复合材料的界面

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界面通常包含以下几个部分： 界面通常包含以下几个部分： 通常包含以下几个部分
（1）基体和增强物的部分原始接触面； 基体和增强物的部分原始接触面 原始接触面； （2）基体与增强物相互作用生成的反应产物、此产 基体与增强物相互作用生成的反应产物 反应产物、 物与基体及增强物的接触面； 物与基体及增强物的接触面； 的接触面 （3）基体和增强物的互扩散层； 基体和增强物的互扩散层 互扩散层； （4）增强物上的表面涂层； 增强物上的表面涂层 表面涂层； （5）基体和增强物上的氧化物及它们的反应产物等。 基体和增强物上的氧化物及它们的反应产物 氧化物及它们的反应产物等
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（a）不完全浸润
（b）不浸润 不完全浸润(a)和不浸润 情况示意图 不完全浸润 和不浸润(b)情况示意图 和不浸润
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由θ可知浸润的程度。 可知浸润的程度 浸润的程度。 θ ＝0o 时，完全浸润； 完全浸润； θ ＜90o时，不完全浸润(或称部分浸润)； 不完全浸润(或称部分浸润) θ ＞90o时，不浸润。 不浸润。 θ ＝180o时，完全不浸润。 完全不浸润。
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界面是复合材料的特征，可将界面的机能 界面是复合材料的特征，可将界面的机能 是复合材料的特征 归纳为以下几种效应。 归纳为以下几种效应。 （1）传递效应 （2）阻断效应 （3）不连续效应 （4）散射和吸收效应 （5）诱导效应
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界面区域的结构 性质都不同于两相中 界面区域的结构与性质都不同于两相中 结构与 的任一相。 的任一相。 从结构上来分，这一界面区由五个亚层 结构上来分，这一界面区 界面区由 上来分 组成(见下图所示) 组成(见下图所示)：
第四章 复合材料的界面
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4.1 概述
复合材料的界面 复合材料的界面是指基体与增强物之间 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、 化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、 有显著变化的 彼此结合的 能起载荷传递作用的微小区域。 能起载荷传递作用的微小区域。 载荷传递作用的微小区域
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1 — 外力场； 外力场； 2 — 树脂基体； 树脂基体； 3 — 基体表面区； 基体表面区； 4 — 相互渗透区； 相互渗透区； 5 — 增强剂表面区； 增强剂表面区； 6 — 增强剂 界面区域示意图
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界面的结合强度一般是以分子间力、 界面的结合强度一般是以分子间力、 一般是以分子间力 溶解度指数、表面张力(表面自由能) 溶解度指数、表面张力(表面自由能)等表示 的，而实际上有许多因素影响着界面结合 强度。 强度。
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增强纤维优先与合金基体中某一元素反应生成 化合物在界面层富集，而界面层附近基体中该元素 化合物在界面层富集， 的缺少，则导致其他元素在界面附近富集。同时， 的缺少，则导致其他元素在界面附近富集。同时， 化合物的元素与基体中的元素不断发生交换反应 化合物的元素与基体中的元素不断发生交换反应， 交换反应， 直至达到平衡。 直至达到平衡。 暂稳态界面反应： 暂稳态界面反应：是由于增强纤维表面局部存 在氧化层所致。 氧化层所致 所致。
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3. 残余应力
物理相容性要求金属基体有足够的韧性和 物理相容性要求金属基体有足够的韧性和强 要求金属基体有足够的韧性 度，还要求在材料中出现裂纹和位错移动时基体 还要求在材料中出现裂纹 位错移动时基体 裂纹和 上产生的局部应力不在增强纤维上形成高应力 上产生的局部应力不在增强纤维上形成高应力。 高应力。
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对于界面结合状态、形态、结构以及它 对于界面结合状态、形态、 对复合材料性能的影响尚没有适当的试验方 法，通常需要借助拉曼光谱、电子质谱、红 通常需要借助拉曼光谱 电子质谱、 拉曼光谱、 外扫描、 衍射等试验逐步摸索和统一认识 外扫描、X衍射等试验逐步摸索和统一认识。 等试验逐步摸索和统一认识。
