第2章 复合材料的界面和优化设计

1、复合材料郭连贵郭连贵湖北工程学院化学与材料科学学院湖北工程学院化学与材料科学学院2石墨烯石墨烯第第2章章 复合材料的界面和优化设计复合材料的界面和优化设计多壁碳纳米管多壁碳纳米管l 掌握界面定义、组成掌握界面定义、组成l 掌握界面的作用掌握界面的作用l 掌握界面理论掌握界面理论l 掌握界面设计方法掌握界面设计方法l 了解界面表征方法了解界面表征方法2.1 复合材料界面的概念复合材料界面的概念2.1 复合材料界面的概念复合材料界面的概念一、复合材料界面的定义一、复合材料界面的定义 复合材料界面示意图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 复合材料界面

2、区成分比较复杂复合材料界面区成分比较复杂2.1 复合材料界面的概念复合材料界面的概念二、复合材料界面的结合方式二、复合材料界面的结合方式2.1 复合材料界面的概念复合材料界面的概念三、复合材料的界面效应三、复合材料的界面效应（1）界面能传递力，即即，起到基体和增强物之间的桥梁作用。（2） 结合适当的界面有、的作用。（3）在界面上产生和的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。2.1 复合材料界面的概念复合材料界面的概念（4）光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射产生散射和吸收和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。2.1 复合材料界面的概念复合材料界面的

3、概念（5）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。2.1 复合材料界面的概念复合材料界面的概念界面效应是任何一种单一材料所没有的特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。性，它对复合材料具有重要的作用。界面效应既与界面结合状态、形态和物理、化学性质有关，也与复合材料各组分的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。 界面的结合状态和强度结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响，每种复合材料都要求有合适的结合强度。 u 界面结合较差界面结合较

4、差，增强纤维与基体很容易分离，在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象，起不到增强作用；u 界面结合过强界面结合过强，增强纤维与基体之间应力无法松弛，形成脆性断裂脆性断裂；u 最佳状态的界面最佳状态的界面，裂纹沿界面扩展形成曲折的路径耗散较多的能量，即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。 研究和设计界面时，不应只追求界面结合强度而应考虑到复合材料研究和设计界面时，不应只追求界面结合强度而应考虑到复合材料综合力学性能。综合力学性能。 不同界面结合强度断裂纤维周围基体形态模型 a. 弱界面结合状况 b. 界面结合适中状况 c. 界面结合过强状况2.2

5、 复合材料的界面复合材料的界面一、聚合物基复合材料的界面一、聚合物基复合材料的界面1、界面的形成第一阶段第一阶段：基体与增强体的接触与浸润过程。在复合材料的制备过程中，要求组份间能牢固的结合并有足够的强度，要实现这一点必须要使材料在界面上形成能量最低结合，通常存在液态对固体的相互浸润。第二阶段第二阶段：聚合物的固化过程。固化阶段受第一阶段的影响，同时它也直接决定着所形成的界面层的结构界面层的结构。如热固性树脂固化时的胶粒和胶絮。界面层的结构包括：界面结合力的性质、界面层的厚度、界面层的组成和微观结构。2.2 复合材料的界面复合材料的界面一、聚合物基复合材料的界面一、聚合物基复合材料的界面2、界

6、面作用机理（1）界面浸润性理论）界面浸润性理论2.2 复合材料的界面复合材料的界面一、聚合物基复合材料的界面一、聚合物基复合材料的界面2、界面作用机理（1）界面浸润性理论）界面浸润性理论2.2 复合材料的界面复合材料的界面（2）化学键理论）化学键理论2.2 复合材料的界面复合材料的界面（3）扩散理论）扩散理论2.2 复合材料的界面复合材料的界面（4）电子静电理论）电子静电理论2.2 复合材料的界面复合材料的界面（5）机械联接理论）机械联接理论2.2 复合材料的界面复合材料的界面（6）变形层理论和抑制层理论）变形层理论和抑制层理论2.2 复合材料的界面复合材料的界面（7）优先吸附理论）优先吸附理

7、论（1）在聚合物基复合材料的设计中，首先应考虑如何改善增强材料与基体间的浸润性。一般可采取延长浸渍时间，增大体系压力、降低熔体粘度以及改变增强体织物结构等措施。（2）适度的界面结合强度。（3）减少复合材料中产生的残余应力。（4）调节界面内应力和减缓应力集中。3、聚合物基复合材料界面改性原则2.2 复合材料的界面复合材料的界面2.2 复合材料的界面复合材料的界面二、金属基复合材料的界面二、金属基复合材料的界面1、界面的类型第一类第一类：界面平整、组分纯净，无中间相。第二类第二类：界面不平直，由原始组分构成的凸凹的溶解扩散型界面。第三类第三类：界面中含有尺寸在亚微米级的界面反应物。多数金属基复合材

