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1、 第第五五章章 复合材料的界面复合材料的界面一、复合材料概述一、复合材料概述二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料三、玻璃纤维增强塑料界面三、玻璃纤维增强塑料界面四、先进复合材料的界面四、先进复合材料的界面 第五章第五章 复合材料的界面复合材料的界面 无机无机 非金属非金属 材料材料有机有机高分子高分子材料材料金属材料金属材料复复合合材材料料一、复合材料概述一、复合材料概述复合材料复合材料是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺复合而成的多相材料。复合而成的多相材料。取取 长长 补补 短短协协 同同 作作 用用产生原来单一材料本身所没有的新性能产生原来
2、单一材料本身所没有的新性能一、复合材料概述一、复合材料概述复合材料复合材料是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺复合而成的多相材料。复合而成的多相材料。包括三层意义：包括三层意义：u它是一种多相材料，包含两种或两种以上物理上不同并可用机它是一种多相材料，包含两种或两种以上物理上不同并可用机械方法分离的材料。械方法分离的材料。u它可以在人为控制下以某种工艺将几种分离的不同材料混合在它可以在人为控制下以某种工艺将几种分离的不同材料混合在一起，形成复合材料。一起，形成复合材料。u它的性能应优于各单独的组分材料，在某些方面可能具有组分它的性能应优于各单独的组分
3、材料，在某些方面可能具有组分材料没有的独特性能。材料没有的独特性能。一、复合材料概述一、复合材料概述复合材料的复合材料的结构：结构：u基体相基体相u增强剂相增强剂相u相与相之间存在界面。相与相之间存在界面。纤维增强塑料塑料：把纤维粘结在一起，使纤维的强度充分发挥塑料：把纤维粘结在一起，使纤维的强度充分发挥纤维：分散于塑料，混凝土中的纤维：分散于塑料，混凝土中的“钢筋钢筋”，承担负荷，承担负荷一、复合材料概述一、复合材料概述 界界面面对对复复合合材材料料的的性性能能起起着着至至关关重重要要的的作作用用。复复合合材材料料的的性性能能不不是是组组成成材材料料性性能能的的简简单单加加和和，而而产产生生
4、了了 112 的的作作用用，称为协同效应。称为协同效应。 复合材料的复合材料的界面：界面：断裂能大幅提高的原因断裂能大幅提高的原因？玻璃纤维的断裂能约为玻璃纤维的断裂能约为10 Jm2，聚酯的断裂能约为聚酯的断裂能约为 100 Jm2，而复合后的玻璃纤维增强塑料的断裂能达而复合后的玻璃纤维增强塑料的断裂能达105Jm2 一、复合材料概述一、复合材料概述界面是复合材料产生协同效应的根本原因界面是复合材料产生协同效应的根本原因复合材料的复合材料的界面：界面：一、复合材料概述一、复合材料概述复合材料的复合材料的界面：界面：图图5-2复合材料破坏过程中的能量吸收复合材料破坏过程中的能量吸收裂纹在基体中
