复合材料课件第4章复合材料的界面结合特性2_图文(精)

1、4.4树脂基复合材料界面的破坏机理复合材料破坏的复杂性破坏形式的复杂性4.4. 1界面破坏的能量流散理论裂纹扩展理论复合材料无论是基体、 纤维还是界面均存在微 裂纹。当裂纹受到外因素作用时，裂纹逐步扩展引起 复合材料的破坏。在裂纹扩展的过程中，将随着裂纹的发展逐渐 消耗能量，并且由于能量的流散而减缓裂纹的 发展。5种基本破坏形式1）块体断裂ii）纤维断裂iii）纤维脱粘iv）纤维拔出（摩 擦功）V）裂纹扩展与偏转偏转5种形式复合材料的破坏与失效综合体现影响因素复杂：力、介质、温度HII4.4树脂基复合材料界面的破坏机理裂纹峰垂直于纤维表面的微裂纹4.4树脂基复合材料界面的破坏机理4.4.1界面

2、破坏的能量流散理论裂纹由于界面能量流散 而减弱裂纹生长，或能 量消耗在界面脱胶而分 散了裂纹峰上的能量集 中，因此未造成纤维的 破坏。裂纹能量在界面上流散示意4.4树脂基复合材料界面的破坏机理441界面破坏的能量流散理论4.4树脂基复合材料界面的破坏机理4.4.1界面破坏的能毘流散理论(A)Thornel-50SSft材料的纵向破坏，(B)Thomel-50S复合材料的横向破坏，7/xwri“Mp1/MYFj勿NHau/可空0能量流散理论很好的解释了复合材料具有很高的 韧性的原因。玻璃纤维断裂能：10 J/m2；聚酯树脂断裂能：100 J/m2：聚酯玻璃钢的断裂能：105 J/M：4.4树脂基

3、复合材料界面的破坏机理441界面破坏的能量流散理论复合材料界面上化学键的分布示意混乱分布的键集中分布的键4.4树脂基复合材料界面的破坏机理化学键集中时，裂 纹峰能量集中引起 纤维的断裂4.4树脂基复合材料界面的破坏机理4.4.1界面破坏的能量流散理论发展受能量流散影响将引起脱粘破坏。如果树脂与纤维界面上的化学键是分散的，裂纹树脂层脱粘破坏4.4树脂基复合材料界面的破坏机理4.4.1界面破坏的能量流散理论裂纹到达纤维表面Z前， 界面受 到张应力而发生剥 离)称之为Cook. Gocdon机理。该机 理足指裂纹尖端存 在的张应力使界面 脱粘和剥离，而裂 纹到达这一部分时 会发生钝化。(b)主裂纹尖

4、端的界而剥离(c)主裂纹与剥离界血的合体4.4树脂基复合材料界面的破坏机理441界面破坏的能量流散理论 25%25%的硼纤维增强环氧树脂系统，釆用 80%80%亚聚氨 酯进行纤维的间断涂层， 其韧度提高 400%,400%,而强 度几乎没有下降。间断粘结界面的裂纹在弱粘结区被钝化。(a)裂纹向界Ifii接近高强度区4.4树脂基复合材料界面的破坏机理442介质引起界面破坏的机理qi水的浸入一散进入界面 从树脂宏观裂纹进入（有化学应力和热应力产生裂纹）；复合材料成型中在材料内部产生的气泡（联通形成通道）到达纤维与界面玻璃纤维极易吸水。经多层吸附而形成厚的水膜不易除去。只有在真空中，800C800C

5、 下方可基本除去。玻璃纤维增强聚合物复合材料表面上的吸附水侵 入界面后，发生水与玻璃纤维和树脂的化学变化, 引起界面脱粘，造成复合材料的破坏。树脂内存在的杂质（水溶性无机物杂质渗透压）；水分子体积小,易到达纤维表面4.4树脂基复合材料界面的破坏机理442介质引起界面破坏的机理4.4树脂基复合材料界面的破坏机理442介质引起界面破坏的机理对玻纤的腐蚀作用水溶解玻纤表面碱金属氧化物，溶液呈碱性， 加剧玻纤表面腐蚀破坏，最后导致玻纤Sid骨架破 坏，玻纤强度降低，复合材料性能下降。界面上产生的径向拉伸应力示意图4.4树脂基复合材料界面的破坏机理442介质引起界面破坏的机理斗 A 水引起树脂的降解物理

