复合材料-第四章复合材料界面
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第四章 复合材料的界面
• 第二阶段是聚合物的固化阶段。在此过程中聚 第二阶段是聚合物的固化阶段。 固化阶段 合物通过物理的或化学的变化而固化，形成固 合物通过物理的或化学的变化而固化， 定的界面层。固化阶段受第一阶段影响， 定的界面层。固化阶段受第一阶段影响，同时 它直接决定着所形成的界面层的结构。 它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， 性树脂的固化过程为例，树脂的固化反应可借 助固化剂或靠本身官能团反应来实现。 助固化剂或靠本身官能团反应来实现。在利用 固化剂固化的过程中，固化剂所在位置是固化 固化剂固化的过程中， 反应的中心， 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、 扩展，最后形成中心密度大、边缘密度小的非 均匀固化结构。 均匀固化结构。
表面结合化学键示意图
五、 界面反应或界面扩散理论 在复合材料组分之间发生原子 或分子间的扩散或反应，从而形 成反应结合或扩散结合。 界面反应结合或扩 散结合示意图
4. 3 聚合物基复合材料界面
• 一、界面的形成 • 对于聚合物基复合材料，其界面的形成可以分成两 对于聚合物基复合材料， 个阶段： 个阶段： • 第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程。由 第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程。 接触与浸润过程 于增强纤维对基体分子的各种基团或基体中各组分 的吸附能力不同， 的吸附能力不同，它总是要吸附那些能降低其表面 能的物质， 能的物质，并优先吸附那些能较多降低其表面能的 物质。 物质。因此界面聚合层在结构上与聚合物本体是不 同的。 同的。
•
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 复合材料的界面示意图
二、界面结合方式的分类
1)机械结合。基体与增强材料之间不发生化学反应， 1)机械结合。基体与增强材料之间不发生化学反应，纯粹靠机械 机械结合 连结，靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。 连结，靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。 2)溶解和润湿结合。基体润湿增强材料， 2)溶解和润湿结合。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散 溶解和润湿结合 和溶解，形成结合。界面是溶质原子的过渡带。 和溶解，形成结合。界面是溶质原子的过渡带。 3)反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，在界面上生成化 3)反应结合。基体与增强材料间发生化学反应， 反应结合 合物，使基体和增强材料结合在一起。 合物，使基体和增强材料结合在一起。 4)交换反应结合 基体与增强材料间发生化学反应，生成化合物， 交换反应结合。 4)交换反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，生成化合物， 且还通过扩散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。 且还通过扩散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。 5)混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。 5)混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。是以 混合结合 上几种结合方式中几个的组合。 上几种结合方式中几个的组合。
第四章-杂化纳米复合材料【可编辑全文】
由于组成凝胶的骨架为柔性分子，故在吸收或 释出液体时往往体积改变，表现出膨胀性质。
此类凝胶经脱液干燥后形成干胶，吸收液体后 又能恢复原状。此过程是可逆的，故又称为可逆 凝胶。
第四章 杂化复合材料
刚性凝胶 大多数为无机凝胶，如SiO2、TiO2、V2O5、
Fe2O3等，常以水为分散体系。 在吸收或释出液体时自身体积变化很小，显示
化学反应的这种特性，会造成复合材料的结构 不均匀、组成分布不均匀等不良现象。
第四章 杂化复合材料
4.4 聚合物溶胶与凝胶
1. 聚合物溶液与胶体体系 聚合物往往呈一定线团状态（大小介于1～
1000nm）分布于分散体系中，其分散体系属于胶体 体系。
聚合物溶胶就是通常意义上的聚合物溶液，是热 力学稳定体系。
第四章 杂化复合材料
聚合物溶胶与凝胶的判断： 若聚合物呈溶解分散状态，聚合物分子链间仅靠 范德华力相互作用缠结，则该体系属于溶胶体系。 聚合物分子链间存在氢键、静电作用等准化学键， 构成交联聚合物，形成分散体系中具有一定立体 构造的骨架分子结构，则该分散体系属于凝胶体 系。
第四章 杂化复合材料
聚合物溶液与普通胶体的异同点： 同：分散相胶粒的大小相当、扩散速率缓慢、都 不能透过半透膜等；
有学者研究发现SARS病毒还通过空气污染物气溶 胶颗粒这一载体，在空气中作中距离传播。
第四章 杂化复合材料
2. 溶胶的主要研究领域 ①分子溶胶（亲液溶胶）
聚合物在溶液中呈分子无规线团状态存在，线 团与溶剂之间没有清晰的界面。溶解分散过程是 一个自发过程，整个体系是热力学稳定体系。分 子溶胶在纳米材料和杂化纳米复合材料的制备中 应用较广泛。
异：①聚合物能够自动溶解在溶剂中，胶体粒子 不能；②聚合物溶液是均相体系，没有明显界面， 属于热力学稳定体系。溶胶是多项体系，为热力 学不稳定体系；③聚合物溶液的粘度比溶胶的粘 度大得多；聚合物溶液的丁达尔效应很弱而溶胶 的很强等。
此类凝胶经脱液干燥后形成干胶，吸收液体后 又能恢复原状。此过程是可逆的，故又称为可逆 凝胶。
第四章 杂化复合材料
刚性凝胶 大多数为无机凝胶，如SiO2、TiO2、V2O5、
Fe2O3等，常以水为分散体系。 在吸收或释出液体时自身体积变化很小，显示
化学反应的这种特性，会造成复合材料的结构 不均匀、组成分布不均匀等不良现象。
第四章 杂化复合材料
4.4 聚合物溶胶与凝胶
1. 聚合物溶液与胶体体系 聚合物往往呈一定线团状态（大小介于1～
1000nm）分布于分散体系中，其分散体系属于胶体 体系。
聚合物溶胶就是通常意义上的聚合物溶液，是热 力学稳定体系。
第四章 杂化复合材料
