复合材料界面

θ < 900：液体能润湿固体(θ =00时，完全润湿固体)
L
θ
S
根据力的合成：
SL
L cos S SL
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由(4-2)、(4-3)得到
WA S L SL L (1 cos )
可见，当θ = 00时，WA最大，表明液体全部铺平在固体上，同时
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纤维与基体弹性模量比值越大，纤维体积含量越高，则纤 维承载越大。因此，对于给定的纤维/基体复合材料体系，应 尽可能提高纤维的体积分数。但要考虑基体对纤维的润湿、浸 渍程度问题，界面强度降低以及气孔率增加会破坏材料性能。
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b.复合材料初始变形后的行为 四个阶段： 纤维和基体均为线弹性变形 纤维继续线弹性变形，基体非线性变形 纤维和基体都非线性变形 随纤维断裂，复合材料断裂 对于脆性纤维复合材料，可能看不到第三阶段。
(F / A)T V
：表面张力； F：自由能； A：面积
基体和增强体两表面结合，自由能下降，可定义为粘合功WA：
WA S L SL
S ：固气的界面张力； L ：液气的界面张力； SL ：固液的界面张力
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如果一滴液体滴在固体表面，θ 为接触角： θ > 900：液体不能润湿固体(θ =1800时，完全不润湿固体)
对高性能纤维复合材料结构设计多用层板理论，纤维复合 材料被认为是单向层片按照一定的顺序进行叠放。
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(1)纵向强度和刚度 a.复合材料应力-应变曲线的初始阶段 复合材料的弹性模量为：
纤维、基体对复合材料性能的贡献正比于各自的体积分数， 称为“混合法则”。
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• 在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、 物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理 性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积 百分比（vol.%）：
SL 0 和 L S
热力学说明了结合的可能性；动力学表明了结合的速度问题。 1964年，Zisman提出了能产生良好结合的两个条件： (1)液体粘度要尽量低 (2) S 略大于 L 问题：复合材料中增强体表面越粗造，界面结合就越好？
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聚合物基复合材料界面及改性方法 (1)改善树脂基体对增强材料的浸润程度 热塑性聚合物基复合材料： a.基体熔体与基体与增强材料间的接触和润湿； b.复合体系冷却凝固定型。 措施：延长浸润时间，增大体系压力，降低熔体粘度，改善织物结 构。 热固性聚合物基复合材料： 措施：常采用预先形成预浸料(干法、湿法)的办法，以提高聚合物 基体对增强体的浸润程度。 先决条件：充分浸润，使界面不出现空隙和缺陷。
载荷从基体向纤维的传递就发生在纤维的lf长度上。载荷 传递长度的最大值lc称为“临界纤维长度”。
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2.2 复合材料的界面
定义：是一层具有一定厚度(纳米以上)、结构随基体和增强体而 异的、与基体有明显差别的新相——界面相(界面层)。
一、聚合物基复合材料的界面
界面的形成：
第一阶段：基体与增强纤维的接触与浸润过程； 增强纤维吸附那些能降低其表面能的物质。
微粒尺寸越小，体积分数越高， 强化效果越好。
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(2)颗粒增强原理 增强体是尺寸较大(粒径大于1μm )的坚硬颗粒。虽然载荷 主要由基体承担，但颗粒也承受载荷并约束基体的变形，微粒 阻碍基体位错运动能力越大，增强效果越好。 复合材料的屈服强度：
颗粒尺寸越小，体积分数越高，增强效果越好。
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二、单向排列连续纤Fra Baidu bibliotek增强原理
第二阶段：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。
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界面的结合力 界面层结构
宏观结合力：材料的几何因素 (机械铰合力)
微观结合力：化学键和次价键
界面的区域(厚度)
界面的微观结构
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界面作用机理： 指界面发挥作用的微观机理。
(A)界面浸润理论 1963年Zisman提出，指出填充剂被液体树脂良好浸润是重要的。 表面张力：
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三、短纤维增强原理
作用于复合材料的载荷并不直接作用于纤维，而是作用于 基体材料并通过纤维端部与端部附近的纤维表面将载荷传递给 纤维。当纤维长度超过应力传递发生的长度时，端头效应可以 忽略，纤维可以被认为是连续的，但对于短纤维复合材料，端 头效应不可忽略，同时复合材料性能是纤维长度的函数。 将能够达到最大纤维应力(σf)max的最短纤维长度定义为载 荷传递长度lf：
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(2)适度的界面结合强度
结合方法： a.物理机械结合 b.化学结合
结合强度要适中，为什么？ 界面黏结太弱，界面容易发生脱粘，纤维不能充分发挥作用； 界面黏结太强，容易导致增强材料的脆性破坏。
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韧性断裂
脆性断裂
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(3)减少复合材料成型中形成的残余应力 增强材料与基体之间热导率、热膨胀系数、弹性模量、泊松比等 均不同，成型中界面处形成热应力，如果不能有效松弛，将成残余 应力。降低应力传递能力，使复合材料的力学性能下降。 解决方法：在增强材料与基体间引入一层可形变的界面层。
一、颗粒增强原理
弥散增强原理和颗粒增强原理 (1)弥散增强原理 可用位错绕过理论来解释。载荷主要由基体承担，弥散 颗粒阻碍基体的位错运动，微粒阻碍基体位错运动能力越大， 增强效果越好。 在剪切应力τi的作用下，位错的曲率半径为：
Gm：基体的剪切模量；b：柏氏矢量
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当R=Df /2时，屈服强度为：
若微粒直径为dp，体积分数为Vp 时 有：
Pc PiVi
i 1
N
Pc ：复合材料的某性能，如强度、弹性模量、热导率等； Pi ：各组分材料的对应复合材料的某性能； V ：组成复合材料各组分的体积百分比； i：表示组成复合材料的组分数。
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SiC/硼硅玻璃复合材料的强度 随纤维体积含量线性增加
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颗粒增强复合材料的 弹性模量与颗粒体积分量的关系
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c.断裂强度 纤维控制复合材料断裂所需的最小体积分数： 当基体断裂应变 > 纤维断裂应变时，
σfu ：纤维强度；(σm)εf ：对应纤维断裂应变值的基体应力
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当基体断裂应变 < 纤维断裂应变时，
σmu ：基体强度； σf *：对应基体断裂应变值时纤维承受的应力 (2)横向强度和刚度 纤维对横向强度不仅没有增强作用，反而有相反作用。纤 维在与相邻的基体中所引起的应力和应变将对基体形成约束， 使得复合材料的断裂应变比未增强基体低得多。