复合材料界面培训课件

第四篇复合材料界面材料科学与工程学院杜江华第一页，共三十三页。本章教学目的：了解界面的基本概念、界面的形成与作用机理了解界面的破坏机理掌握纤维的表面处理方法本章重点难点：界面的形成与作用机理，界面的破坏机理，纤维的表面处理第二页，共三十三页。第四篇复合材料界面影响复合材料性能的因素增强材料的性能基体的性能复合材料的结构和成型技术复合材料中纤维和基体界面的结合状态，即界面的性能第三页，共三十三页。例子：1cm3玻璃块，抽成直径为8μm的纤维时，其总面积由原来的6cm2增加到5000cm2，约增加了800多倍。若在1cm3的复合材料中，含直径为8μm的纤维50%时，界面可达数千平方厘米。第四页，共三十三页。第四篇复合材料界面复合材料界面：基体与增强物之间化学成分没有显著变化、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域（界面层厚度从几微纳米到几微米）。

4.1界面的基本概念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、增强剂图4－1界面区域式意图第五页，共三十三页。界面效应

（1）传递效应界面能传递外力，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）阻断效应基体和增强相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

（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形象，如抗电性、电感应性、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（通常是聚合物集体）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。第四篇复合材料的界面

4.1界面的基本概念第六页，共三十三页。第四篇复合材料的界面1）聚合物基复合材料界面1.界面的形成基体与纤维的接触与浸润过程：聚合物的固化阶段

4.2复合材料的界面δSA：固体表面张δlA:液体表面张力γSL：固－液界面张力θ：浸润角

0＜θ＜90°，液体完全浸润固体90°＜θ＜180°,液体不能浸润固体

θ=0°,液体完全浸润固体

θ=180°,表面完全不浸润第一阶段：第二阶段第七页，共三十三页。2、界面的作用机理

1)、浸润吸附理论

第一阶段:高聚物分子移到被粘物表面极性基团靠近

第二阶段:发生吸附作用。被粘体与粘接分子间距小于0.5nm时，范华力开始发生作用，形成偶极－偶极键、偶极－诱导偶极键、氢键等。该理论不能解释为什么非极性聚合物间也有粘接力

2)、化学键理论

在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形成共价键结合在理论上可获得最强的界面粘结能（210-220J/mol）

理论缺陷：无法解释未使用偶联剂或使用了偶联剂但理论上根本不能形成化学键的复合体系。

第四篇复合材料的界面

4.2复合材料的界面宏观布郎运动微观布郎运动图4－3表面结合化学键示意图理论缺陷：第八页，共三十三页。

3)、扩散理论主要观点：高聚物之间的粘结作用与其自粘作用（同种分子间的扩散）一样，也是高聚物分子链及链段的相互扩散（不同种分子）引起的，由此而产生强大的粘接力。

4)、电子静电理论

第四篇复合材料的界面

4.2复合材料的界面当复合材料不同组分表面带有异性电荷时，将发生静电吸引。仅在原子尺度量级内静电作用力才有效图4-4表面静电吸引结合示意图第九页，共三十三页。

5)、机械联接理论当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不平将发生机械互锁第四篇复合材料的界面

4.2复合材料的界面图4-5表面机械互锁结合示意图6)、变形层理论

偶联剂涂层是一种柔性层，提供具有“自愈能力”的化学键，在外载作用下，处于不断形成与断裂的动平衡状态。起到均匀传递应力的作用，从而提高机体与增强物的粘结作用第十页，共三十三页。

7)、优先吸附理论

增强材料优先吸附树脂不同组分（如助剂），使得界面层结构与性能具有梯度变化，从而消除应力改善复合材料的力学性能。第四篇复合材料的界面

4.2复合材料的界面第十一页，共三十三页。第四篇复合材料的界面2）金属基复合材料的界面1、界面的类型

4.2复合材料的界面类型Ⅰ类型Ⅱ类型Ⅲ纤维与基体互不反应亦不溶解纤维与基体不反应但相互溶解纤维与基体相互反应形成界面反层钨丝/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/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℃）AL203纤维/钛硼纤维/钛硼纤维/Ti-ALSiC纤维/钛SiO2纤维/钛表4－1金属基纤维复合材料界面的类型第十二页，共三十三页。