聚合物溶胶与凝胶的判断： 若聚合物呈溶解分散状态，聚合物分子链间仅靠 范德华力相互作用缠结，则该体系属于溶胶体系。 聚合物分子链间存在氢键、静电作用等准化学键， 构成交联聚合物，形成分散体系中具有一定立体 构造的骨架分子结构，则该分散体系属于凝胶体 系。
第四章 杂化复合材料
聚合物溶液与普通胶体的异同点： 同：分散相胶粒的大小相当、扩散速率缓慢、都 不能透过半透膜等；
有学者研究发现SARS病毒还通过空气污染物气溶 胶颗粒这一载体，在空气中作中距离传播。
第四章 杂化复合材料
2. 溶胶的主要研究领域 ①分子溶胶（亲液溶胶）
聚合物在溶液中呈分子无规线团状态存在，线 团与溶剂之间没有清晰的界面。溶解分散过程是 一个自发过程，整个体系是热力学稳定体系。分 子溶胶在纳米材料和杂化纳米复合材料的制备中 应用较广泛。
异：①聚合物能够自动溶解在溶剂中，胶体粒子 不能；②聚合物溶液是均相体系，没有明显界面， 属于热力学稳定体系。溶胶是多项体系，为热力 学不稳定体系；③聚合物溶液的粘度比溶胶的粘 度大得多；聚合物溶液的丁达尔效应很弱而溶胶 的很强等。
复合材料的界面
改变强化材料表面的性质
• 对SiC晶须表面采用化学方法处理后XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)分析的结 果。由C(1s)和Si(2p)的波谱可以看出，有的地方存在SiO2，有的地方不存在SiO2。 利用这样的表面状态的差来增强界面的结合力。
6.6.2 向基体添加特定的元素
• 在用烧结法制造复合材料的过程中，为了有助于 烧结，往往向基体添加一些元素。有时为了使纤 维与基体发生适度的反应以控制界面，也可以添 加一些元素。在SiCPCS纤维强化玻璃陶瓷（LAS） 中，如果采用通常的LAS成分的基体，在晶化处 理时会在界面产生裂纹。而添加百分之几的Nb时， 热处理过程中会发生反应，在界面形成数微米的 NbC相，获得最佳界面，从而达到高韧化的目的。
5.5 界面行为
5.5.1 界面的脱粘与剥离（Debonding）
研究界面的脱粘与剥离的意义
研究思路 ➢ 考虑基体中仅有一根纤维，受到拉伸载荷为Pf的情
况 ➢ 分析复合材料中强化材料与基体间应力传递的方
式 解析法： ➢ 应用最大剪切应力理论 ➢ 应用断裂力学理论
脱粘、剥离与滑动的关系为一旦发生脱粘与剥离，剥离部分就产生滑 动。解析法可以应用最大剪切应力理论，也可以应用断裂力学理论。
临界值
• 断裂的机制 张开型裂纹 φ=0
剪切型裂纹 φ=90 φ=tan-1（KⅡ/KⅠ）
界面对复合材料性能的影响
• 界面特性
复合材料性能
界面黏结强度下降复合材料弹性模量下降
• 但界面特性与复合材料性能的定量关系少
• 界面参数 （强度，韧性）
• 脆性组元的界面区域，尺寸与厚度相当的缺 陷 断裂力学模型
5.2.1 界面应力与非弹性过程
第四章 陶瓷基复合材料界面
从上面二式中可得：
1 I A ( 4lwh )( v f )( ) d
设这块复合材料的体积为 1 m2 ，Vf为 0.25， 则有
1 2 I A (m ) d
4.1 复合材料内的界面面积
Hale Waihona Puke 4.1 复合材料内的界面面积
对于颗粒增强的复合材料来说，可以计算得到：
6v P I A N d d
液滴才能在固体表面扩展开来。
达到平衡的条件是：
sl + lv cos = sv
其中就是接触角：
sv sl cos [ ] lv
1
4.3 浸润性
= 0°时，液体完全浸润固体； 0°< < 180°时，液体部分浸润固体； = 180°时，完全不浸润。 随着值下降，浸润的程度增加。实际上当 > 90°时就认 为不发生液体浸润。 浸润与界面的粘结是不同的，浸润只是强粘结界面的必要 条件，而非充分条件。
4.1 复合材料内的界面面积
一块复合材料的长、宽、高别为l、w、h，其中含有 N 根 长为 l、直径为 d 的连续纤维，则纤维的体积分数为：
纤维体积 Vf 复合材料的体积
如果定义界面面积为IA， 则有： IA = N· · d· l
N
4 l wh
d2 l
4.1 复合材料内的界面面积
2
若VP = 0.25
1.5 2 IA (m ) d
4.2 复合材料内的界面晶体学性质
从晶体学角度看，界面有共格、半共格和非共格三种。
4.2 复合材料内的界面晶体学性质
4.3 浸润性
浸润性代表了一种液体在一种固体表面扩展的能力。
4.3 浸润性
1 I A ( 4lwh )( v f )( ) d
设这块复合材料的体积为 1 m2 ，Vf为 0.25， 则有
1 2 I A (m ) d
4.1 复合材料内的界面面积
Hale Waihona Puke 4.1 复合材料内的界面面积
对于颗粒增强的复合材料来说，可以计算得到：
6v P I A N d d
液滴才能在固体表面扩展开来。
达到平衡的条件是：
sl + lv cos = sv
其中就是接触角：
sv sl cos [ ] lv
1
4.3 浸润性
= 0°时，液体完全浸润固体； 0°< < 180°时，液体部分浸润固体； = 180°时，完全不浸润。 随着值下降，浸润的程度增加。实际上当 > 90°时就认 为不发生液体浸润。 浸润与界面的粘结是不同的，浸润只是强粘结界面的必要 条件，而非充分条件。
4.1 复合材料内的界面面积
一块复合材料的长、宽、高别为l、w、h，其中含有 N 根 长为 l、直径为 d 的连续纤维，则纤维的体积分数为：
纤维体积 Vf 复合材料的体积
如果定义界面面积为IA， 则有： IA = N· · d· l
N
4 l wh
d2 l
4.1 复合材料内的界面面积
2
若VP = 0.25
1.5 2 IA (m ) d
4.2 复合材料内的界面晶体学性质
从晶体学角度看，界面有共格、半共格和非共格三种。
4.2 复合材料内的界面晶体学性质
4.3 浸润性
浸润性代表了一种液体在一种固体表面扩展的能力。
4.3 浸润性
复合材料界面相
复合材料界面相
1 什么是复合材料界面？
复合材料界面是指一种从复合材料结构中抽取的材料界面，它结合了多种形式的材料，从而形成了新的结构。
它采用不同材料组成一个整体，从而形成了更强的结构，更加灵活的性能，能够提供一种更稳定的复合材料界面。
2 复合材料界面的优势
复合材料界面的优势在于其可制造性，因为它不单只有聚合物（如塑料），也有金属，玻璃，石膏，橡胶等各种材料混合而成，各种材料可以仔细安排，从而形成精确的尺寸，形状和阻力等复合材料界面，可以满足客户的一些特殊要求；复合界面可以实现低成本，高效率，低维护，防止加强环境。
3 复合材料界面的应用
复合材料界面应用范围很广，其应用于航空航天，宇宙飞行，车辆研究，电子技术，建筑工程，电磁学，石油化学，电气和电子通讯传输，游戏机和数码技术，以及电子智能系统等。
它还有许多消费类应用，如家用电器、家具、建筑结构和家庭装饰品等。
4 复合材料界面的结构
复合材料界面的结构可以分为两部分：表面和深层结构。