5、发展，遇到纤维，可裂纹在基体中发展，遇到纤维，可能发生界面能发生界面脱粘脱粘、基体和纤维的、基体和纤维的断断裂、纤维拔出裂、纤维拔出等过程，吸收了大量等过程，吸收了大量能量。并且裂纹发展未必在一个平能量。并且裂纹发展未必在一个平面上，可沿着材料中不同的平面发面上，可沿着材料中不同的平面发生如上的界面脱粘、基体和纤维的生如上的界面脱粘、基体和纤维的断裂、纤维拔出等过程，直到裂纹断裂、纤维拔出等过程，直到裂纹贯穿了某一平面材料才破坏，贯穿了某一平面材料才破坏，这就这就使得复合材料的断裂能大大高于各使得复合材料的断裂能大大高于各组分材料的断裂能的加和，充分体组分材料的断裂能的加和，充分体现出复合材料
6、的协同效应。现出复合材料的协同效应。一、复合材料概述一、复合材料概述复合材料的复合材料的界面：界面：1 纤维本体区纤维本体区2 纤维表面区纤维表面区3 界面吸附层界面吸附层4 基体表面区基体表面区 5 基体本体区基体本体区界面相很薄，是亚微观的，却有极其复杂的结构。在两相复合过程中，会出现界面相很薄，是亚微观的，却有极其复杂的结构。在两相复合过程中，会出现热应力（导热系数，膨胀系数的不同），界面化学效应（官能团之间的作用或热应力（导热系数，膨胀系数的不同），界面化学效应（官能团之间的作用或反应）和界面结晶效应（成核诱发结晶，横晶），这些效应引起的界面微观结反应）和界面结晶效应（成核诱发结晶，横
7、晶），这些效应引起的界面微观结构和性能特征，对复合材料的宏观性能产生直接的影响。构和性能特征，对复合材料的宏观性能产生直接的影响。 图图5-35-3复合材料界面模型复合材料界面模型界面相内的化学组分，分子排列，热性能界面相内的化学组分，分子排列，热性能，力学性能呈现连续的梯度性变化。，力学性能呈现连续的梯度性变化。一、复合材料概述一、复合材料概述复合材料的复合材料的分类分类：按按基体材料基体材料分类分类 聚合物基聚合物基复合材料：热固性和热塑性树脂基复合材料：热固性和热塑性树脂基 金属基金属基复合材料复合材料 无机非金属基无机非金属基复合材料：陶瓷基，水泥基复合材料：陶瓷基，水泥基其中，应用最
8、广、产量最大的是聚合物基复合材料。其中，应用最广、产量最大的是聚合物基复合材料。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的聚合物基复合材料的一般特性一般特性：轻质高强轻质高强电性能好电性能好耐腐蚀性能好耐腐蚀性能好热性能好热性能好性能具有可设计性性能具有可设计性界面结合性差，层间剪切强度低界面结合性差，层间剪切强度低聚合物基复合材料的一般特性：聚合物基复合材料的一般特性： 轻质高强：轻质高强：相对密度低，相对密度低，1.4-2.0之间，约为钢的之间，约为钢的1/5,铝的铝的1/2，比强度比钢、铝合金高，比强度比钢、铝合金高，如高，如高模量碳纤维模量碳纤维/环氧复合材料的比强度为
9、钢的环氧复合材料的比强度为钢的5倍，铝合金的倍，铝合金的4倍。其比模量是钢、铝、倍。其比模量是钢、铝、钛的钛的4倍倍。是复合材料适宜用作是复合材料适宜用作航空、航天材料航空、航天材料的宝贵性能。的宝贵性能。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的一般特性：聚合物基复合材料的一般特性： 轻质高强：轻质高强：二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料材料材料密度密度（g/cmg/cm3 3）拉伸强度拉伸强度（GPaGPa）弹性模量弹性模量（10102 2GPaGPa）比强度比强度（10106 6cmcm）比模量比模量（10108 8cmcm）钢钢. . . . . .铝合金铝合金.