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在选择金属复合材料的组分材料时， 在选择金属复合材料的组分材料时，为避免 过高的残余应力，要求增强纤维与基体的热膨胀 过高的残余应力，要求增强纤维与基体的热膨胀 系数不要相差很大。 系数不要相差很大。
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4.2.3 陶瓷基复合材料的界面
在陶瓷基复合材料中，增强纤维与基体之间形 在陶瓷基复合材料中， 质地均匀， 成的反应层质地均匀 对纤维和基体都能很好地结 成的反应层质地均匀，对纤维和基体都能很好地结 合，但通常是脆性的。因增强纤维的横截面多为圆 但通常是脆性 脆性的 故界面反应层常为空心圆筒状 空心圆筒状， 厚度可控。 形，故界面反应层常为空心圆筒状，其厚度可控。
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连续界面反应：对复合材料力学性能 连续界面反应：对复合材料力学性能的影响最 力学性能的影响最 大。这种反应有两种可能：发生在增强纤维一侧， 这种反应有两种可能：发生在增强纤维一侧， 或者基体一侧。 或者基体一侧。
交换式界面反应：主要出现在含有两种 交换式界面反应：主要出现在含有两种或两种 两种或 以上合金的基体中 以上合金的基体中。 合金的基体中。
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为了提高复合材料组元间的浸润性 为了提高复合材料组元间的浸润性， 组元间的浸润性， 常常通过对增强材料进行表面处理的方法 常常通过对增强材料进行表面处理的方法 来改善润湿条件，有时也可通过改变基体 来改善润湿条件， 成分来实现。 成分来实现。
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B. 化学键理论
化学键理论的主要论点处理增强剂表面的偶 联剂应既含有能与增强剂起化学作用的官能团， 联剂应既含有能与增强剂起化学作用的官能团， 又含有能与树脂基体起化学作用的官能团。 又含有能与树脂基体起化学作用的官能团。
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常借于整体材料的力学性能 常借于整体材料的力学性能来表征界面 整体材料的力学性能来表征界面 性能， 层间剪切强度(ILSS)就是研究界面 性能，如层间剪切强度(ILSS)就是研究界面 粘结的良好办法，如再能配合断裂形貌分析 粘结的良好办法，如再能配合断裂形貌分析 等即可对界面的其他性能作较深入的研究。 等即可对界面的其他性能作较深入的研究。
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当反应层达到某一厚度时，复合材料的抗张 当反应层达到某一厚度时，复合材料的抗张 强度开始降低，此时反应层的厚度定义为第一临 强度开始降低，此时反应层的厚度定义为第一临 界厚度。 界厚度。 如果反应层厚度继续增大， 如果反应层厚度继续增大，材料强度亦随之 降低，直至达某一强度时不再降低，这时的反应 不再降低， 降低，直至达某一强度时不再降低 层厚度成为第二临界厚度 层厚度成为第二临界厚度。 第二临界厚度。
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物理相容性中最重要的是要求纤维与基体的 物理相容性中最重要的是要求纤维与基体的 热膨胀系数匹配。 热膨胀系数匹配。 当纤维中残余应力是压应力时，应注意纤维 纤维中残余应力是压应力时 中残余应力是压应力 的屈曲；当基体的残余应力为拉应力时，应考虑 屈曲； 基体的残余应力为拉应力时 的残余应力为拉应力 界面和基体中的裂纹扩展 界面和基体中的裂纹扩展。 裂纹扩展。
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A. 界面润湿理论
1963年Zisman提出了这个理论， 1963年Zisman提出了这个理论，其主要论点 提出了这个理论 是填充剂被液体树脂良好润湿是极其重要的， 是填充剂被液体树脂良好润湿是极其重要的，因 浸润不良会在界面上产生空隙，易使应力集中而 浸润不良会在界面上产生空隙， 使复合材料发生开裂，如果完全润湿，则基体与 使复合材料发生开裂，如果完全润湿， 填充剂间的粘结强度将大于基体的内聚强度。 填充剂间的粘结强度将大于基体的内聚强度。
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影响界面稳定性的因素 影响界面稳定性的因素
（1）物理因素：主要指高温条件下增强纤维 物理因素： 与基体之间的熔融 与基体之间的熔融。 熔融。 （2）化学因素：主要与复合材料在加工和使 化学因素： 用过程中发生的界面化学作用有关。它包括连续界 用过程中发生的界面化学作用有关。它包括连续界 界面化学作用有关 面反应、交换式界面反应和暂稳态界面变化等 面反应、交换式界面反应和暂稳态界面变化等。
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2. 界面作用机理