表面结构组成了复合材料界面，它由表面抗张强度，力学性能，湿度敏感性
和耐久性等四个组成部分组成。
其深层结构是复合材料界面的核心，它可以细分为两个主要部分：材料和表面处理。
材料部分依靠特殊组合的混合材料来创造强度，而表面处理部分主要是利用光学技术进行表面处理，以确保复合材料界面的抗磨损性和湿磨性。
5 小结
总的来说，复合材料界面是一种可以形成精密结构和灵活性能，以满足不同需求的新型材料界面，它有着众多的工业应用，为各种行业带来了极大的便利。
材料表面与界面 第四章 复合材料的界面及界面优化
4.2 界面的效应（1）
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：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起 到基体和增强物之间的桥梁作用。
(2)阻断效应：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料 破坏、减缓应力集中的作用。
阻止裂纹的扩展
4.2 界面的效应（2）
(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、尺寸稳定性等。
在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要 承载组分，其增强效果主要取决于纤维的
特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的
体积分数、尺寸和分布。
碳 纤 维
弹性模量及强度 外力方向与纤维轴向相同时，c= f = m (f-纤维、 m-基体、 c-复合材料)，则
c f V f mVm , Ec E f V f EmVm
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。
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。 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 结合产生重要的影响，从而影响材料的各类性能。
ZnO晶须
自增韧Si3N4陶瓷
二、叠层复合材料
叠层复合材料是指在基 体中含有多重层片状高 强高模量增强物的复合 材料。
三明治复合 层状陶瓷复合材料断口形貌
聚合物基复合材料界面和性能
CP = （mk • CPK /m) (TB - TB` )/ (T-TB)
5.1 PMC的热性能
5.1.2 比热
表 5-4 几种复合材料常温下的比热
复 合 材 料 比热(kJ/kg·K)
环氧/酚醛树脂
1.92
玻璃小球/硅橡胶
1.96
GF/硅橡胶/酚醛
1.34
尼龙/酚醛
1.46
GF/酚醛
1.67
石墨纤维/环氧
340
~ 220
~ 180
~ 130
~ 180
~ 20
~ 14
~ 60
~ 35
5.1 PMC的热性能
5.1.1 热传导
表 5-2 典型热固性树脂 35°C 下的导热系数
材料 酚醛树脂
环氧树脂
聚酯树脂
密度(g/ cm3) λ (W/ m·K)
1.36
0.27
1.25
0.29
1.22
0.20
1.18
0.29
λ: 导热系数，W/(m • K)，表征材料的导热能力。 ¾ 材料本身的特性 ¾ 温度的函数
5.1 PMC的热性能
5.1.1 热传导
表 5-1 几种材料的导热系数 （W / mּK）
材料 金刚石 银 铜 铝 铜-35% 锌 钛 低碳钢
λ （300 K） λ （900 K）
600
-
425
325
400
-4.7
5.1 PMC的热性能
5.1.2 比热 定义：单位质量的物质升温 1 ℃所需的热量称之。
CP = (1/ m) • (∂Q / ∂T )P CV = (1/ m) • (∂Q / ∂T )V
与别的性质不同，复合材料的比热与组材料的比热间的 关系比较简单，符合加和性原理：
5.1 PMC的热性能
5.1.2 比热
表 5-4 几种复合材料常温下的比热
复 合 材 料 比热(kJ/kg·K)
环氧/酚醛树脂
1.92
玻璃小球/硅橡胶
1.96
GF/硅橡胶/酚醛
1.34
尼龙/酚醛
1.46
GF/酚醛
1.67
石墨纤维/环氧
340
~ 220
~ 180
~ 130
~ 180
~ 20
~ 14
~ 60
~ 35
5.1 PMC的热性能
5.1.1 热传导
表 5-2 典型热固性树脂 35°C 下的导热系数
材料 酚醛树脂
环氧树脂
聚酯树脂
密度(g/ cm3) λ (W/ m·K)
1.36
0.27
1.25
0.29
1.22
0.20
1.18
0.29
λ: 导热系数，W/(m • K)，表征材料的导热能力。 ¾ 材料本身的特性 ¾ 温度的函数
5.1 PMC的热性能
5.1.1 热传导
表 5-1 几种材料的导热系数 （W / mּK）
材料 金刚石 银 铜 铝 铜-35% 锌 钛 低碳钢
λ （300 K） λ （900 K）
600
-
425
325
400
-4.7
5.1 PMC的热性能
5.1.2 比热 定义：单位质量的物质升温 1 ℃所需的热量称之。
CP = (1/ m) • (∂Q / ∂T )P CV = (1/ m) • (∂Q / ∂T )V
与别的性质不同，复合材料的比热与组材料的比热间的 关系比较简单，符合加和性原理：
复合材料的界面及复合原则
体育器材领域
复合材料在体育器材领域的应用也十分广泛，主要应用于制造高性能的体育器材和装备。复合材料具 有轻质、高强度、抗冲击等优点，能够提高体育器材的性能和使用安全性。
例如，碳纤维复合材料可以用于制造高级自行车架、高尔夫球杆、滑雪板等体育器材，能够显著提高 器材的刚性和减震效果。同时，复合材料还可以用于制造运动鞋和运动服等装备，提高运动员的竞技 表现和舒适度。
向控制工艺。
03
复合材料结构的可设计性
提高复合材料结构的可设计性是实现其高性能的关键。通过发展先进的
计算设计和模拟技术，可以预测和控制复合材料的结构和性能，实现高
性能复合材料的快速研发。
THANKS
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复合材料面临的挑战与解决方案
01
界面性能控制
复合材料的界面性能对其整体性能具有重要影响，但界面性能的调控仍
面临挑战。解决方案包括优化界面设计、改进制备工艺和引入新型界面
改性技术等。
02
增强材料的分散与取向
增强材料的分散和取向对复合材料的力学性能和功能性能有显著影响。
解决这一问题需要深入研究增强材料的物理和化学性质，优化分散和取
面能等因素。
提高界面粘附力的方法包括选择合适的粘合剂、对材料表面进
03
行预处理、优化复合工艺等。
界面稳定性
01
