复合材料的界面结合特性ppt课件

1、4.4 树脂基复合资料界面的破树脂基复合资料界面的破坏机理坏机理n4.4.1 界面破坏的能量流散概念界面破坏的能量流散概念n4.4.2 介质引起界面破坏的机理介质引起界面破坏的机理n4.4.3 金属基复合资料的界面稳定性金属基复合资料的界面稳定性 4.4 树脂基复合资料界面的破树脂基复合资料界面的破坏机理坏机理假设：假设： 1、从整体上假定复合资料中的纤维与基体、从整体上假定复合资料中的纤维与基体是严密地胶接在一同的；是严密地胶接在一同的； 2、分析组分的各自作用时，假定纤维与基、分析组分的各自作用时，假定纤维与基体是完全分割的，各自有本人的应力行为。体是完全分割的，各自有本人的应力行为。 树

2、脂固化时将对纤维产生压应力，而对基体那树脂固化时将对纤维产生压应力，而对基体那么有拉应力。么有拉应力。)(TEfmmm4.4 树脂基复合资料界面的破坏机理树脂基复合资料界面的破坏机理基体中拉应力基体中拉应力纤维中压应力纤维中压应力界面上剪应力界面上剪应力内应力内应力补充：复合资料断裂过程补充：复合资料断裂过程脱粘或基体脱粘或基体剪切破坏剪切破坏初始开裂初始开裂纤维纤维抽出抽出纵向拉伸破坏方式纵向拉伸破坏方式应力分布区域化应力分布区域化nB：空管：空管nC：基体无裂纹，纤维轮廓及断头不明晰：基体无裂纹，纤维轮廓及断头不明晰nD：基体有菱形裂纹：基体有菱形裂纹4.4.1 4.4.1 界面破坏的能量

3、流散概念界面破坏的能量流散概念n当裂纹遭到外要素作用时，裂纹的开展当裂纹遭到外要素作用时，裂纹的开展过程将是逐渐经过树脂最后到达纤维外过程将是逐渐经过树脂最后到达纤维外表。表。n在裂纹扩展的过程中，将随着裂纹的开在裂纹扩展的过程中，将随着裂纹的开展逐渐耗费能量，并且由于能量的流散展逐渐耗费能量，并且由于能量的流散而减缓裂纹的开展。而减缓裂纹的开展。裂纹峰垂直于纤维外表的微裂纹裂纹峰垂直于纤维外表的微裂纹裂纹能量在界面上流散表示图裂纹能量在界面上流散表示图裂纹由于界面能量流散裂纹由于界面能量流散而减弱裂纹生长，或能而减弱裂纹生长，或能量耗费在界面脱胶而分量耗费在界面脱胶而分散了裂纹峰上的能量集散

4、了裂纹峰上的能量集中，因此未呵斥纤维的中，因此未呵斥纤维的破坏。破坏。树脂在玻璃纤维界面上生成的键可分为两种树脂在玻璃纤维界面上生成的键可分为两种: : 1 1范德华力范德华力2.52.5104J/mol104J/mol 2 2化学键化学键 (1.21.8) (1.21.8) 105J/mol 105J/mol 作用：能量流散时化学键的破坏将吸收更大的能量。作用：能量流散时化学键的破坏将吸收更大的能量。混乱分布的键混乱分布的键集中分布的键集中分布的键化学键集中时，裂化学键集中时，裂纹峰能量集中引起纹峰能量集中引起纤维的断裂纤维的断裂裂纹峰扩展破坏集裂纹峰扩展破坏集中化学键中化学键树脂层脱粘破坏

5、树脂层脱粘破坏 假设树脂与纤维界面上的化学键是分散的，假设树脂与纤维界面上的化学键是分散的，裂纹开展受能量流散影响将引起脱粘破坏。裂纹开展受能量流散影响将引起脱粘破坏。n25%的硼纤维加强环的硼纤维加强环氧树脂系统，采用氧树脂系统，采用80%亚聚氨酯进展纤亚聚氨酯进展纤维的延续涂层，其韧度维的延续涂层，其韧度提高提高400%，而强度几，而强度几乎没有下降。乎没有下降。 界面控制技术界面控制技术n延续粘结界面的裂纹在延续粘结界面的裂纹在弱粘结区被钝化。弱粘结区被钝化。 4.4.2 介质引起界面破坏的机理介质引起界面破坏的机理n 清洁的玻璃外表暴露在大气中立刻会吸附一清洁的玻璃外表暴露在大气中立刻

