或“浸润不 好”。 液体对固体的浸润能力，可以用浸润角θ来表示 当θ≤90°时，称为浸润； 当θ≥90°时，称为不浸润； 当θ=0°及180°时，则分别为完全浸润和完全不浸润。
21
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
2）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.)
1949年提出化学键理论。 该理论的主要观点是：偶联剂分子应至少含有两种官能团， 第一种官能团在理论上可与增强材料起化学反应，第二种官 能团在理论上应能参与树脂的固化反应，与树脂分子链形成 化学键结合，于是，偶联剂分子像“桥”一样，将增强材料 与基体通过共价键牢固地连接在一起了。 例如，使用甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、乙基三氯硅烷 和乙烯基烷氧基硅烷及二烯丙基烷氧基硅烷于不饱和聚酯/玻 璃纤维体系中。结果表明含不饱和基硅烷的制品强度比饱和 基的高出几乎2倍，显著地改善了树脂/玻璃纤维两相间的界 面黏结。
液态（或粘流态）组分的固化过程，即凝固或化学反应。
固化阶段受第一阶段影响，同时它也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，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 称做胶束或胶粒，密度小的称做胶絮。
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篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
1）浸润吸附理论
浸润吸附理论认为，高聚物的黏结作用可以分为两个阶段： 第一阶段：高聚物大分子借助于宏观布朗运动从溶液或
熔融体中，移动到被粘物表面；再通过微布朗运动，大分子 链节逐渐向被粘体表面的极性基体靠近。没有溶剂时，大分 子链节只能局部靠近表面，而在压力作用下或加热使黏度降 低时，便可与表面靠得很近。
所谓浸润，即是把不同的液滴放到不同的固体表面上，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”。 有时液滴仍团聚成球状，这一现象称为“不浸润”或“浸润不 好”。 液体对固体的浸润能力，可以用浸润角θ来表示 当θ≤90°时，称为浸润； 当θ≥90°时，称为不浸润； 当θ=0°及180°时，则分别为完全浸润和完全不浸润。
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篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
2）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.)
1949年提出化学键理论。 该理论的主要观点是：偶联剂分子应至少含有两种官能团， 第一种官能团在理论上可与增强材料起化学反应，第二种官 能团在理论上应能参与树脂的固化反应，与树脂分子链形成 化学键结合，于是，偶联剂分子像“桥”一样，将增强材料 与基体通过共价键牢固地连接在一起了。 例如，使用甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、乙基三氯硅烷 和乙烯基烷氧基硅烷及二烯丙基烷氧基硅烷于不饱和聚酯/玻 璃纤维体系中。结果表明含不饱和基硅烷的制品强度比饱和 基的高出几乎2倍，显著地改善了树脂/玻璃纤维两相间的界 面黏结。
复合材料原理--复合材料的界面结合特性 ppt课件
ppt课件
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4.2 树脂基复合材料的界面结构及界面理论
4.2.2 树脂基复合材料的界面结合理论
（3）优先吸附理论 界面上可能发生增强体表面优先吸附树脂中的某些组分 ，这些组分与树脂有良好的相容性，可以大大改善树脂对增 强体的浸润；由于优先吸附作用，在界面上可以形成“柔性 层”，“柔性层”极可能是一种欠固化的树脂层，它是“可 塑的”，可以起到松驰界面上应力集中的作用，故可以防止 界面脱粘。
ppt课件
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4.2 树脂基复合材料的界面结构及界面理论
4.2.2 树脂基复合材料的界面结合理论
（5）可逆水解理论 这两个可逆反应建立了键形成-断裂动态平衡，依靠这 种动态平衡，在界面上起着几个作用。
对水的排斥
界面上应力松弛 使界面始终保持一定的粘合强度。
可解释偶联剂处理过的树脂基复合材料湿态强度保留率
界面结合形式 机械结合：增强体和基体间纯粹的机械接触； 溶解与浸润结合：由单纯的浸润和溶解作用，使增强体 和基体形成交错的溶解扩散界面； 反应界面结合：主要主价键力而结合，在界面上形成新 的反应物层；
氧化结合：增强体表面吸附的空气所带来的氧化作用；
混合结合。
ppt课件
33பைடு நூலகம்
4.4 树脂基复合材料界面的破坏机理
4.3.1晶态非树脂基基体的结构特性 （5）固定的熔点
在恒压下对晶体加热时，晶体温度升高但状态不变，到
达熔点温度时，晶体温度保持不变而由固态熔融为液态 。对非晶体材料，则随温度升高使材料变软，再逐渐由
粘稠态转变为低粘度液体。
ppt课件
30
4.3 非树脂基复合材料的基体及界面结构
4.3.1晶态非树脂基基体的结构特性
复合材料第3章----复合材料的界面
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，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。
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.