2）金属基复合材料的界面第四篇复合材料的界面

4.2复合材料的界面1、界面的类型（1）物理结合借助材料表面的粗糙形态而产生的机械铰合，以及借助基体收缩应包紧纤维时产生的摩擦结合。

（2）溶解和浸润结合与表中的Ⅱ类界面对应。纤维与基体的相互作用力是极短的，只有若干原子间距。

（3）反应结合与表中Ⅲ类界面对应。其特征是在纤维与基体之间形成新的化合物层，即界面反应层第十三页，共三十三页。第四篇复合材料的界面

2）金属基复合材料的界面2、影响界面稳定的因素

物理方面：高温条件下增强纤维与基体之间的熔融

化学方面：复合材料在加工过程中发生的界面化学作用有关。包括连续界面反应、交换式界面反应和暂稳定界面变化等几种现象

界面结合状态：对金属基复合材料沿纤维方向的抗张强度有很大影响，对剪切强度、疲劳性能也有不同程度的影响。

表4-2

碳纤维增强铝的抗张强度和断口形貌

4.2复合材料的界面界面结合状态抗张强度，MPa断口形貌结合不206纤维大量拔出，长度很长，呈涮子状结合适中612有的纤维拔出，有一长度，铝基体发生长缩颈，可观察到劈裂状结合稍强470出现不规则断面，可观察到很短的纤维拔出结合过强224典型的脆性断裂，平断口第十四页，共三十三页。

2）金属基复合材料的界面3、残余应力

材料成型后，由于基体的固化或凝固发生体积收缩或膨胀（通常为收缩），而增强体则体积相对稳定使界面产生内应力，同时又因增强体与基体之间存在热膨胀系数的差异，在不同环境温度下界面产生热应力。这两种应力的加和总称为界面残余应力。前一种情况下，如果基体发生收缩，则复合材料基体受拉应力，增强体受压应力，界面受剪切应力。后一种情况下，通常是基体膨胀系数大于增强体，在成型温度较高的情况下，复合材料基体受拉应力，增强体受压应力，界面受剪切应力。但随着使用温度的增高，热应力向反方向变化

