复合材料第七章复合材料的复合原则及界面

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1、1,第七章 复合材料的复合原则及界面,2,第一节 复合原则 要想制备一种好的复合材料，首先应根据所要求的性能进行设计，这样才能成功地制备出性能理想的复合材料。 复合材料的设计应遵循的原则如下：,3,一、材料组元的选择 挑选最合适的材料组元尤为重要。 在选择材料组元时，首先应明确各组元在使用中所应承担的功能，也就是说，必须明确对材料性能的要求。,4,对材料组元进行复合，即要求复合后材料达到如下性能，如高强度、高刚度、高耐蚀、耐磨、耐热或其它的导电、传热等性能或者某些综合性能如既高强又耐蚀、耐热。,5,因此，必须根据复合材料所需的性能来选择组成复合材料的基体材料和增强材料。 例如，若所设计的复合材

2、料是用作结构件，则复合的目的就是要使复合后材料具有最佳的强度、刚度和韧性等.,6,因此，设计结构件复合材料时，首先必须明确其中一种组元主要起承受载荷的作用，它必须具有高强度和高模量。这种组元就是所要选择的增强材料； 而其它组元应起传递载荷及协同的作用，而且要把增强材料粘结在一起，这类组元就是要选的基体材料。,7,其次，除考虑性能要求外，还应考虑组成复合材料的各组元之间的相容性，这包括物理、化学、力学等性能的相容，使材料各组元彼此和谐地共同发挥作用。 在任何使用环境中，复合材料的各组元之间的伸长、弯曲、应变等都应相互或彼此协调一致。,8,第三，要考虑复合材料各组元之间的浸润性，使增强材料与基体之

3、间达到比较理想的具有一定结合强度的界面。 适当的界面结合强度不仅有利于提高材料的整体强度，更重要的是便于将基体所承受的载荷通过界面传递给增强材料，以充分发挥其增强作用。,9,若结合强度太低，界面很难传递载荷，不能起潜在材料的作用，影响复合材料的整体强度； 但结合强度太高也不利，它遏制复合材料断裂对能量的吸收，易发生脆性断裂。 除此之外，还应联系到整个复合材料的结构来考虑。,10,具体到颗粒和纤维增强复合材料来说，增强效果与颗粒或纤维的体积含量、直径、分布间距及分布状态有关。 颗粒和纤维增强复合材料的设计原则如下：,11,1. 颗粒增强复合材料的原则,(1)颗粒应高度弥散均匀地分散在基体中，使其

4、阻碍导致塑性变形的位错运动(金属、陶瓷基体)或分子链的运动(聚合物基体)。,12,(2)颗粒直径的大小要合适。 因为颗粒直径过大，会引起应力集中或本身破碎，从而导致材料强度降低； 颗粒直径太小，则起不到大的强化作用。因此，一般粒径为几微米到几十微米。,13,(3)颗粒的数量一般大于20。数量太少，达不到最佳的强化效果。 (4)颗粒与基体之间应有一定的粘结作用。,14,2纤维增强复合材料的原则 (1)纤维的强度和模量都要高于基体，即纤维应具有高模量和高强度，因为除个别情况外，在多数情况下承载主要是靠增强纤维。 (2)纤维与基体之间要有一定的粘结作用，两者之间结合要保证所受的力通过界面传递给纤维。

5、,15,(3)纤维与基体的热膨胀系数不能相差过大，否则在热胀冷缩过程中会自动削弱它们之间的结合强度。 (4)纤维与基体之间不能发生有害的化学反应，特别是不发生强烈的反应，否则将引起纤维性能降低而失去强化作用。,16,(5)纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必须适宜。 一般而言，基体中纤维的体积含量越高，其增强效果越显著； 纤维直径越细，则缺陷越小，纤维强度也越高； 连续纤维的增强作用大大高于短纤维，不连续短纤维的长度必须大于一定的长度(一般是长径比5)才能显示出明显的增强效果。,17,二、制备方法的选择 材料组元选择后，就要考虑所采用的复合工艺路线，即具体的制备方法。 制备方法的选择主要应考虑以