6、效应 （可逆） :破坏树脂内氢键或其他 次价键，使树脂增塑，热机械性能下降树脂降解，界面脱粘。表现为小块小块剥落4.4树脂基复合材料界面的破坏机理4.4. 2介质引起界面破坏的机理进入界面的水将使树脂发生溶胀，初期的溶胀将抵消在 室温下的固化收缩，当溶胀超过了固化收缩时，则界面上产 生拉伸应力。当力大于界面粘结力时，产生界面破坏。化学效应（不可逆）:玻纤水解的碱溶液引起水对树脂的溶胀使界面产生应力4.4树脂基复合材料界面的破坏机理4.4. 2介质引起界面破坏的机理当水进入粘结接头，水就在微空隙中聚集形成微水袋。 微水袋内的水与树脂接触，某些杂质溶于其中，使袋 内外形成浓度差，导致袋内产生渗透压

7、。在一定温度下，随着时间的推延，袋内水溶液浓度不断增加，渗透压大于界面黏结力，粘结界面就发生脱 粘导致破坏。一厂水进入孔隙产生渗透压导致界面破坏水降低了纤维的内聚能，脆化纤维；彳水的表面腐蚀作用，使纤维表面形成了新的缺陷;I I 凝集在裂纹尖端的水能产生很大的毛细压力变形区裂图5裂纹末端与推进中的变彫区(Bascom, 1970)水的破坏作用：减小了纤维的内聚 能，脆化了纤维材料叭：表面能或内聚能丫：塑性变形所需的能量4. 5复合材料界面优化设计复合材料界面优化设计的含义是对复宣堂缠相进 亍设计及控制，以使整体材料的综合性能达到赣蘇复合材料界面的优化设计是一个复杂的因素。1、首先应该注意材料的

8、应用要求；.2、弹性模量的设计；3、界面的残余应力;虑度整考限出性合大现越综最体优4、基体与增强体谢塑也5.相间的动力学效果;回变形区1、制品首先满足Eg.纵向强度、横向强度、抗压强度等Eg、 对于某些工程材料在满足要求时尽量 降低生产成本；3、制品度问2、制品考虑使用年限等问题。作环境Eg、潮湿环境下、酸性环境下、碱性环境 下，紫外线多的环境下，要选择相对应的 树脂.产成本、用寿命等。见解1.界面） 相的模量应当 介于增强体与 基体之间；性模暈的设计见解2、保证 相当的粘结程 度下，界面相 的模量应当是I最低的；界面相的模量不能大壬增强体的模高模量的界面首先破坏，起不到 传递力的作用，且造成

9、裂纹源， 形成增强体的低应力破坏见解2、如何在材料中利用复合材料界面的残余应力；保证增强体及基体充分接触影响复合材料性能的发挥和性能稳定复料的和稳响材能挥能彫合性发性定见解1、 如何、减弱复合材料 界面的残余应 力；先决条件4. 5复合材料界面优化设计4.5.1改善树脂基复合材料界面性能的原则2）适度高的界面粘结强度3）减少复合材料成型中形成的残余应力4）调节界面内应力、减缓应力集中程度2、相间浸润的f动力学效果11-润程何断过如湿判湿及润I) 改善树脂基体对增强材料的浸润程度性，同时涂层还应起到防止发生反应的阻挡层作用。2）金属基体合金化改变基体的合金成分，造成某一元素在界面上富集形 成阻挡

10、层来控制界面反应。3）优化制备工艺方法和参数金属基体复合材料界面反应程度主要取决于制备方法 和工艺参数.4. 5复合材料界面优化设计4. 5. 3陶瓷基复合材料界面优化及界面反应控制的途径在SiCpcs纤维强化玻璃陶瓷(LAS, LiO, AI2O3, SiO2)中，添加百分之几的Nb（锯）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。2）增强体表面涂层使用的涂层材料有C、BN、Si、B等多种。防止成型过程中 纤维与4. 5复合材料界面优化设计452金属基复合材料界面优化及界面反应控制的途径1）纤维增强体的表面涂层处理在增强材料上预先涂层以改善增强

