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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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
4
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）
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。
7
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)。
23
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)。
6
1
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
γ SG = γ SL + γ LGCOSθ
式中θ称为接触角。
θ = COS −1[(γ SG − γ SL ) / γ LG ]
25
（a）不完全浸润
（b）不浸润 不完全浸润(a)和不浸润(b)情况示意图
26
由θ可知浸润的程度。 θ ＝0o时，液体完全浸润固体； θ ＝180o时，不浸润； 0o＜ θ ＜180o时，不完全浸润(或称部分浸润)， 随角度下降，浸润的程度增加。 θ ＞90o时常认为不发生液体浸润。
5
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Fra Baidu bibliotek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
28
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，
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
9
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
19
(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
20
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)。
10
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
11
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
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。
12
2
（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。
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。
27
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。
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 )
24
4
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：
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。
8
界面在复合材料中的必然性与重要性
2
主要英文词汇：
Composite material---复合材料 Composite interface---复合材料界面 Residual stress of composite interface---复合材料界面
残余应力 Reaction of composite interface---复合材料界面反应 Modification of composite interface---复合材料的界
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。
14
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；
(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。
21
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。
★ 界面效应是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合 材料具有重要的作用。
13
15.2.2 界面的结合状态和强度
界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响。对 于每一种复合材料都要求有合适的界面结合强度。
界面结合较差的复合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。
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。
22
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。
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。
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。
16
由于界面尺寸很小且不均匀、化学成分及结构复杂、力
18
3
★ 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。
复合材料
第三部分 复合材料的增强材料
第十五章 复合材料的界面及界面优化设计
1
教学目的:通过本章的学习，掌握复合材料的界面及 作用，聚合物基复合材料的界面及改性方法，几种 聚合物基复合材料的形成和改善界面的途径，界面 表征的方式。 重点内容: 1、复合材料的界面及界面改性方法。 2、复合材料改善界面的途径。 难点:复合材料界面与性能的关系。 熟悉内容:复合材料界面的研究内容及方法。
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。 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。
15
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。
因此，这今为止，对复合材料界面的认识还是很不充分的， 不能以一个通用的模型来建立完整的理论。
尽管存在很大的困难，但由于界面的重要性，所以吸引着 大量研究者致力于认识界面的工作，以便掌根其规律。
17
15.3 复合材料组分的相容性和界面理论
15.3.1 复合材料的相容性 (1) 物理相容性： ------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 面结合及各类性能产生重要的影响。
面改性 Mechanics of composite interface---复合材料界面力学
3
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
Mechanics of composite---复合材料力学 Micromechanics of composite---复合材料细观力学
4
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）
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。
7
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)。
23
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)。
6
1
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
γ SG = γ SL + γ LGCOSθ
式中θ称为接触角。
θ = COS −1[(γ SG − γ SL ) / γ LG ]
25
（a）不完全浸润
（b）不浸润 不完全浸润(a)和不浸润(b)情况示意图
26
由θ可知浸润的程度。 θ ＝0o时，液体完全浸润固体； θ ＝180o时，不浸润； 0o＜ θ ＜180o时，不完全浸润(或称部分浸润)， 随角度下降，浸润的程度增加。 θ ＞90o时常认为不发生液体浸润。
5
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Fra Baidu bibliotek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
28
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，
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
9
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
19
(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
20
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)。
10
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
11
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
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。
12
2
（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。
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。
27
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。
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：
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
2
主要英文词汇：
Composite material---复合材料 Composite interface---复合材料界面 Residual stress of composite interface---复合材料界面
残余应力 Reaction of composite interface---复合材料界面反应 Modification of composite interface---复合材料的界
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；
(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。
★ 界面效应是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合 材料具有重要的作用。
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15.2.2 界面的结合状态和强度
界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响。对 于每一种复合材料都要求有合适的界面结合强度。
界面结合较差的复合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。
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。
22
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。
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。
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。
16
由于界面尺寸很小且不均匀、化学成分及结构复杂、力
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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。
复合材料
第三部分 复合材料的增强材料
第十五章 复合材料的界面及界面优化设计
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教学目的:通过本章的学习，掌握复合材料的界面及 作用，聚合物基复合材料的界面及改性方法，几种 聚合物基复合材料的形成和改善界面的途径，界面 表征的方式。 重点内容: 1、复合材料的界面及界面改性方法。 2、复合材料改善界面的途径。 难点:复合材料界面与性能的关系。 熟悉内容:复合材料界面的研究内容及方法。
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。 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。
因此，这今为止，对复合材料界面的认识还是很不充分的， 不能以一个通用的模型来建立完整的理论。
尽管存在很大的困难，但由于界面的重要性，所以吸引着 大量研究者致力于认识界面的工作，以便掌根其规律。
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15.3 复合材料组分的相容性和界面理论
15.3.1 复合材料的相容性 (1) 物理相容性： ------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 面结合及各类性能产生重要的影响。
面改性 Mechanics of composite interface---复合材料界面力学
3
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