6、下四个方面：,18,(1)所选的工艺方法对材料组元的损伤最小，尤其是纤维或晶须掺入基体之中时，一些机械的混合方法往往造成纤维或晶须的损伤；,19,(2)能使任何形式的增强材料(纤维、颗粒、晶须)均匀分布或按预设计要求规则排列； (3)使最终形成的复合材料在性能上达到充分发挥各组元的作用，即达到扬长避短，而且各组元仍保留着固有的特性。,20,在制备方法的选择上还应考虑性能价格比，在能达到复合材料使用要求的情况下，尽可能选择简便易行的工艺以降低制备成本。 针对不同的增强材料和基体特性应采用不同的制备方法，,21,如金属基复合材料中，采用纤维与颗粒、晶须增强时，同样采用固态法，但用纤维增强时，一般采

7、用扩散结合；而用颗粒或晶须增强时，往往采用粉末冶金法结合。 因为颗粒或晶须增强时若采用扩散结合，势必使制造工艺十分复杂，且无法保证颗粒或晶须均匀分散。,22,第二节 复合材料的界面 复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。,23,复合材料的界面虽然很小，但它是有尺寸的，约几个纳米到几个微米，是一个区域或一个带、或一层，它的厚度呈不均匀分布状态。,24,界面通常包含以下几个部分： 基体和增强物的部分原始接触面； 基体与增强物相互作用生成的反应产物，此产物与基体及增强物的接触面；,25,基体和增强物的互扩散层； 增强物上的表面涂层； 基体

8、和增强物上的氧化物及它们的反应产物之间的接触面等。,26,在化学成分上，除了基体、增强物及涂层中的元素外，还有基体中的合金元素和杂质、由环境带来的杂质。 这些成分或以原始状态存在，或重新组合成新的化合物。 因此，界面上的化学成分和相结构是很复杂的。,27,界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种效应。 (1)传递效应 界面能传递力，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 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。,28,(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现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定

9、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、耐机械冲击及耐热冲击性等。,29,(5)诱导效应 一种物质(通常是增强物)的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)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。,30,界面上产生的这些效应，是任何一种单体材料所没有的特性，它对复合材料具有重要作用。 例如在粒子弥散强化金属中，微形粒子阻止晶格位错，从而提高复合材料强度； 在纤维增强塑料中，纤维与基体界面阻止裂纹进一步扩展等。,31,因而在任何复合材料中，界面和改善界面性能的表面处理

10、方法是关于这种复合材料是否有使用价值、能否推广使用的一个极重要的问题。 界面效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性质等有关，也与界面两侧组分材料的浸润性、相容性、扩散性等密切相联。,32,复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面，而是一个多层结构的过渡区域，界面区是从与增强剂内部性质不同的某一点开始，直到与树脂基体内整体性质相一致的点间的区域。,33,界面区域的结构与性质都不同于两相中的任一相。 从结构上来分，这一界面区由五个亚层组成(见下图所示)：,34,界面区域示意图 1一外力场； 2-场所树脂基体； 3-基体表面区；4-相互渗透区 5一增强剂表面；6-增强剂,每一亚层的性能均与树脂基体和

11、增强剂的性质、偶联剂的品种和性质、复合材料的成型方法等密切有关。,35,基体和增强物通过界面结合在一起，构成复合材料整体，界面结合的状态和强度对复合材料的性能有重要影响。 因此，对于各种复合材料都要求有合适的界面结合强度。,36,界面的结合强度一般是以分子间力、表面张力(表面自由能)等表示的，而实际上有许多因素影响着界面结合强度。,37,如表面的几何形状、分布状况、纹理结构； 表面吸附气体和蒸气程度； 表面吸水情况，杂质存在； 表面形态在界面的溶解、浸透、扩散和化学反应； 表面层的力学特性，润湿速度等。,38,由于界面区相对于整体材料所占比重甚微，欲单独对某一性能进行度量有很大困难。 因此常借