界面稳定性是指复合材料在长 期使用过程中保持其性能不变 的能力，它与材料的耐久性和 可靠性密切相关。
02
界面稳定性取决于组分之间的 化学键合、物理相互作用以及 环境因素如温度、湿度和化学 介质的影响。
复合材料的界面及复 合原则
目录
• 引言 • 复合材料的界面特性 • 复合原则 • 复合材料的应用 • 结论
复合材料-第四章复合材料界面
残余应力 在金属基复合材料结构设计中，除了要考虑化学方面的因素外，还应注意增强纤维与基体金属的物理相容性。 要求金属基体有足够的韧性和强度，以便能够更好地通过界面将载荷传递给增强纤维； 要求在材料中出现裂纹或位错移动时基体上产生的局部应力不在增强纤维上形成高应力； 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。
（1）物理因素
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，可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。
如何防止碳在镍中先溶解后析出的问题，就成为获得性能稳定的Cf / Ni的关键。
例2 碳纤维增强镍基复合材料。在800℃高温下，在界面碳先溶入镍，而后又析出，析出的碳是石墨结构，密度增大而在界面留下空隙，给镍提供了渗入碳纤维扩散聚集的位置。而且随温度的提高镍渗入量增加，在碳纤维表层产生镍环，严重损伤了碳纤维，使其强度严重下降。
4.2.1 聚合物基复合材料的界面
1.界面的形成 聚合物基复合材料界面的形成可以分成两个阶段： ①基体与增强纤维的接触与浸润过程； 增强纤维优先吸附能较多降低其表面能的组分，因此界面聚合物在结构上与聚合物基体是不同的。 ②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。
1
2
复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面，而是一个多层结构的过渡区域，这一区域由五个亚层组成。
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归为以下几种效应。……P61
复合材料界面设计的原则(总的原则)
界面粘结强度要保证所受的力由基体通过界面传递给增强物，但界面粘结强度过高或过弱都会降低复合材料的强度。
（1）物理因素
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，可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。
如何防止碳在镍中先溶解后析出的问题，就成为获得性能稳定的Cf / Ni的关键。
例2 碳纤维增强镍基复合材料。在800℃高温下，在界面碳先溶入镍，而后又析出，析出的碳是石墨结构，密度增大而在界面留下空隙，给镍提供了渗入碳纤维扩散聚集的位置。而且随温度的提高镍渗入量增加，在碳纤维表层产生镍环，严重损伤了碳纤维，使其强度严重下降。
4.2.1 聚合物基复合材料的界面
1.界面的形成 聚合物基复合材料界面的形成可以分成两个阶段： ①基体与增强纤维的接触与浸润过程； 增强纤维优先吸附能较多降低其表面能的组分，因此界面聚合物在结构上与聚合物基体是不同的。 ②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。
1
2
复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面，而是一个多层结构的过渡区域，这一区域由五个亚层组成。
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归为以下几种效应。……P61
复合材料界面设计的原则(总的原则)
界面粘结强度要保证所受的力由基体通过界面传递给增强物，但界面粘结强度过高或过弱都会降低复合材料的强度。
复合材料的界面
是目前应用广泛的钛酸酯偶联剂，如三异硬酯酰基钛酸 异丙酯(TTS)。 适合范围：
用于不含游离水，只含化学键合水或物理结合水的干燥 填料体系。
Eg：碳酸钙、水合氧化铝等。
13
2 单烷氧基焦磷酸酯基型 适合范围： 用于含湿量较高的填料体系，如陶土、滑石粉等。 三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯(TTOPP—385)就是典型 的单烷氧基焦磷酸酯基型偶联剂。
9
填充、增强材料的表面处理
为了改进增强纤维与基体之间的界面结构，改善两者间的结合性能， 需要对增强纤维进行适当的表面处理。
表面处理的方法是在增强纤维表面涂覆上一种称为表面处理剂的物质， 包括浸润剂、偶联剂等其它助剂，以制造与基体间好的粘结界面。
10
１ 粉状颗粒的表面处理技术
无机粉体填料与有机高聚物的不相容性，重视研究改善粉 体填料的表面性质。
3
聚合物基复合材料界面的形成及作用机理 1. 界面的形成 两个阶段：基体与增强材料的接触与浸润过程；基体与增强 材料通过相互作用使界面固定阶段 界面层的结构包括：界面的结合力、界面区域的厚度和界面 的微观结构 通常对纤维进行表面处理以增强界面结合力
4
2. 界面作用机理
（1）界面张力、表面自由能、比表面能
lv
sv sl时，cos 0, 90o,不润湿
lv sv sl 0时，0<cos 1, 0o 90o,润湿
sv sl lv时，cos 1， 0o，完全润湿，粘附功最大
8
B. 化学键理论 偶联剂作用机理 强调增加界面的化学作用是改进复合材料性能的关键 硅烷偶联剂具有两种性质不同的官能团，一端为亲玻璃纤维的官能团 (X)，一端为亲树脂的官能团(R)，将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面 上形成共价键结合
用于不含游离水，只含化学键合水或物理结合水的干燥 填料体系。
Eg：碳酸钙、水合氧化铝等。
13
2 单烷氧基焦磷酸酯基型 适合范围： 用于含湿量较高的填料体系，如陶土、滑石粉等。 三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯(TTOPP—385)就是典型 的单烷氧基焦磷酸酯基型偶联剂。
9
填充、增强材料的表面处理
为了改进增强纤维与基体之间的界面结构，改善两者间的结合性能， 需要对增强纤维进行适当的表面处理。
表面处理的方法是在增强纤维表面涂覆上一种称为表面处理剂的物质， 包括浸润剂、偶联剂等其它助剂，以制造与基体间好的粘结界面。
10
１ 粉状颗粒的表面处理技术
无机粉体填料与有机高聚物的不相容性，重视研究改善粉 体填料的表面性质。
3
聚合物基复合材料界面的形成及作用机理 1. 界面的形成 两个阶段：基体与增强材料的接触与浸润过程；基体与增强 材料通过相互作用使界面固定阶段 界面层的结构包括：界面的结合力、界面区域的厚度和界面 的微观结构 通常对纤维进行表面处理以增强界面结合力
