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1、第四篇 复合材料界面,材料科学与工程学院 杜江华 ,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,例子：1cm3玻璃块，抽成直径为8m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8m的纤维50%时，界面可达数千平方厘米。,第四篇 复合材料界面,复合材料界面
2、：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41 界面区域式意图,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
3、、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,SA：固体表面张 lA: 液体表面张力 SL：固液界面张力 ： 浸润角,090， 液体完全浸润固体 90180, 液体不能浸润固体 =0, 液体完全浸
4、润固体 =180, 表面完全不浸润,第一阶段：,第二阶段,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 - 220 J / 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
5、,图43 表面结合化学键示意图,理论缺陷：,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,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
6、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,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,表41 金属基纤维复合材料界面的类型,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
7、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
8、度和断口形貌,4.2 复合材料的界面,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
9、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,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,4.3 界面破环机理,1、微裂纹破坏机理,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）
10、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）,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,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。,水对树脂的降解,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
11、，界面破坏。,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,复合材料界面的研究,表面浸润性的测定,1.接触角的测定：单丝浸润法；单丝接触角测定法； 倾泻法；测单丝浸润力法；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,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
12、性，具体为：,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(functions of coupling agent)： 在两相界面形成化学键，大幅度提高界面粘接强度 改善了界面对应力的传递效果 提供了一个可塑界面层，可部分消除界面残余应力 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,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
13、硅氧烷；（d）与聚合物 反应的官能R基团,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,碳纤维氧化处理后： 能改善碳纤维表面与基体的浸润性、相容性 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,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
14、强度，但 其复合材料的宏观破坏强度难有大幅度提高，除非改善纤维的内 在微结构，以产生更均匀和各向同性的纤维。 处理方法： 不同气氛下等离子体处理，若在NH3中，可引入-NH2，与环 氧树脂发生反应；若用可聚合单体气分，可在纤维表面接枝聚合物 表面化学接枝法,4）金属纤维表面的处理,第四篇 复合材料的界面,4.3 复合材料的界面处理,常用的增强材料的表面（涂层）处理方法有：PVD、CVD、电化学、溶胶-凝胶法等。 SiC纤维 富碳涂层、SCS涂层等； 硼纤维 SiC涂层、B4C等； 氧化铝纤维表面涂覆镍或镍合金层 。,复合材料的界面效应有哪些？ 复合材料界面的形成有几个阶段？ 提高界面结合强度的途径有哪些？ 简述复合材料界面的微裂纹破坏机理。 什么是偶联剂？简述用于玻纤的偶联剂类型及作用机理。,