12、于整体材料的力学性能来表征界面性能，如层间剪切强度(ILSS)就是研究界面粘结的良好办法； 如再能配合断裂形貌分析等即可对界面的其他性能作较深入的研究。,39,由于复合材料的破坏形式随作用力的类型、原材料结构组成不同而异，故破坏可开始在树脂基体或增强剂，也可开始在界面。,40,通过力学分析可看出，界面性能较差的材料大多呈剪切破坏，且在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象。 但界面间粘结过强的材料呈脆性也降低了材料的复合性能。,41,界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时，这一裂纹能转为区域化而不产生近一步界面脱粘。 即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。,42,由此可见，在研

13、究和设计界面时，不应只追求界面粘结而应考虑到最优化和最佳综合性能。,43,例如，在某些应用中，如果要求能量吸收或纤维应力很大时，控制界面的部分脱粘也许是所期望的，用淀粉或明胶作为增强玻璃纤维表面浸润剂的E粗纱已用于制备具有高冲击强度的避弹衣。,44,由于界面尺寸很小且不均匀、化学成分及结构复杂、力学环境复杂、对于界面的结合强度、界面的厚度、界面的应力状态尚无直接的、准确的定量分析方法；,45,所以，对于界面结合状态、形态、结构以及它对复合材料性能的影响尚没有适当的试验方法，通常需要借助拉曼光谱、电子质谱、红外扫描、x衍射等试验逐步摸索和统一认识。,46,另外，对于成分和相结构也很难作出全面的分

14、析。 因此，这今为止，对复合材料界面的认识还是很不充分的，不能以一个通用的模型来建立完整的理论。 尽管存在很大的困难，但由于界面的重要性，所以吸引着大量研究者致力于认识界面的工作，以便掌根其规律。,47,第三节 复合材料的界面设计原则,界面粘结强度是衡量复合材料中增强体与基体间界面结合状态的一个指标。 界面粘结强度对复合材料整体力学性能的影响很大，界面粘结过高或过弱都是不利的。,48,因此，人们很重视开展复合材料界面微区的研究和优化设计，以便制得具有最佳综合性能的复合材料。 下图给出了影响复合材料界面效应的因素及其与复合材料性能的关系。,49,增强体：纤维、晶须、颗粒、片状 基体：聚合物金属、

15、陶瓷、碳等,50,大量事实证明，复合材料的界面实质上是纳米级以上厚度的界面层(Interlayer)或称界面相(Interphase)。,51,界面相是一种结构随增强材料而异，并与基体有明显差别的新相。 界面相也包括在增强材料表面上预先涂覆的表面处理剂层以及增强材料经表面处理工艺后而发生反应的界面层。,52,结构复合材料中，界面层的作用首先是把施加在整体上的力，由基体通过界面层传递到增强材料组元，这就需要有足够的界面粘接强度，粘接过程中，两相表面能相互润湿是首要的条件。,53,界面层的另一作用是在一定的应力条件下能够脱粘，以及使增强纤维从基体拔出并发生摩擦。这样就可以借助脱粘增大表面能、拔出功

16、和摩擦功等形式来吸收外加载荷的能量以达到提高其抗破坏能力。 从以上两方面综合考虑，则要求界面具有最佳粘接状态。,54,设计复合材料时，仅仅考虑到复合材料具有粘接适度的界面层还不够，还要考虑究竟什么性质的界面层最为合适。,55,对界面层的见解有两种观点，一种是界面层的模量应介于增强材料与基体材料之间，最好形成梯度过渡。 另一种观点是界面层的模量低于增强材料与基体，最好是一种类似橡胶的弹性体，在受力时有较大的形变。,56,前一种观点从力学的角度来看，将会产生好的效果； 后一种观点按照可形变层理论，则可以将集中于界面的应力点迅速分散，从而提高整体的力学性能。,57,前面的两种观点都有一定的实验支持，但是尚未得到定论。 然而无论如何，若界面层的模量高于增强材料和基体的模量，将会产生不良的效果，这是大家都公认的观点。,58,实验表明，金属基复合材料由于容易发生界面反应，生成脆性大的界面反应层，在低应力条件下，界面就会破坏，从而降低复合材料的整体性能。 因此，界面层控制是设计复合材料的一个重要方面。,59,界面层的形貌、厚度、结构等可通过先进的科学仪器进行观察与分析，常