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.
复合材料材料的界面理论 ppt课件
ppt课件
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。
ppt课件
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。
ppt课件
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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。
复合材料界面与设计课件
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
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。
三、增强纤维表面化学分析表征
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。
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
关注； 界面结构的最重要的手段是TEM、SEM，AFM和拉
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
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
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。
三、增强纤维表面化学分析表征
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。
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
关注； 界面结构的最重要的手段是TEM、SEM，AFM和拉
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
复合材料原理 ppt课件
复合材料界面的研究对象： （1）增强体表面有关的问题：
①、增强体表面的化学、物理结构与性能； ②、增强体与表面处理物质界面层的结构与性质及对增强 体表面特性的影响； ③、增强体表面特性与基体之间的相互关系及两者间的相 互作用（增强体未处理时）； ④、增强体与表面处理物质的界面作用； ⑤、增强体表面特性与复合材料特性的相互关系。 （2）表面处理物质的有关问题： ①、最外层的化学、物理结构及内层的化学、物理结构； ②、表面处理物质与基体之间的相互作用； ③、表面处理物质对基体的影响； ④、处理条件及处理剂层的特性； ⑤、处理剂层随时间的变化； ⑥、处理剂层与复合材料性能的相互关系。
59
3.5 增强体的表面特性及对复合材料界面结合的影响
基体材料的性能及含量
增强材料的性能、含量 及分布情况
复合材料基本性能
界面结合情况
？
如何体现？
60
61
3．5．1 增强体表面的物理特性与界面结合
比表面积
多孔性
物理特性
极性 结构均一性
结晶特性
62
3.5.1.1 比表面积
对界面的影响：是导 致复合材料中的界面 存在并引起界面效应 的根本所在。
玻璃表面
纤维
图3.7水滴在玻璃表面的滴淌
图3.8 玻璃纤维在液态树脂中的浸润状态
49
3.3.4 固体表面的临界表面张力
Zisman 等 发 现 对 于 同 系 的 液 体 ， cosθ( 前 进 角 ) 通 常 是γl的单调函数。 提出：
c o s b l 1 ( l c )
式中，a、b、 β均为常数,γl为同系液体的表面张力 ，γc为临界表面张力
合体系粘结特性。
3．4．2．1 偶联剂处理时偶联剂官能团的特性作用 偶联剂官能团的特性，是在粘结剂复合固化过程中，可
复合材料课件第3章 复合材料的界面状态解析
液体能否浸润固体的一个量度，粘附功越大，液体 越容易浸润，液固界面就越牢固 对于单一物质，相应的即为内聚功WAA可表示为：
式中WAB为A，B两表面的粘附功，
WAA 2
3.3.3固-液浸润现象 ② 浸润（wetting）现象 定义：固液接触后，体系吉布斯自由能降低时 就称为润湿。
按润湿程度
常见物质的表面张力
物 质 C12 (C2H5)2O H2 O NaCl LiCl Na2SiO3(水玻璃) FeO A12O3 Ag Cu Pt T／℃ -30 25 20 803 614 1000 1427 2080 1100 1083 1773．5 103／(N· m-1) 25.56 26.43 72.88 113.8 137.8 250 582 700 878.5 1300 1800
3.2 复合材料界面研究对象
（3）基体-增强体相互作用区 物理作用 ① 相互作用方式 化学作用 化学键、离子键 范德华力、氢键、机械作用
②、工艺
