复合材料第十五章-复合材料的界面及界面优化设计

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对于一个结定的体系，接触角随着温度、保持时间、吸 附气体等而变化。 浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触时的情况，而并 不能表示界面的粘结性能。 一种体系的两个组元可能有极好的浸润性，但它们之间的结 合可能很弱，如范德华物理键合形式。 因此良好的浸润性，只是两个组元间可达到良好粘结的 必要条件，并非充分条件。
(1) 界面润湿理论 界面润湿理论是基于液态树脂对纤维表面的浸润亲和，
即物理和化学吸附作用。 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。良好的或完全浸润可使界面强度大大 提高，甚至优于基体本身的内聚强度。
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在制备聚合物基复合材料时，一般是把聚合物(液态树脂) 均匀地浸渍或涂刷在增强材料上。
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界面黏结强度的重要性： ¾PMC——高的界面强度，有效地将载荷传 递给纤维 ¾CMC——界面处能量的耗散 ¾MMC——强的界面，有益的非弹性过程
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15.2 界面效应及界面结合强度
15.2.1 界面效应
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
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(2) 化学相容性： ★ 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。
1）相反应的自由能 ∆ F： 小 2）化学势U： 相近 3）表面能T： 低 4）晶界扩散系数D： 小
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15.3.2 复合材料的界面理论
粘结(或称粘合、粘着、粘接)是指不同种类的两种材料 相互接触并结合在一起的一种现象。 当基体浸润增强材料后，紧接着便发生基体与增强材料 的粘结(Bonding)。
树脂对增强材料的浸润性是指树脂能否均匀地分布在增强 材科的周围，这是树脂与增强材料能否形成良好粘结的重要前 提。
在制备金属基复合材料时，液态金属对增强材料的浸润性， 则直接影响到界面粘结强度。
浸润性是表示液体在固体表面上铺展的程度。
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好的浸润性意味着液体(基体)将在增强材料上铺展开来， 并覆盖整个增强材料表面。
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★ 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。
★ 而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。
按照热力学条件，只有体系自由能减少时， 液体才能铺展开来，即
γSL+γLG<γSG
因此，铺展系数SC(Spreading Coefficient)被定 义为：
SC = γ SG − (γ SL + γ LG )
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只有当铺展系数SC＞0时，才能发生浸润。不 完全浸润的情况如下图所示，根据力平衡，可得：
由此可见，在研究和设计界面时，不应只追求界面粘结而 应考虑到最优化和最佳综合性能。
例如，在某些应用中，如果要求能量吸收或纤维应力很大 时，控制界面的部分脱粘也许是所期望的，用淀粉或明胶作为 增强玻璃纤维表面浸润剂的E粗纱已用于制备具有高冲击强度 的避弹衣。
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由于界面尺寸很小且不均匀、化学成分及结构复杂、力
z 硬化、强化——跨越界面的载荷传递 z 韧性——裂纹的偏转，纤维的拔出 z 塑性——界面附近峰值应力的松弛
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界面的性能研究： ---聚合物基复合材料：涉及化学反应，比较复杂；界面的
要求：高粘结强度（可有效把载荷传递给纤维），对环境破坏 具有良好的抵抗能力。
---金属基复合材料：通常需要有适中的粘结界面；界面处
学环境复杂、对于界面的结合强度、界面的厚度、界面的应力 状态尚无直接的、准确的定量分析方法；所以，对于界面结合 状态、形态、结构以及它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、红外扫描、x 衍射等试验逐步摸索和统一认识；另外，对于成分和相结构也 很难作出全面的分析。
界面结合过强的复合材料则呈脆性断裂，也降低了复合材 料的整体性能。
界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时，裂纹能转化为区 域化而不进一步界面脱粘；即这时的复合材料具有最大断裂能 和一定的韧性。
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由于界面区相对于整体材料所占比重甚微，欲单独对某一 性能进行度量有很大困难。
因此常借于整体材料的力学性能来表征界面性能，如层间 剪切强度(ILSS)就是研究界面粘结的良好办法；
Compatibility of composite interface---复合材料界面相 容性