基体与增强材料的物理相容性

金属基体足够的韧性合强度、局部应力不应在增强纤维上形成高应力

基体与纤维的热膨胀系数的匹配第四篇复合材料的界面

4.2复合材料的界面第十五页，共三十三页。第十六页，共三十三页。2）陶瓷基复合材料的界面

界面层状态：空心圆筒状，厚度可以控制

第一临界层厚度：反应达到某一厚度时，复合材料抗张强度开始降低的厚度

第二临界层厚度：反应厚度继续增大，材料强度亦随之降低，直至某一强度时，不在降低的界面厚度

影响界面的主要因素：成型工艺

第四篇复合材料的界面

4.2复合材料的界面第十七页，共三十三页。4.3界面破环机理1、微裂纹破坏机理第十八页，共三十三页。在复合材料中，受外力作用时，基体中会产生微裂纹，并由基体逐渐扩展到纤维表面，使纤维脱粘（或拔出），甚至断裂。界面存在物理键（即范德华力）和化学键。其中化学键是主要的，界面破坏时，二种键均受到破坏。弱界面：韧性破坏（纤维脱粘或拔出）强界面：脆性破坏（纤维断裂）第十九页，共三十三页。2、水对复合材料及界面的破环作用水的浸入、水对玻璃纤维的腐蚀作用、水对树脂的降解作用、水溶胀树脂导致界面破环、水促使裂纹扩展现有解释界面破坏的三大理论：微裂纹理论、界面破环理论、化学结构破环理论第二十页，共三十三页。水的浸入（通过扩散作用进入界面）水对玻纤的腐蚀水溶解玻纤表面碱金属氧化物，溶液呈碱性，并加剧玻纤表面腐蚀破坏，最后导致玻纤SiO2骨架破坏，玻纤强度降低，复合材料性能下降。从树脂宏观裂纹进入（有化学应力和热应力产生裂纹）；树脂内存在的杂质（水溶性杂质）；复合材料成型中在材料内部产生的气泡第二十一页，共三十三页。水对树脂的降解物理效应（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；化学效应（不可逆）：与树脂内化学键发生化学作用，树脂降解水溶胀树脂导致界面破坏树脂溶胀，在界面上产生剪应力。当剪应力大于界面粘接力时，界面破坏。第二十二页，共三十三页。水进入孔隙产生渗透压导致界面破坏水进入孔隙，溶解杂质，浓度增加，渗透压增加，一定温度、时间时，渗透压大于粘接力，导致界面破坏水促使破坏裂纹的扩展水降低了纤维的内聚能，脆化纤维；水的表面腐蚀作用，使纤维表面形成了新的缺陷；凝集在裂纹尖端的水能产生很大的毛细压力第二十三页，共三十三页。复合材料界面的研究表面浸润性的测定1.接触角的测定：①单丝浸润法；②单丝接触角测定法；③倾泻法；④测单丝浸润力法；⑤动态毛吸法2.动态浸润速率的测定3.树脂固化体系临界表面张力的测定显微镜观察法（形貌）红外光谱法及拉曼光谱法（成分、结构）界面力（强度）的测定方法第二十四页，共三十三页。第4章聚合物基复合材料的界面4.4纤维的表面处理增强材料的表面特性表面物理特性（表面微结构、比表面积、形态结构）表面化学特性（表面化学组成、官能团、反应性）表面吉布斯自由能（表面张力）增强材料表面处理目的是增加增强材料与基体材料界面粘接强度。主要是通过改变增强材料的表面特性，具体为：①增加增强材料的比表面积（m2/g）②增强纤维与基体的反应活性③提高纤维表面张力（大于树脂表面张力，有利于浸润）第二十五页，共三十三页。1）玻璃纤维表面的处理第四篇复合材料的界面

4.4复合材料的界面处理有机硅烷类偶联剂有机酸氯化铬络合物偶联剂偶联剂的作用(functionsofcouplingagent)：

①在两相界面形成化学键，大幅度提高界面粘接强度②改善了界面对应力的传递效果③提供了一个可塑界面层，可部分消除界面残余应力④提供了一个防水层，保护了界面，阻止了脱粘和腐蚀的发生偶联剂对不同复合体系具有较强的选择性第二十六页，共三十三页。1）玻璃纤维表面的处理第四篇复合材料的界面

4.4复合材料的界面处理偶联剂的功能：（a）有机硅烷水解形成硅醇；（b）硅醇的羟基与玻璃表面之间的氢键合；（c）结在玻璃表面的聚硅氧烷；（d）与聚合物反应的官能R基团第二十七页，共三十三页。

2）碳纤维表面的处理第四篇复合材料的界面

4.3复合材料的界面处理

碳纤维处理

氧化处理①

氧等离子气体的干法氧化②

化学或电解进行的湿法氧化

非氧化处理①

表面沉积无是型碳②化学气相沉积（CVD）法加涂碳化硅、碳化硼、碳化铬等③

等离子体气体聚合及共聚涂层改性④

高效晶须化

碳纤维氧化处理后：①能改善碳纤维表面与基体的浸润性、相容性②能在表面形成许多活性官能团，这些官能团能与树脂基体形成化学键合非氧化处理，主要用于C/C复合、CMC、MMC复合体系第二十八页，共三十三页。碳纤维表面官能团与树脂之间相互作用示意图

第四篇复合材料的界面

4.3复合材料的界面处理2）碳纤维表面的处理第二十九页，共三十三页。第四篇复合材料的界面

4.4复合材料的界面处理3）有机纤维表面的处理

kevlar纤维各向异性和“皮-芯”结构特征，使对其进行表面处理的效果不明显。即使能有效改善界面的浸润和粘接强度，但其复合材料的宏观破坏强度难有大幅度提高，除非改善纤维