4
2. 界面作用机理
（1）界面张力、表面自由能、比表面能
lv
sv sl时，cos 0, 90o,不润湿
lv sv sl 0时，0<cos 1, 0o 90o,润湿
sv sl lv时，cos 1， 0o，完全润湿，粘附功最大
8
B. 化学键理论 偶联剂作用机理 强调增加界面的化学作用是改进复合材料性能的关键 硅烷偶联剂具有两种性质不同的官能团，一端为亲玻璃纤维的官能团 (X)，一端为亲树脂的官能团(R)，将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面 上形成共价键结合
第4章 聚合物基复合材料的界面
20
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小结： ➢每一理论只能部分解释某些现象或某些结果。 ➢都有一定局限性。 ➢实际的界面现象复杂的多，需多方面、多角度 加以分析。 ➢迄今，未能建立一个统一的界面响应理论模型。
21
21
4.3界面的破坏机理 4.3.1 影响界面粘合强度的因素 （1）纤维表面晶体大小及比表面积
➢碳纤维表面晶体增大，石墨化程度上升，模量增高， 导致表面更光滑、更惰性，与树脂粘结性和反应性更 差，粘合强度下降。
生一些现象，如高弹性、
低膨胀性、耐热性和冲击
性等。
7
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
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。
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。
30
30
破坏形式（5种）
a) 基体断裂 b) 纤维脱粘 c) 纤维断裂 d)纤维拔出(摩擦功) e) 裂纹扩展与偏转
复合材料的破坏机制则是上述5种基本破坏形式的 组合与综合体现的结果。
31
31
4.3.3 水对复合材料及界面破环作用
玻璃纤维复合材料表面吸附的水浸入界面，发生水与玻璃纤维及树脂 间的化学变化，引起界面粘结破坏。P142，表4-2
GF 表面 的碱 金属 溶解
碱 性 水 溶 液
加速表面的 腐蚀破坏
GF的
SiO2 骨架 解体
GF 强 度 下 降
（3）水促使破坏裂纹的扩展
➢水的表面腐蚀作用使纤维表面生成新的缺陷； ➢凝聚在裂纹尖端的水能产生很大的毛细压力，促使纤维中原来裂 纹扩展。
34
第4章复合材料的界面
• 物理效应，引起各组分间相互浸润、扩散、相溶性、界面吉布斯自 由能等变化； • 化学效应，导致界面上的化学反应，形成新的界面层结构； • 力学效应，引起界面上的应力分布。具有弱界面的复合材料有较低 的强度和刚度，但它的断裂抗力较高；具有强界面的复合材料有较高 的强度和刚度，但非常脆。
界面的基本概念
界面的形成与作用机理
§界面的作用机理
（七）优先吸附理论
树脂胶液中，各组分在玻璃纤维上的吸附能力各不相同，纤维表面优 先吸附基体体系中的助剂。例如胺类固化环氧树脂，优先吸附胺类，使界 面层基体内分布为一梯度，有利于消除应力，改善复合材料的力学性能。
界面的破坏机理
§影响界面黏结强度的因素
（1）纤维表面晶体大小及比表面积
碳纤维复合材料的界面黏结强度随纤维表面晶体尺寸增大而下降。 纤维的比表面积大，黏结的物理界面大，粘结强度高。但对于不同的 纤维和不同的表面处理，应该具体问题具体分析。 （2）浸润性 界面的黏结强度随浸润性增加而增大，随空隙率的上升而下降。 （3）界面反应性 界面黏结强度随界面反应性的增大而增大，界面的反应性大小与复合 材料层剪强度紧密相关。制备复合材料时要尽可能多地向界面引入反应基 团，增加界面化学键合比例，提高复合材料性能。
第4 章 聚合物基复 合材料的界面
本章主要内容
1 2 3 4 5
第一节 界面的基本概念 第二节 界面的形成与作用机理 第三节 界面的破坏机理 第四节 纤维的表面处理
第五节 复合材料界面的研究
界面的基本概念
• 界面——纤维复合材料中增强纤维和基体之间
共有的接触面。 • 聚合物基复合材料的三要素：界面、纤维和基 体。 • 影响复合材料性能的因素：①增强材料的性能， 如纤维的形状、排列等；②基体的性能；③复 合材料的结构及成型技术；④复合材料中纤维 和基体界面的结合状态，即界面层的性能。
界面的基本概念
界面的形成与作用机理
§界面的作用机理
（七）优先吸附理论
树脂胶液中，各组分在玻璃纤维上的吸附能力各不相同，纤维表面优 先吸附基体体系中的助剂。例如胺类固化环氧树脂，优先吸附胺类，使界 面层基体内分布为一梯度，有利于消除应力，改善复合材料的力学性能。
界面的破坏机理
§影响界面黏结强度的因素
（1）纤维表面晶体大小及比表面积
碳纤维复合材料的界面黏结强度随纤维表面晶体尺寸增大而下降。 纤维的比表面积大，黏结的物理界面大，粘结强度高。但对于不同的 纤维和不同的表面处理，应该具体问题具体分析。 （2）浸润性 界面的黏结强度随浸润性增加而增大，随空隙率的上升而下降。 （3）界面反应性 界面黏结强度随界面反应性的增大而增大，界面的反应性大小与复合 材料层剪强度紧密相关。制备复合材料时要尽可能多地向界面引入反应基 团，增加界面化学键合比例，提高复合材料性能。
第4 章 聚合物基复 合材料的界面
本章主要内容
1 2 3 4 5
第一节 界面的基本概念 第二节 界面的形成与作用机理 第三节 界面的破坏机理 第四节 纤维的表面处理
第五节 复合材料界面的研究
界面的基本概念
• 界面——纤维复合材料中增强纤维和基体之间
共有的接触面。 • 聚合物基复合材料的三要素：界面、纤维和基 体。 • 影响复合材料性能的因素：①增强材料的性能， 如纤维的形状、排列等；②基体的性能；③复 合材料的结构及成型技术；④复合材料中纤维 和基体界面的结合状态，即界面层的性能。
第四章 4.3复合材料加工原理--纤维增强复合材料的制备工艺
4.3.2 纤维增强金属基复合材料的制备方法
3.液态金属浸渍法 3.液态金属浸渍法 液态金属浸渍法是通过纤维或纤维预制件浸渍熔融态金 液态金属浸渍法是通过纤维或纤维预制件浸渍熔融态金 属而制成金属基复合材料的方法。 属而制成金属基复合材料的方法。 熔浸方法有两种，一 熔浸方法有两种， 种是在上部真空炉中熔化 金属后， 金属后，浇入下部放有预 成形体的型中进行熔浸； 成形体的型中进行熔浸； 另一种是将真空熔化的金 属浇入放有顶成形体的型 内后， 内后，用压缩空气或惰性 气体加压实现强制熔浸， 气体加压实现强制熔浸， 叫加压熔浸。 叫加压熔浸。
4.3.2 纤维增强金属基复合材料的制备方法