Mechanics of composite---复合材料力学 Micromechanics of composite---复合材料细观力学
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参考教材或资料：
1、复合材料学----周祖福 （武汉理工大学出版社，2004年） 2、现代复合材料----陈华辉 邓海金 李 明 （中国物质出版社,1998） 3、复合材料概论----王荣国 武卫莉 （哈尔滨工业大学出版社,1999） 4、复合材料--------吴人洁（天津大学出版社,2000） 5、复合材料科学与工程---倪礼忠,陈麒(科学出版社,2002) 6、复合材料及其应用—尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社,2003） 7、高性能复合材料学---郝元恺,肖加余 (化学工业出版社,2004) 8、新材料概论--- 谭毅, 李敬锋(冶金工业出版社,2004) 9、先进复合材料----鲁 云 朱世杰 马鸣图 （机械工业已出版社,2004） 10、复合材料--------周曦亚（化学工业出版社,2005）
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。 通过力学分析可看出，界面性能较差的材料大多呈剪切破 坏，且在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛 等现象。
但界面间粘结过强的材料呈脆性也降低了材料的复合性能。
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界面最佳态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和一定的韧性。
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15、复合材料的界面及界面优化设计 前言：21世纪对材料的要求多样化，复合材料开发有
很大的发展，复合材料整体性能的优劣与界面结构和
性能关系密切。
15.1复合材料的界面概念
复合材料的界面是指基体与增强相之间化学成分
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
复合材料的关键
9首先界面是基体和增强材料的结合处，即二者的分子在界面
形成原子作用力。
9其次，界面又作为基体和增强材料之间传递载荷的媒介或过
渡带。
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界面：增强体和基体接触而构成。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）。
界面的作用：是增强相和基体连接的纽带，也是应力 及其它信息传递的桥梁。
假如基体的粘度不是太高，浸润后导致体系自由能降低的 话，就会发生基体对增强材料的浸润。 一滴液体滴落在一固体表面时，原来固--气接触界面将被 液--固界面和液--气界面所代替，用 γLG 、γSG 、γSL分别代 表液--气、固--气和固--液的比表面能或称表面张力(即单位面 积的能量)。
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界面为复合材料极为重要的微结构，其结构与性能直 接影响了复合材料的性能。
增强体（纤维、微纤、晶须、颗粒）与基体在成型过 程中发生不同相互作用和界面反应，形成了各种界面结构。
界面的研究内容：界面的形成过程，界面的性质，界 面的粘合，应力传递行为对宏观力学性能影响规律。
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界面在复合材料中的必然性与重要性
面改性 Mechanics of composite interface---复合材料界面力学
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Bonding strength of composite interface---复合材料界面 黏结强度
Optimum design of composite interface---复合材料界面 优化设计
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（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。 （5）诱导效应：一种物质（通常是增强剂）的表面结构使另 一种（通常是聚合物基体）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，如强弹性、 低膨胀性、 耐热性和冲击性等。
几个纳米到几个微米。大量事实证明，复合材料的界
面实质上是纳米级以上厚度的界面层(Interlayer)或称
界面相(Interphase)。
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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
界面特征
必然性:复合材料是两种或两种以上材料组成的新型材料，就
具有界面的存在
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根据力的合成 ： γL cos θ = γS - γ SL 粘合功可表示为：WA = γS + γL - γ SL= γL（1+ cos θ ） 粘合功WA最大时： cos θ =1，即θ = 0，
的塑性行为可能是有益的。 控制组元之间在成型时或在高温工作条件下的化学反应；
控制组元之间化学反应要比避免环境破坏更为重要。 界面效应影响因素：增强体与基体两相材料之间的湿润、吸附、 相容等热力学问题；两相材料自身的结构、形态及物理、化学 等性质有关；界面形成过程中的诱导发生的界面附加应力有关； 复合材料成型时两相材料相互作用和界面的反应程度有关。