11、材料与基体的浸润m改变基体元素基体的反应.纤维表面双层涂层处理是最常用的方法。 其中里面的涂层以达到键接及滑移的要求，而外部涂层在较 高温度下防止纤维机械性能降低。4. 6界面分析技术I现代科学的发展为复合材料界面的分析表征提供了+强有另的手段。4. 6.1常规分析（拉拔试验）4. 6.2显微镜（形貌）4. 6.3红外光谱法及拉曼光谱 （成分、 结构）4. 6. 4 X射线衍射4. 6.5光电子能谱4. 6. 6其他方法4.6界面分析技术4. 6.1常规分析拔脱试验示意图1.拔脱试验负荷点的位移4. 6界面分析技术4. 6.1常规分析兀芒斗=27rrlcer1式中：1“-纤维临界长度lc的+

12、乙纤维拉伸强度,一埋入长度为1“时反抗纤维拔岀时的切应力临界纤维长度复合材料承载时，应力由基体向纤维传递过 程中，纤维达到最大允许应力时的最小长度。4. 6.1常规分析4. 6界面分析技术纤维的脱粘拔出!纤维破坏最大纤维应力发生在纤维的长度中点1拔脱试验拉拔应力与纤维埋入长度的关系4.6界面分析技术461常规分析占1.拔脱试验此方法的缺点：翳懈鼬餉讐周向上延伸测量4. 6界面分析技术石= =PfPf/2/2 兀 rbrb兀-界而剪切强度PfPf -顶出载荷厂一纤维半径-试样厚度该方法没有考虑纤维顶出时摩擦力的影响，测试值往往大于实际粘接强度。结强度。4. 6.1常规分析该方法没有考虔纤维顶出时

13、摩擦力的影响， 测试值往往大于 实际粘接强度。该方法适用于较粗的纤维。4.6界面分析技术的位修&2顶出法KXhim4. 6界面分析技术临界纤维长度法示意图CTttVinKtt/ nm4. 6界面分析技术46.1常规分析士3.临界长度法临界纤维长度：断裂的小段纤维中的最大长度4 =1一1c3界面剪切强度:4. 6界面分析技术4. 6.1常规分析不同界面结合玻璃纤维单丝的断裂长度分布pp-f:未处理玻纤+聚丙烯：PP-550：KH550处理玻纤+PP残片长度一PP frTbnBPP-4S0r21c3.临界长度法MP100-SMCTttVinKtt/ nmMP100-550：KH550处理玻

14、纤+功能化PP4. 6界面分析技术4. 6界面分析技术式中：Ef,Em-分别为纤维与基体的弹性模量5,-基体的应力强度df-单根纤维的直径要求测试的试样数较多，以获得较好的测试结果。4. 6界面分析技术4. 6.1常规分析右5. Microbond测试仪(微滴测试法)F-脱粘力(N);d代袁纤维直径(HI);1树脂球的包埋长度4. 6界面分析技术461常规分析5. Microbond测试仪(单丝拔出测定仪)4. 6.1常规分析复合材料的层间剪切强度.横向拉伸强度、弯曲强度等 力学性能与界面粘结强度有关，可作为评价界面粘结强 度的间接方法该方法简单易行，有国家标准可循，因此，是目前常用 的评价复合材料界面粘结强度的主要方法之一。6.单丝顶出实验(microdebond)4. 61常规分析4. 6界面分析技术4.6界面分析技术4.6.1常规分析占7.力学性能测试方法三点弯曲法（层间剪切强度ILSS）测定界面剪切强度时纤维的排布4. 6界面分析技术46. 1常规分析7.力学性能测试方法三点弯曲法（层间剪切强SILSS）层间剪切是由Porsen等人提出的最常用的宏观实验方法, 剪应强度T与外加载荷P的关系：3PT=4hb式中h样品