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1、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概念 4.4.2 介质引起界面破坏的机理 4.4.3 金属基复合材料的界面稳定性,4.4 树脂基复合材料界面的破坏机理,假设： 1）、从整体上假定复合材料中的纤维与基体是紧密地胶接在一起的； 2）、分析组分的各自作用时，假定纤维与基体是完全分割的，各自有自己的应力行为。 树脂固化时将对纤维产生压应力，而对基体则有拉应力。,4.4 树脂基复合材料界面的破坏机理,基体中拉应力,纤维中压应力,界面上剪应力,内应力,补充：复合材料断裂过程,脱粘或基体 剪切破坏,初始开裂,纤维 抽出,纵向拉伸破坏模式,应力分布区域化,B：空管 C：基体
2、无裂纹，纤维轮廓及断头不清晰 D：基体有菱形裂纹,4.4.1 界面破坏的能量流散概念,当裂纹受到外因素作用时，裂纹的发展过程将是逐渐通过树脂最后到达纤维表面。 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。,裂纹峰垂直于纤维表面的微裂纹,裂纹能量在界面上流散示意图,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。,树脂在玻璃纤维界面上生成的键可分为两种: 1）范德华力（2.5104J/mol） 2）化学键（ (1.21.8) 105J/mol ） 作用：能量流散时化学键的破坏将吸收更大的能量。,混
3、乱分布的键,集中分布的键,化学键集中时，裂纹峰能量集中引起纤维的断裂,裂纹峰扩展破坏集中化学键,树脂层脱粘破坏,如果树脂与纤维界面上的化学键是分散的，裂纹发展受能量流散影响将引起脱粘破坏。,25%的硼纤维增强环氧树脂系统，采用80%亚聚氨酯进行纤维的间断涂层，其韧度提高400%，而强度几乎没有下降。,界面控制技术,间断粘结界面的裂纹在弱粘结区被钝化。,4.4.2 介质引起界面破坏的机理,清洁的玻璃表面暴露在大气中立即会吸附一层水分子。表面的引力可以通过连续的水膜传递。 因此，玻璃表面经多层吸附而形成厚的水膜，并且加热到25时也不易除去。只有在真空中（0.0133Pa），800C下方可基本将物理
4、和化学吸附水除去。 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。,4.4.2 介质引起界面破坏的机理,1) 水对玻璃纤维的作用，碱性水破坏硅氧网络 2）使基体水解，如碱催化聚酯树脂的降解 3）溶胀，溶胀超过固化收缩后，产生拉应力。,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。,图4.12 界面上产生的径向拉伸应力示意图,水进入复合材料的途径,树脂黏度大，裹入的空气相连成通道 水溶性无机物溶解 树脂的热收缩在基体和界
5、面上产生微裂纹,水的破坏作用：减小了纤维的内聚能，脆化了纤维材料,水助长裂纹的扩张，还有两方面的作用，就是 （1）表面腐蚀导致表面缺陷或产生微弱腐蚀产物 （2）凝结在裂纹顶端的水能产生相当大的毛细压力 促进纤维中原有微裂纹的扩展，引起材料的破坏。,4.4.3 金属基复合材料的界面稳定性,受两类因素影响： 物理方面的因素-高温下基体与增强体之间的溶融、溶解-析出 化学方面的因素-使用过程中界面化学引起的：包括连续界面反应、交换反应和暂稳态界面的变化,物理方面的不稳定因素,例：用粉末冶金法制成的钨丝增强镍合金材料，由于成型温度较低，钨丝未溶入合金，故其强度基本不变，但在1100C左右使用50h，则
6、钨丝直径仅为原来的60%，强度明显降低，表明钨丝已溶入镍合金基体中。,硼向外扩散以致纤维内部留下空洞，占面积10%以上,930C 下1小时,连续界面反应,化学方面的不稳定因素,交换反应：如碳纤维与铝含钛、铜合金的MMC中，由于钛与碳反应自由能低则优先形成碳化钛，造成界面附近铜、铝元素的富集，实验观察到确有CuAl2金属间化合物存在。 暂稳态界面的变化：硼纤维增强Al，如用固态扩散方法，这层氧化膜将不会受到破坏，但它是不稳定的，在长期的热效应作用下，氧化膜会球化，这与残余的氧化层表面能有关，这种界面上出现的局部球化会影响复合材料的性能。,小结： 复合材料界面破坏机理大致有三种： 1. 微裂纹破坏
7、理论 2. 界面破坏理论 3. 化学结构破坏理论,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合材料界面相进行设计及控制，以使整体材料的综合性能达到最优状态。,综合考虑，最大限度地体现出整体优越性,界面的功能：传递应力、粘结与脱粘。 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应用要求；,2、弹性模量的设计； ,3、界面的残余应力； ,4、基体与增强体的相容性； ,5、相间的动力学效果； ,6、偶联剂的性能。 ,应用要求,1、制品首先满足的强度问题。,2、制品的工作环境。,3、制品的生产成本、使用寿命等。,Eg、纵向强度、横向强度、抗压强度等,Eg、潮湿环
8、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。,Eg、对于某些工程材料在满足要求时尽量降低生产成本；,考虑使用年限等问题。,弹性模量的设计,见解1、界面相的模量应当介于增强体与基体之间；,见解2、保证相当的粘结程度下，界面相的模量应当是最低的；,界面相的模量不能大于基体和增强体的模量。,Why？,高模量的界面首先破坏，起不到传递力的作用，且造成裂纹源，形成增强体的低应力破坏,残余应力,足够重视,见解1、如何减弱复合材料界面的残余应力；,见解2、如何在材料中利用复合材料界面的残余应力；,影响复合材料性能的发挥和性能稳定,相容性,条件？,影响复合材料性能的发挥和性能稳定,G
9、0,保证增强体及基体充分接触,先决条件,各种外加剂的使用,动力学效果,润湿？,润湿程度,考虑,1、相间浸润的热力学效果,2、相间浸润的动力学效果,判断润湿程度,判断润湿过程及如何润湿,偶联剂的性能,界面改性剂,粘结基体和增强体的桥梁,化学功能,物理功能,其他结构因素,4.5 复合材料界面优化设计,4.5.1 改善树脂基复合材料的原则,1）改善树脂基体对增强材料的浸润程度 2）适度的界面粘结 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,4.5.2 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 2）金属基体合金化 3）优化制备工艺方法和参数,作业：,解释界面破坏的能量流散概念，并说明其在界面破坏上的应用。 简述非树脂基复合材料的界面类型分类。 如何对复合材料界面进行优化设计。,