③ 相互作用区的稳定性 ④ 复合技术的优化
材料粘接的破坏形式
3.2 复合材料界面研究对象
思考题： 1、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； 2、 复合材料界面效应及其特点； 3、简述复合材料界面的研究对象；
3.1.1 界面层特点
3. 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。
4. 界面层随环境条件变化而改变。 5. 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
3.1.2 复合材料界面效应分类
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：界面可将复合材料体系中基体承受的 外力传递给增强相，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， 如抗电性、电感应性、磁性、耐热性和尺寸稳定性等。
式中WAB为A，B两表面的粘附功，
WAA 2
3.3.3固-液浸润现象 ② 浸润（wetting）现象 定义：固液接触后，体系吉布斯自由能降低时 就称为润湿。
按润湿程度
常见物质的表面张力
物 质 C12 (C2H5)2O H2 O NaCl LiCl Na2SiO3(水玻璃) FeO A12O3 Ag Cu Pt T／℃ -30 25 20 803 614 1000 1427 2080 1100 1083 1773．5 103／(N· m-1) 25.56 26.43 72.88 113.8 137.8 250 582 700 878.5 1300 1800
3.2 复合材料界面研究对象
（3）基体-增强体相互作用区 物理作用 ① 相互作用方式 化学作用 化学键、离子键 范德华力、氢键、机械作用
②、工艺
③ 相互作用区的稳定性 ④ 复合技术的优化
材料粘接的破坏形式
3.2 复合材料界面研究对象
思考题： 1、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； 2、 复合材料界面效应及其特点； 3、简述复合材料界面的研究对象；
3.1.1 界面层特点
3. 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。
4. 界面层随环境条件变化而改变。 5. 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
3.1.2 复合材料界面效应分类
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：界面可将复合材料体系中基体承受的 外力传递给增强相，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， 如抗电性、电感应性、磁性、耐热性和尺寸稳定性等。
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碳纤维结构示意图
1一每个微晶体包含25层平面
2一基础面的碳原子；
3一表面的边缘碳原于；
4一缺陷
玻璃纤维表面偶联作用的简化模型
玻璃纤维表面的反应性主要由表面明显的碱性和Si—OH所决定。
特别是Si—OH基团。
具有一般活泼一OH基所具有的反应性质。
与玻璃纤维的作用机理第一种机理
第二种机理
硅烷偶联剂是偶联剂中最重要的一大类型，除了目前已广泛应用的几十种外，近来又开发了许多新的品种，下面介绍主要的几个品种。
①耐高温型硅烷偶联剂
(3)新品种硅烷偶联剂
过氧化物型硅烷偶联剂
特点：一是偶联作用的获得是通过过氧化物热裂解，而不是通过烷氧基团的水解；二是偶联作用不局限于玻璃纤维增强塑料，而是适用于一大类相似或不相似物质之间的偶联。
③阳离子型硅烷偶联剂
阳离子硅烷，除了具有一般水解型硅烷的性质外，还同时具有阳离子表面活性剂的作用，可改善无机物在树脂中的分散性。
④水溶性硅烷偶联剂
其化学名称为二聚氮什酰胺基三甲氧基硅烷。
它是一种水溶性偶联剂，在分子主链上含有硅氧烷功能基团和氨基反应活性基团，其效果与A-偶联剂相当。
有机铬络合物无水时的结构式
结构通式沃兰
沃兰是一种有机酸铬络合物，它通常配成
水、异丙醇或丙酮的溶液，该溶液是酸性的，一
般是暗绿色，常用的是它的水溶液。
沃兰与玻纤表面的作用机理
◆本身水解
）用化学气相沉积(CVD)的方法加涂碳化硅；
将碳纤维在高温下与四氯化硅—氢混合气体相接将碳纤维在高温下与三氯化硼—氢混合气体相接
碳纤维的电解处理装置
1一碳纤维，2一张紧轮，3一阳极，4一阴极，5一电解液
6一热空气干燥器，7一热空气蚊风机，8一收卷装置
配位体型
适用于许多填充体系。
配位体型钛酸酯偶联剂可以避免一些副反应：
1、在聚酯中的酯交换反应；
（2）钛酸酯偶联剂的应用方法
①预处理法
：
将钛酸酯偶联剂与惰性溶剂，如白油、石油醚、变压器油等稀释，。