复合材料教学课件-4复合材料设计理论.ppt

(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、 源自文库感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
(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、耐机械冲击及耐热冲 击性等。
(5)诱导效应 一种物质(通常是增强物) 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，如强的弹性、低的 膨胀性、耐冲击性和耐热性等。
由于界面尺寸很小且不均匀、化学 成分及结构复杂、力学环境复杂、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。
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。
由于复合材料的破坏形式随作 用力的类型、原材料结构组成不同 而异，故破坏可开始在树脂基体或 增强剂，也可开始在界面。
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。
从结构上来分，这一界面区由五个亚 层组成(见下图所示)：
基体和增强物通过界面结合在一起， 构成复合材料整体，界面结合的状态和强 度对复合材料的性能有重要影响。
因此，对于各种复合材料都要求有合 适的界面结合强度。
界面的结合强度一般是以分子 间力、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。
如表面的几何形状、分布状况、纹理结构； 表面吸附气体和蒸气程度； 表面吸水情况，杂质存在； 表面形态在界面的溶解、浸透、扩散和化 学反应； 表面层的力学特性，润湿速度等。
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；
界面效应既与界面结合状态、形态和物 理--化学性质等有关，也与界面两侧组分材 料的浸润性、相容性、扩散性等密切相联。
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， 界面区是从与增强剂内部性质不同的某一 点开始，直到与树脂基体内整体性质相一 致的点间的区域。
界面区域的结构与性质都不同于两相 中的任一相。
界面通常包含以下几个部分： 基体和增强物的部分原始接触面； 基体与增强物相互作用生成的反应 产物，此产物与基体及增强物的接触面；
基体和增强物的互扩散层； 增强物上的表面涂层； 基体和增强物上的氧化物及它们 的反应产物之间的接触面等。
在化学成分上，除了基体、增强物及 涂层中的元素外，还有基体中的合金元素 和杂质、由环境带来的杂质。
这些成分或以原始状态存在，或重新 组合成新的化合物。
因此，界面上的化学成分和相结构是 很复杂的。
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。
这一界面区由五个亚层 组成，每一亚层的性能 均与树脂基体和增强剂 的性质、偶联剂的品种 和性质、复合材料的成 型方法等密切有关。
界面区域示意图 1一外力场； 2-场所树脂基体； 3-基体表面区；4-相互渗透区 5一增强剂表面；6-增强剂
复合材料的界面虽然很小，但它 是有尺寸的，约几个纳米到几个微米， 是一个区域或一个带、或一层，它的 厚度呈不均匀分布状态。
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。
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。
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。
界面上产生的这些效应，是任何一种单 体材料所没有的特性，它对复合材料具有重 要作用。
例如在粒子弥散强化金属中，微形粒子 阻止晶格位错，从而提高复合材料强度；
在纤维增强塑料中，纤维与基体界面阻 止裂纹进一步扩展等。
因而在任何复合材料中，界面和改善界 面性能的表面处理方法是关于这种复合材料 是否有使用价值、能否推广使用的一个极重 要的问题。
复合材料复合理论
第五章 复合材料界面 第六章 复合材料的复合理论 第七章 复合材料力学和结构设计基础
第五章复合材料界面
一、复合材料界面 二、复合材料组分的相容性 三、复合材料的界面理论 四、界面的表征 五、界面残余应力
一、复合材料界面
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。
另外，对于成分和相结构也很难作出全 面的分析。
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。
二、复合材料组分的相容性
物理相容性：
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。另外， 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。另一个重要的物理关系是热膨 胀系数。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。例如 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是将受到张 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。