7.电镀法 7.电镀法 利用电解沉积的原理在纤维表面附着一层金属 而制成金属基复合材料。如：将液态金属放置在电 而制成金属基复合材料。 镀液槽中，在液态金属中放置一卷轴， 镀液槽中，在液态金属中放置一卷轴，在卷轴与液 态金属之间接一直流电源，以金属为阳极， 态金属之间接一直流电源，以金属为阳极，卷轴为 阴极，在金属不断电解的同时， 阴极，在金属不断电解的同时，卷轴以一定速度卷 集附着金属层的纤维。 集附着金属层的纤维。将电镀后的纤维按一定方式 层叠、热压，制成复合材料。 层叠、热压，制成复合材料。
4.3.2 纤维增强金属基复合材料的制备方法
6.等离子喷涂法 6.等离子喷涂法 利用等离子弧向增强材料喷射金属微粒子，从 利用等离子弧向增强材料喷射金属微粒子， 而制备金属基纤维增强复合材料。 而制备金属基纤维增强复合材料。如：将碳化硅连 续纤维缠绕在滚筒上， 续纤维缠绕在滚筒上，用等离子喷涂的方法将铝合 金喷溅在纤维上，然后将碳化硅/ 金喷溅在纤维上，然后将碳化硅/铝合金复合材料 切片堆叠，加压后制成铝基复合材料。 切片堆叠，加压后制成铝基复合材料。
《复合材料概论》心得与总结
《复合材料概论》心得与总结卫琦 1306030118通过学习《复合材料概论》，我了解了复合材料的命名、分类以及复合材料的基本性能。
复合材料的基体材料有四种：金属材料、无机胶凝材料、陶瓷材料、聚合物材料。
了解了碳纤维的优点以及碳纤维在生活中被广泛的应用。
以及对聚合物基复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料的了解。
以下是我对一些知识点的总结。
第一章总论一、复合材料定义：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料；在复合材料中通常有一个相为连续相，称为基体，另一相为分散相，称为增强材料。
二、复合材料的分类1．按增强材料形态分类（连续纤维复合、短纤维复合、颗粒复合、编织复合）2．按增强材料纤维种类分类（玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维、混合）3．按基体材料分类（聚合物基、金属基、无机非金属基）4．按材料作用分类（结构复合材料、功能复合材料）三、复合材料的基本性能1．可综合发挥各组成材料的优点2．可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造（最大特点！）3．可制成所需的任意形状的产品四、复合材料结构设计的三个结构层次①：一次结构：指由基体和增强材料复合而成的单层材料②：二次结构：指由单层材料层合而成的层合体③：三次结构：指通常所说的工程结构或者产品结构第二章复合材料的基体材料复合材料的基体材料有以下四种：①：金属材料主要包括铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物等无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等陶瓷材料主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷聚合物材料主要包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热固性/热塑性聚合物。
第三章复合材料的增强材料一、增强材料的定义：在复合材料中，凡事能基体材料力学性能的物质，均称为增强材料。
二、玻璃纤维的分类：1．以玻璃原料成分分类：无碱玻璃纤维（E玻纤）；中碱玻璃纤维；有机玻璃纤维（A玻璃）；特种玻璃纤维。
第4章 复合材料的界面结合特性-1
复合材料原理
第4章 复合材料的界面结合特性
孙举涛
1
本章主要内容
4.1 复合材料的界面形成过程 4.2 树脂基复合材料的界面结构及界面理论 4.3 非树脂基复合材料的基体及界面结构 4.4 树脂基复合材料界面的破坏原理 4.5 复合材料界面优化设计 4.6 界面分析技术
2
4.1复合材料的界面形成过程
（9）酸碱作用理论 根据酸碱作用理论： 增强材料与聚合物基体的表面酸碱性不同时，易结 合，酸碱性相差越大越易结合； 增强材料与聚合物基体的表面酸碱性一致时，应对增 强材料进行表面处理，改变其表面酸碱性，使增强材料 与聚合物基体的表面酸碱性不同，达到提高增强材料与 聚合物基体之间的结合强度。 界面接触体系的粘附功的非色散成分, 主要来源于界面 的酸碱作用, 而并非是偶极（极性 作用）。
34
4.3 非树脂基复合材料的界面结构
4.3.1 金属基复合材料的界面结合理论
1、金属基复合材料界面类型
类 型 1 类 型 2 类 型 3 纤维与基体互不反应亦 不溶解 钨丝 / 铜 Al2O3 纤维 / 铜 Al2O3 纤维 / 银 硼纤维（BN表面涂层） /铝 不锈钢丝 / 铝 SiC 纤维 / 铝 硼纤维 / 铝 硼纤维 / 镁 界面平整、分子层厚 度；除原组成外不含 其它物质。 纤维与基体互不反 应但相互溶解 镀铬的钨丝 / 铜 碳纤维 / 镍 钨丝 / 镍 合金共晶体丝 / 同一 合金 纤维与基体反应形成界面反 应层 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
由于充分的润湿两相界面处产生的物理吸附主要是由范德华力的作用实42树脂基复合材料的界面结构及界面理论422树脂基复合材料的界面结合理论两组分能充分浸润则粘结强度高于树脂基体的内聚能1142树脂基复合材料的界面结构及界面理论422树脂基复合材料的界面结合理论1润湿理论湿润理论解释了增强体表面粗化表面积增加有利于提高与基体树脂界面结合力的事实但是单纯以两者润湿好坏来判定增强体与树脂的粘接效果是不完全的
第4章 复合材料的界面结合特性
孙举涛
1
本章主要内容
4.1 复合材料的界面形成过程 4.2 树脂基复合材料的界面结构及界面理论 4.3 非树脂基复合材料的基体及界面结构 4.4 树脂基复合材料界面的破坏原理 4.5 复合材料界面优化设计 4.6 界面分析技术
2
4.1复合材料的界面形成过程
（9）酸碱作用理论 根据酸碱作用理论： 增强材料与聚合物基体的表面酸碱性不同时，易结 合，酸碱性相差越大越易结合； 增强材料与聚合物基体的表面酸碱性一致时，应对增 强材料进行表面处理，改变其表面酸碱性，使增强材料 与聚合物基体的表面酸碱性不同，达到提高增强材料与 聚合物基体之间的结合强度。 界面接触体系的粘附功的非色散成分, 主要来源于界面 的酸碱作用, 而并非是偶极（极性 作用）。
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4.3 非树脂基复合材料的界面结构
4.3.1 金属基复合材料的界面结合理论
1、金属基复合材料界面类型