6、会吸附一层水分子。外表的引力可以经过延续的水膜传层水分子。外表的引力可以经过延续的水膜传送。送。n因此，玻璃外表经多层吸附而构成厚的水膜，因此，玻璃外表经多层吸附而构成厚的水膜，并且加热到并且加热到25时也不易除去。只需在真空中时也不易除去。只需在真空中0.0133Pa，800C下方可根本将物理和下方可根本将物理和化学吸附水除去。化学吸附水除去。n玻璃纤维加强聚合物复合资料外表上的吸附水玻璃纤维加强聚合物复合资料外表上的吸附水侵入界面后，发生水与玻璃纤维和树脂的化学侵入界面后，发生水与玻璃纤维和树脂的化学变化，引起界面脱粘，呵斥复合资料的破坏。变化，引起界面脱粘，呵斥复合资料的破坏。4.4.2

7、 介质引起界面破坏的机理介质引起界面破坏的机理1) 水对玻璃纤维的作用，碱性水破坏硅水对玻璃纤维的作用，碱性水破坏硅氧网络氧网络2使基体水解，如碱催化聚酯树脂的降使基体水解，如碱催化聚酯树脂的降解解3溶胀，溶胀超越固化收缩后，产生拉溶胀，溶胀超越固化收缩后，产生拉应力。应力。 进入界面的水将使树脂发生溶胀，初期的溶胀将抵消在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，当溶胀超越了固化收缩时，那么界面上室温下的固化收缩，当溶胀超越了固化收缩时，那么界面上产生拉伸应力。产生拉伸应力。 当力大于界面粘结力时，产生界面破坏。当力大于界面粘结力时，产生界面破坏。 图图4.12 界面

8、上产生的径向拉伸应力表示图界面上产生的径向拉伸应力表示图水进入复合资料的途径水进入复合资料的途径n树脂黏度大，裹入的空气相连树脂黏度大，裹入的空气相连成通道成通道n水溶性无机物溶解水溶性无机物溶解n树脂的热收缩在基体和界面上树脂的热收缩在基体和界面上产生微裂纹产生微裂纹水的破坏作用：减小了纤维的内聚能，水的破坏作用：减小了纤维的内聚能，脆化了纤维资料脆化了纤维资料EWW:表面能或内聚能塑性变形所需的能量n水助长裂纹的扩张，还有两方面的作用，水助长裂纹的扩张，还有两方面的作用，就是就是n1外表腐蚀导致外表缺陷或产生微弱外表腐蚀导致外表缺陷或产生微弱腐蚀产物腐蚀产物n2凝结在裂纹顶端的水能产生相当

9、大凝结在裂纹顶端的水能产生相当大的毛细压力的毛细压力n促进纤维中原有微裂纹的扩展，引起资促进纤维中原有微裂纹的扩展，引起资料的破坏。料的破坏。4.4.3 金属基复合资料的界面稳定性金属基复合资料的界面稳定性受两类要素影响：受两类要素影响：物理方面的要素物理方面的要素-高温下基体与加强体之间高温下基体与加强体之间的溶融、溶解的溶融、溶解-析出析出化学方面的要素化学方面的要素-运用过程中界面化学引起运用过程中界面化学引起的：包括延续界面反响、交换反响和暂的：包括延续界面反响、交换反响和暂稳态界面的变化稳态界面的变化物理方面的不稳定要素物理方面的不稳定要素n例：用粉末冶金法制成的钨丝加强镍例：用粉末

10、冶金法制成的钨丝加强镍合金资料，由于成型温度较低，钨丝合金资料，由于成型温度较低，钨丝未溶入合金，故其强度根本不变，但未溶入合金，故其强度根本不变，但在在1100C左右运用左右运用50h，那么钨丝，那么钨丝直径仅为原来的直径仅为原来的60%，强度明显降，强度明显降低，阐明钨丝已溶入镍合金基体中。低，阐明钨丝已溶入镍合金基体中。n硼向外分散以致纤维内部留下空洞，硼向外分散以致纤维内部留下空洞，占面积占面积10%以上以上930C 下下1小时小时延延续续界界面面反反响响化学方面的不稳定要素化学方面的不稳定要素n交换反响：如碳纤维与铝含钛、铜合金的交换反响：如碳纤维与铝含钛、铜合金的MMC中，由于钛与

11、碳反响自在能低那么优先构成碳化中，由于钛与碳反响自在能低那么优先构成碳化钛，呵斥界面附近铜、铝元素的富集，实验察看钛，呵斥界面附近铜、铝元素的富集，实验察看到确有到确有CuAl2金属间化合物存在。金属间化合物存在。n暂稳态界面的变化：硼纤维加强暂稳态界面的变化：硼纤维加强Al，如用固态分，如用固态分散方法，这层氧化膜将不会遭到破坏，但它是不散方法，这层氧化膜将不会遭到破坏，但它是不稳定的，在长期的热效应作用下，氧化膜会球化，稳定的，在长期的热效应作用下，氧化膜会球化，这与剩余的氧化层外表能有关，这种界面上出现这与剩余的氧化层外表能有关，这种界面上出现的部分球化会影响复合资料的性能。的部分球化会