界面使纤维与基体形成一个整体。 界面使纤维与基体形成一个整体。 使纤维与基体形成一个整体 关于界面作用机理的理论： 关于界面作用机理的理论： 界面作用机理的理论 A.界面浸润理论 A.界面浸润理论 B.化学键理论 B.化学键理论 C.物理吸附理论 C.物理吸附理论 D.变形层理论 D.变形层理论 E.拘束层理论 E.拘束层理论 F.扩散层理论 F.扩散层理论 G.减弱界面局部应力作用的理论 G.减弱界面局部应力作用的理论
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界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时， 界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时， 的衡量是当受力发生开裂时 这一裂纹能转为区域化而不产生近一步界面 脱粘。即这时的复合材料具有最大断裂能 脱粘。即这时的复合材料具有最大断裂能和 最大断裂能和 一定的韧性。 一定的韧性。
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由此可见， 研究和设计界面时 由此可见，在研究和设计界面时， 不应只追求界面粘结而应考虑到最优化 界面粘结而应考虑到 不应只追求界面粘结而应考虑到最优化 和最佳综合性能。 和最佳综合性能。
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4.3 增强材料的表面处理
表面处理即在增强材料表面涂覆上一种成为表 表面处理即在增强材料表面涂覆上一种成为表 即在增强材料表面涂覆上一种成为 面处理剂的物质，这种表面处理剂包括浸润剂及一 面处理剂的物质，这种表面处理剂包括浸润剂及一 的物质 表面处理剂包括浸润剂 系列偶联剂和助剂等物质，以利于增强材料与基体 等物质， 系列偶联剂和助剂等物质 偶联剂 间形成一个良好的粘结界面， 间形成一个良好的粘结界面，从而达到提高复合材 粘结界面 料各种性能的目的。 料各种性能的目的。
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界面结合形式： 界面结合形式： （1）物理结合 （2）溶解和浸润结合 （3）反应结合
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2. 影响界面稳定性的因素
与聚合物基复合材料相比，耐高温是金属基 与聚合物基复合材料相比，耐高温是金属基 复合材料的主要特点。因此，金属基复合材料的 复合材料的主要特点。因此， 界面能否在所允许的高温环境下长时间保持稳定 界面能否在所允许的高温环境下长时间保持稳定， 能否在所允许的高温环境下长时间保持稳定， 是非常重要的。 是非常重要的。
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C. 物理吸附理论
这种理论认为，增强纤维与树脂基体之间的 这种理论认为， 结合是属于机械铰合和基于次价键作用的物理吸 附。偶联剂的作用组要是促进基体与增强纤维表 面完全润湿。 面完全润湿。
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D. 变形层理论
增强纤维经表面处理后，在界面上形成一层 增强纤维经表面处理后， 塑性层，可松弛并减小界面应力。 塑性层，可松弛并减小界面应力。这种理论称作 变形层理论。 变形层理论。
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4.2 复合材料的界面
4.2.1 聚合物基复合材料的界面
1. 界面的形成
界面的形成可分成两个阶段 界面的形成可分成两个阶段： 两个阶段： （1）基体与增强纤维的接触和润湿过程； 基体与增强纤维的接触 润湿过程 接触和 过程； 固化阶段 （2）是聚合物的固化阶段。 是聚合物的固化阶段。
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界面层的结构大致包括：界面的结合力 界面层的结构大致包括：界面的结合力、 结构大致包括 结合力、 界面的区域 厚度）和界面的微观结构 界面的区域（厚度）和界面的微观结构等几 区域（ 微观结构等几 个方面。 个方面。
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4.2.1 金属基复合wk.baidu.com料的界面
1. 界面的类型
金属基纤维复合材料界面的类型
类型I 类型I 纤维与基体互不反应 亦不溶解 钨丝/ 钨丝/铜 纤维/ Al2O3纤维/铜 纤维/ Al2O3纤维/银 硼纤维(表面涂BN)/ BN)/铝 硼纤维(表面涂BN)/铝 不锈钢丝/ 不锈钢丝/铝 SiC纤维(CVD)/铝 纤维(CVD)/ SiC纤维(CVD)/铝 硼纤维/ 硼纤维/铝 硼纤维/ 硼纤维/镁 类型II 类型II 纤维与基体不反应但 相互溶解 镀铬的钨丝/ 镀铬的钨丝/铜 碳纤维/ 碳纤维/镍 钨丝/ 钨丝/镍 合金共晶体丝/ 合金共晶体丝/同一合 金 类型III 类型III 纤维与基体相互反应 形成界面反应层 钨丝/ 钨丝/铜－钛合金 碳纤维/ (>580ºC) 碳纤维/铝(>580 纤维/ Al2O3纤维/钛 纤维/Ti B纤维/Ti 纤维/Ti /Ti－ B纤维/Ti－Al SiC纤维 纤维/ SiC纤维/钛 纤维/Al SiO2纤维/Al