类 型 1 类 型 2 类 型 3 纤维与基体互不反应亦 不溶解 钨丝 / 铜 Al2O3 纤维 / 铜 Al2O3 纤维 / 银 硼纤维（BN表面涂层） /铝 不锈钢丝 / 铝 SiC 纤维 / 铝 硼纤维 / 铝 硼纤维 / 镁 界面平整、分子层厚 度；除原组成外不含 其它物质。 纤维与基体互不反 应但相互溶解 镀铬的钨丝 / 铜 碳纤维 / 镍 钨丝 / 镍 合金共晶体丝 / 同一 合金 纤维与基体反应形成界面反 应层 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
由于充分的润湿两相界面处产生的物理吸附主要是由范德华力的作用实42树脂基复合材料的界面结构及界面理论422树脂基复合材料的界面结合理论两组分能充分浸润则粘结强度高于树脂基体的内聚能1142树脂基复合材料的界面结构及界面理论422树脂基复合材料的界面结合理论1润湿理论湿润理论解释了增强体表面粗化表面积增加有利于提高与基体树脂界面结合力的事实但是单纯以两者润湿好坏来判定增强体与树脂的粘接效果是不完全的
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复合材料-第四章复合材料界面
②设计界面层在一定的应力条件 能够脱粘，以使增强纤维从基体 拔出并发生摩擦，这样就可借助 脱粘增大表面能，利用拔出功和 摩擦功等形式来吸收外加载荷能 量以达到提高其抗破坏能力。
复合材料-第四章复合材料界面
③若界面层的模量高于增强材料和基体的 模量，将会产生不良的效果，因此应避免 基体与增强相发生生成脆性界面层的化学 反应。
的强度。
复合材料-第四章复合材料界面
浸润性的定义 浸润性是用于描述液体在固体
表面上自动铺展程度的术语。或说是固体、液体在 分子水平上紧密接触的可能程度。
浸润性好将促进结合。 浸润角低（θ＜90°）表明浸润性良好；浸润 角高（θ＞90°）则表明浸润性差。
浸润性的测量 ：
复合材料-第四章复合材料界面
B.化学键理论
复合材料-第四章复合材料界面
复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面，而 是一个多层结构的过渡区域，这一区域由五个亚层 组成。
复合材料-第四章复合材料界面
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归为以 下几种效应。……P61
复合材料-第四章复合材料界面
复合材料界面设计的原则(总的原则)
①界面粘结强度要保证所受的力由基 体通过界面传递给增强物，但界面粘 结强度过高或过弱都会降低复合材料 的强度。
Al2O3纤维/ 钛 硼纤维/ 钛
硼纤维/ 钛-铝 SiC纤维/ 钛 SiO2纤维/ 铝
复合材料-第四章复合材料界面
金属基纤维复合材料的几种界面结合形式：
不同的界面结合形式形成不同的界面类型：
（1）机械结合（物理结合）……产生类型Ⅰ界面 定义：基体与增强体之间仅仅依靠纯粹的粗糙表 面相互嵌入（互锁）作用，以及借助基体收缩应力 包紧纤维时产生的摩擦而进行的连接，称为机械结 合。
复合材料-第四章复合材料界面
2.界面作用机理
界面作用机理是指界面发挥作用的微观机理，有 如下理论：
A.界面浸润理论
主要论点：增强材料被液体树脂良好浸润对提
高复合材料的性能是极其重要的。浸润不良会在
界面上产生空隙，易因应力集中而使复合材料发
生开裂；如果完全浸润，则基体与增强相间的粘
结强度将大于基体的内聚强度，将提高复合材料
复合材料-第四章复合材料界面
界面相的化学组成和物理性能与增强相和基体均 不同，在复合材料承受载荷时，由于界面相所处的 特殊力学和热学等特殊环境，对复合材料的整体性 能产生重大影响，因而通过认识、控制界面相来改 善复合材料性能的研究越来越引起人们的重视。
研究复合材料界面的组成、结构、控制、性能和 改进界面相的工作被称为“界面工程”。
（2）溶解和浸润结合……产生类型Ⅱ界面 定义:在复合材料制造的过程中基体与增强体之间 首先发生浸润，然后相互溶解，所形成的结合方式 称为溶解与浸润结合。浸润作用通常是主要的，而 溶解是次要的，因为一般在高温下原子的扩散时间 很短。
溶解与浸润结合的要求：为了达到润湿，纤维表面应当作 适当处理，首先应除去污染物、吸附的气体和工艺涂层 (如纺织型浸润剂)，其次通过表面处理形成表面润湿层、 阻挡层，或使增强材料形成利于机械结合的粗糙表面。
复合材料-第四2.1 聚合物基复合材料的界面 1.界面的形成
聚合物基复合材料界面的形成可以分成两个 阶段：
①基体与增强纤维的接触与浸润过程；
增强纤维优先吸附能较多降低其表面能的组分，因此界面聚合 物在结构上与聚合物基体是不同的。
②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。
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，增强物的 表面预处理涂层，使界面的形状、尺寸、成分、结 构等变得非常复杂。
复合材料-第四章复合材料界面
1.界面类型
类型Ⅰ
类型Ⅱ
纤维与基体互不反应亦 纤维与基体不反应但
不溶解
复合材料-第四章复合材料界面
机械结合的效果: 最突出的例 子是硼纤维增强铝复合材料 (Bf/A1)。采用化学气相沉积 (CVD)方法生产的硼纤维，表 面是玉米棒状，与金属铝进行 固态扩散复合时，由于温度升 高使铝变软，经外力压实铝填 充硼纤维的粗糙表面，形成与 硼纤维的机械结合。
复合材料-第四章复合材料界面
主要论点：涂覆在增强相表面的偶联剂应既含有能与增 强相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。由此在界面上形成共价键结合，如能满足这 一要求则在理论上可获得最强的界面粘结能。
偶联剂是一种高分子化合物，这种化合物一般都含有两
部分性质不同的基团。一种官能团能很好地与增强纤维表
面结合；另一种官能团能很好地与合成树脂结合（产生共
复合材料-第四章复合材料界面
3.聚合物基复合材料界面设计
在聚合物基复合材料的设计中，①首先应考虑如 何改善增强材料与基体间的浸润性；②选择合适的 偶联剂。所选处理增强材料表面的偶联剂既含有能 与增强材料起化学作用的官能团，又含有与聚合物 基体起化学作用的官能团。
复合材料-第四章复合材料界面
4.2.2 金属基复合材料的界面
聚）。通过表面处理剂把性能截然不同的物质联合起得，
形成一个统一的整体，因此，把表面处理剂叫“架桥剂”，
也叫“偶联剂”。
复合材料-第四章复合材料界面
C.物理吸附理论（机械作用理论）
这种理论认为，增强纤维与树脂基体之间的结合是属 于机械铰合和基于次价键作用的物理吸附。
D.变形层理论 E.拘束层理论 F.扩散层理论 G.减弱界面局部应力作用理论
第四章 复合材料的界面
复合材料-第四章复合材料界面
4.1 概 述
复合材料的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、能起载荷传递作 用的微小区域。