12、影响复合资料的性能。 小结：小结：复合资料界面破坏机理大致有三种：复合资料界面破坏机理大致有三种：1. 1. 微裂纹破坏实际微裂纹破坏实际2. 2. 界面破坏实际界面破坏实际3. 3. 化学构造破坏实际化学构造破坏实际4.5 4.5 复合资料界面优化设计复合资料界面优化设计 复合资料界面优化设计的含义是对复合资料复合资料界面优化设计的含义是对复合资料界面相进展设计及控制，以使整体资料的综合性界面相进展设计及控制，以使整体资料的综合性能到达最优形状。能到达最优形状。 综合思索，综合思索，最大限制地最大限制地表达出整体表达出整体优越性优越性界面的功能：传送应力、粘结与脱粘。界面的功能：传送应力、粘

13、结与脱粘。 复合资料界面的优化设计是一个复杂的要素。复合资料界面的优化设计是一个复杂的要素。 1 1、首先应该留意资料的运用要求；、首先应该留意资料的运用要求；2 2、弹性模量的设计；、弹性模量的设计； 3 3、界面的剩余应力；、界面的剩余应力； 4 4、基体与加强体的相容性；、基体与加强体的相容性； 5 5、相间的动力学效果；、相间的动力学效果； 6 6、偶联剂的性能。、偶联剂的性能。 运用要求运用要求1 1、制品首先满足的强度问题。、制品首先满足的强度问题。2 2、制品的任务环境。、制品的任务环境。3 3、制品的消费本钱、运用寿命等。、制品的消费本钱、运用寿命等。EgEg、纵向强度、横向强

14、度、抗压强度等、纵向强度、横向强度、抗压强度等EgEg、潮湿环境下、酸性环境下、碱性环境、潮湿环境下、酸性环境下、碱性环境下，紫外线多的环境下，要选择相对应的下，紫外线多的环境下，要选择相对应的树脂。树脂。EgEg、对于某些工程资料在满足要求时尽量、对于某些工程资料在满足要求时尽量降低消费本钱；降低消费本钱；思索运用年限等问题。思索运用年限等问题。弹性模量的设计弹性模量的设计见解见解1 1、界面、界面相的模量该当相的模量该当介于加强体与介于加强体与基体之间；基体之间；见解见解2 2、保证、保证相当的粘结程相当的粘结程度下，界面相度下，界面相的模量该当是的模量该当是最低的；最低的；界 面 相界

15、面 相的 模 量的 模 量不 能 大不 能 大于 基 体于 基 体和 加 强和 加 强体 的 模体 的 模量。量。Why？高模量的界面首先破坏，起不到高模量的界面首先破坏，起不到传送力的作用，且呵斥裂纹源，传送力的作用，且呵斥裂纹源，构成加强体的低应力破坏构成加强体的低应力破坏剩余应力剩余应力足够注重足够注重见解见解1 1、如何、如何减弱复合资料减弱复合资料界面的剩余应界面的剩余应力；力；见解见解2 2、如何、如何在资料中利用在资料中利用复合资料界面复合资料界面的剩余应力；的剩余应力；影响复影响复合资料合资料性能的性能的发扬和发扬和性能稳性能稳定定相容性相容性条件？条件？影响复影响复合资料合资

16、料性能的性能的发扬和发扬和性能稳性能稳定定G 0保证加保证加强体及强体及基体充基体充分接触分接触先决条件先决条件各种各种外加外加剂的剂的运用运用动力学效果动力学效果润湿？润湿？润湿润湿程度程度思索思索1、相间浸润的、相间浸润的热力学效果热力学效果2、相间浸润的、相间浸润的动力学效果动力学效果判别润判别润湿程度湿程度判别润判别润湿过程湿过程及如何及如何润湿润湿偶联剂的性能偶联剂的性能界面改界面改性剂性剂粘结基体和加强体的桥梁化 学 功 能物 理 功 能其他构造要素4.5 复合资料界面优化设计复合资料界面优化设计4.5.1 改善树脂基复合资料的原那么改善树脂基复合资料的原那么1改善树脂基体对加强资料的浸润程度改善树脂基体对加强资料的浸润程度2适度的界面粘结适度的界面粘结3减少复合资料成型中构成的剩余应力减少复合资料成型中构成的剩余应力4调理界面内应力、减缓应力集中调