8、料在制备过程中发生不同程度的界面反应。2.2 复合材料的界面复合材料的界面二、金属基复合材料的界面二、金属基复合材料的界面1、界面的类型类类 型型 1类类 型型 2类类 型型 3纤维与基体互不反应亦纤维与基体互不反应亦不溶解不溶解纤维与基体互不反应纤维与基体互不反应但相互溶解但相互溶解纤维与基体反应形成界面反应纤维与基体反应形成界面反应层层钨丝钨丝 / 铜铜Al2O3 纤维纤维 / 铜铜Al2O3 纤维纤维 / 银银硼纤维（硼纤维（BN表面涂层）表面涂层） / 铝铝不锈钢丝不锈钢丝 / 铝铝SiC 纤维纤维 / 铝铝硼纤维硼纤维 / 铝铝硼纤维硼纤维 / 镁镁镀铬的钨丝镀铬的钨丝 / 铜铜碳纤

9、维碳纤维 / 镍镍钨丝钨丝 / 镍镍合金共晶体丝合金共晶体丝 / 同一合同一合金金钨丝钨丝 / 铜铜 钛合金钛合金碳纤维碳纤维 / 铝（铝（ 580 C）Al2O3 纤维纤维 / 钛钛硼纤维硼纤维 / 钛钛硼纤维硼纤维 /钛钛-铝铝SiC 纤维纤维 / 钛钛SiO2 纤维纤维 / 钛钛2.2 复合材料的界面复合材料的界面TiB2/NiAl原位复合材料碳/铝（含镁）复合材料析出物形貌，有Mg17Al12化合物析出相碳/铝复合材料界面微结构(a)快速冷却(b)慢速冷却2.2 复合材料的界面复合材料的界面二、金属基复合材料的界面二、金属基复合材料的界面2、界面的结合方式（1）化学结合：）化学结合：通

10、过化学键结合。（2）物理结合：）物理结合：通过范德华力结合。（3）扩散结合：）扩散结合：通过相互扩散结合。（4）机械结合：）机械结合：通过机械咬合结合。总的来讲，金属基体复合材料界面以化学结合为主，有时也会出总的来讲，金属基体复合材料界面以化学结合为主，有时也会出现几种界面结合方式共存。现几种界面结合方式共存。2.2 复合材料的界面复合材料的界面二、金属基复合材料的界面二、金属基复合材料的界面3、影响界面稳定性的因素2.2 复合材料的界面复合材料的界面二、金属基复合材料的界面二、金属基复合材料的界面4、残余应力2.2 复合材料的界面复合材料的界面二、金属基复合材料的界面二、金属基复合材料的界面

11、5、金属基复合材料的界面控制方法（1）对增强材料进行表面涂层处理：在增强材料组元上预先涂层以改善增强材料与基体的浸润性，同时涂层还应起到防止发生反应的阻挡层作用。（2）选择金属元素：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层来控制界面反应。尽量避免选择易参与界面反应生成脆硬界面相、造成强界面结合的合金元素 （3）优化制备工艺和参数：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，因此优化制备工艺和严格控制工艺参数是优化界面结构和控制界面反应的有效途径。 2.2 复合材料的界面复合材料的界面三、陶瓷基复合材料的界面三、陶瓷基复合材料的界面1、界面的结合方式与金属基复合材料基

12、本相同2、界面的稳定性（1）基体与增强体在界面形成固溶体（增强增强）；（2）基体与增强体在界面形成化合物（降低降低）。2.2 复合材料的界面复合材料的界面三、陶瓷基复合材料的界面三、陶瓷基复合材料的界面3、陶瓷基复合材料的界面控制方法4、热残余应力 基体与增强体之间热膨胀系数的不同导致残余应力，其在界面处引起应力集中容易导致裂纹。2.3 复合材料界面的表征复合材料界面的表征v 现代科学的发展为复合材料界面的分析表征提供了强有力的手段现代科学的发展为复合材料界面的分析表征提供了强有力的手段。扫描电镜、红外光谱、紫外光谱、光电子能谱、动态力学分析。扫描电镜、红外光谱、紫外光谱、光电子能谱、动态力学分析、原子力显微镜等，在复合材料界面分析表征中得到充分的应用、原子力显微镜等，在复合材料界面分析表征中得到充分的应用，为揭示界面的本质、丰富界面的理论作出了重要的贡献。，为揭示界面的本质、丰富界面的理论作出了重要的贡献。 2.3 复合材料界面的表征复合材料界面的表征2.3 复合材料界面的表征复合材料界面的表征2.3 复合材料界面的表征复合材料界面的表征未处理碳纤维的表面形态 低温等离子处理碳纤维表面形态界面表面形态、结构的表征氧等离子处理后，