复合材料的界面产生于复合材料的制造过程，当 由不同化学成分的增强体和基体组成复合材料时， 这些组元通过接触，它们中的某些元素在相互扩散、 溶解后往往发生化学反应而生成新的相，成为界面 相。
相互溶解
类型Ⅲ
纤维与基体互相反应形 成界面反应层
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 硼纤维 / 镁
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℃）
②设计界面层在一定的应力条件 能够脱粘，以使增强纤维从基体 拔出并发生摩擦，这样就可借助 脱粘增大表面能，利用拔出功和 摩擦功等形式来吸收外加载荷能 量以达到提高其抗破坏能力。
复合材料-第四章复合材料界面
③若界面层的模量高于增强材料和基体的 模量，将会产生不良的效果，因此应避免 基体与增强相发生生成脆性界面层的化学 反应。
的强度。
复合材料-第四章复合材料界面
浸润性的定义 浸润性是用于描述液体在固体
表面上自动铺展程度的术语。或说是固体、液体在 分子水平上紧密接触的可能程度。
浸润性好将促进结合。 浸润角低（θ＜90°）表明浸润性良好；浸润 角高（θ＞90°）则表明浸润性差。
浸润性的测量 ：
复合材料-第四章复合材料界面
B.化学键理论
复合材料-第四章复合材料界面
复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面，而 是一个多层结构的过渡区域，这一区域由五个亚层 组成。
复合材料-第四章复合材料界面
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归为以 下几种效应。……P61
复合材料-第四章复合材料界面
复合材料界面设计的原则(总的原则)
①界面粘结强度要保证所受的力由基 体通过界面传递给增强物，但界面粘 结强度过高或过弱都会降低复合材料 的强度。
Al2O3纤维/ 钛 硼纤维/ 钛
硼纤维/ 钛-铝 SiC纤维/ 钛 SiO2纤维/ 铝
复合材料-第四章复合材料界面
金属基纤维复合材料的几种界面结合形式：
不同的界面结合形式形成不同的界面类型：
（1）机械结合（物理结合）……产生类型Ⅰ界面 定义：基体与增强体之间仅仅依靠纯粹的粗糙表 面相互嵌入（互锁）作用，以及借助基体收缩应力 包紧纤维时产生的摩擦而进行的连接，称为机械结 合。
复合材料-第四章复合材料界面
2.界面作用机理
界面作用机理是指界面发挥作用的微观机理，有 如下理论：
A.界面浸润理论
主要论点：增强材料被液体树脂良好浸润对提
高复合材料的性能是极其重要的。浸润不良会在
界面上产生空隙，易因应力集中而使复合材料发
生开裂；如果完全浸润，则基体与增强相间的粘
结强度将大于基体的内聚强度，将提高复合材料
复合材料-第四章复合材料界面
界面相的化学组成和物理性能与增强相和基体均 不同，在复合材料承受载荷时，由于界面相所处的 特殊力学和热学等特殊环境，对复合材料的整体性 能产生重大影响，因而通过认识、控制界面相来改 善复合材料性能的研究越来越引起人们的重视。
研究复合材料界面的组成、结构、控制、性能和 改进界面相的工作被称为“界面工程”。
（2）溶解和浸润结合……产生类型Ⅱ界面 定义:在复合材料制造的过程中基体与增强体之间 首先发生浸润，然后相互溶解，所形成的结合方式 称为溶解与浸润结合。浸润作用通常是主要的，而 溶解是次要的，因为一般在高温下原子的扩散时间 很短。
溶解与浸润结合的要求：为了达到润湿，纤维表面应当作 适当处理，首先应除去污染物、吸附的气体和工艺涂层 (如纺织型浸润剂)，其次通过表面处理形成表面润湿层、 阻挡层，或使增强材料形成利于机械结合的粗糙表面。
复合材料-第四2.1 聚合物基复合材料的界面 1.界面的形成
聚合物基复合材料界面的形成可以分成两个 阶段：
①基体与增强纤维的接触与浸润过程；
增强纤维优先吸附能较多降低其表面能的组分，因此界面聚合 物在结构上与聚合物基体是不同的。
②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。
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，增强物的 表面预处理涂层，使界面的形状、尺寸、成分、结 构等变得非常复杂。
复合材料-第四章复合材料界面
1.界面类型
类型Ⅰ
类型Ⅱ
纤维与基体互不反应亦 纤维与基体不反应但
不溶解
复合材料-第四章复合材料界面
机械结合的效果: 最突出的例 子是硼纤维增强铝复合材料 (Bf/A1)。采用化学气相沉积 (CVD)方法生产的硼纤维，表 面是玉米棒状，与金属铝进行 固态扩散复合时，由于温度升 高使铝变软，经外力压实铝填 充硼纤维的粗糙表面，形成与 硼纤维的机械结合。
复合材料-第四章复合材料界面
主要论点：涂覆在增强相表面的偶联剂应既含有能与增 强相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。由此在界面上形成共价键结合，如能满足这 一要求则在理论上可获得最强的界面粘结能。
偶联剂是一种高分子化合物，这种化合物一般都含有两
部分性质不同的基团。一种官能团能很好地与增强纤维表
面结合；另一种官能团能很好地与合成树脂结合（产生共
复合材料-第四章复合材料界面
3.聚合物基复合材料界面设计
在聚合物基复合材料的设计中，①首先应考虑如 何改善增强材料与基体间的浸润性；②选择合适的 偶联剂。所选处理增强材料表面的偶联剂既含有能 与增强材料起化学作用的官能团，又含有与聚合物 基体起化学作用的官能团。
复合材料-第四章复合材料界面
4.2.2 金属基复合材料的界面
聚）。通过表面处理剂把性能截然不同的物质联合起得，
形成一个统一的整体，因此，把表面处理剂叫“架桥剂”，
也叫“偶联剂”。
复合材料-第四章复合材料界面
C.物理吸附理论（机械作用理论）
这种理论认为，增强纤维与树脂基体之间的结合是属 于机械铰合和基于次价键作用的物理吸附。
D.变形层理论 E.拘束层理论 F.扩散层理论 G.减弱界面局部应力作用理论
第四章 复合材料的界面
复合材料-第四章复合材料界面
4.1 概 述
复合材料的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、能起载荷传递作 用的微小区域。
复合材料的界面产生于复合材料的制造过程，当 由不同化学成分的增强体和基体组成复合材料时， 这些组元通过接触，它们中的某些元素在相互扩散、 溶解后往往发生化学反应而生成新的相，成为界面 相。
相互溶解
类型Ⅲ
纤维与基体互相反应形 成界面反应层
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 硼纤维 / 镁
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℃）