10、 . . . . .钛合金钛合金. . . . . .玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料. . . . . .碳纤维碳纤维I I环氧复合材料环氧复合材料. . . . .碳纤维碳纤维IIII环氧复合材料环氧复合材料. . . . . .有机纤维环氧复合材料有机纤维环氧复合材料. . . .0.0. .硼纤维环氧复合材料硼纤维环氧复合材料. . . . .一些常用材料及纤维复合材料的比强度和比模量一些常用材料及纤维复合材料的比强度和比模量聚合物基复合材料的一般特性：聚合物基复合材料的一般特性：电性能好：电性能好：电绝缘性、高频介电性能、微波透过性好，适宜于电绝缘性、高频介电性能、微波透过性好，适宜
11、于电机仪表零件电机仪表零件、雷达罩雷达罩等。等。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的一般特性：聚合物基复合材料的一般特性： 耐腐蚀性能好：耐腐蚀性能好：耐海水、酸碱、盐和有机溶剂，适宜于耐海水、酸碱、盐和有机溶剂，适宜于化工机械零部件化工机械零部件、管道、贮槽、渔船管道、贮槽、渔船等。等。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的一般特性：聚合物基复合材料的一般特性： 热性能好：热性能好：导热系数低，是优良的绝热材料。耐烧蚀性能能保护飞行器重返大气层免受导热系数低，是优良的绝热材料。耐烧蚀性能能保护飞行器重返大气层免受20002000以上的高温、高速气流损
12、害。高性能复合材料可设计成热膨胀系数为以上的高温、高速气流损害。高性能复合材料可设计成热膨胀系数为零、能在高低温的交替中保持良好的尺寸稳定性材料。零、能在高低温的交替中保持良好的尺寸稳定性材料。 二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的一般特性：聚合物基复合材料的一般特性： 性能具有可设计性：性能具有可设计性： 性能除与纤维、树脂的种类及含量外，还与纤维的排列方向性能除与纤维、树脂的种类及含量外，还与纤维的排列方向、铺层次序和层数有关，因此可以优化设计，做到安全可靠，经、铺层次序和层数有关，因此可以优化设计，做到安全可靠，经济合理。济合理。 在制造复合材料的同时，也就得到了制
13、品，可一次成型。这在制造复合材料的同时，也就得到了制品，可一次成型。这一特点使得复合材料制品的零部件数目可明显减少，避免了接头一特点使得复合材料制品的零部件数目可明显减少，避免了接头过多，降低了应力集中。同时，也相应减轻了零部件的重量，减过多，降低了应力集中。同时，也相应减轻了零部件的重量，减少了制造工序和加工量，缩短加工周期，降低生产成本。少了制造工序和加工量，缩短加工周期，降低生产成本。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的一般特性：聚合物基复合材料的一般特性：界面结合性差，层间剪切强度低界面结合性差，层间剪切强度低 由于复合材料是由性能遽然不同的两种材料构成，因而界面
14、的相容性和结由于复合材料是由性能遽然不同的两种材料构成，因而界面的相容性和结合力差，使得复合材料的层间剪切强度、横向强度都不够理想。因此，常常要合力差，使得复合材料的层间剪切强度、横向强度都不够理想。因此，常常要对复合材料进行界面改性来提高复合材料的性能。对复合材料进行界面改性来提高复合材料的性能。 聚合物基复合材料也存在一些缺点和问题，如工艺稳定性较差，材料性能聚合物基复合材料也存在一些缺点和问题，如工艺稳定性较差，材料性能分散性大，耐高温和环境老化性不好等。分散性大，耐高温和环境老化性不好等。 也正是对复合材料存在的问题的研究解决，推动着也正是对复合材料存在的问题的研究解决，推动着复合材料
15、科学的发展。复合材料科学的发展。 二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料用于复合材料的用于复合材料的聚合物基体聚合物基体有多种分类方法，如按有多种分类方法，如按树树脂热行为脂热行为可分为可分为热塑性热塑性及及热固性热固性两类。两类。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的分类：聚合物基复合材料的分类：热塑性聚合物的形态特征热塑性聚合物的形态特征热塑性基体热塑性基体如如聚丙烯聚丙烯、聚酰胺聚酰胺、聚碳酸酯聚碳酸酯、聚醚砜聚醚砜、聚醚醚酮聚醚醚酮等，它们是一类等，它们是一类线形线形或或有支链有支链的固态高分子，的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。可溶可熔，可
16、反复加工成型而无任何化学变化。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的分类（基体）：聚合物基复合材料的分类（基体）：热固性聚合物的形态特征热固性聚合物的形态特征热热固固性性基基体体如如不不饱饱和和聚聚酯酯树树脂脂、环环氧氧树树脂脂、酚酚醛醛树树脂脂等等，它它们们在在制制成成最最终终产产品品前前，通通常常为为分分子子量量较较小小的的液液态态或或固固态态预预聚聚体体，经经加加热热或或加加固固化化剂剂发发生生化化学学反反应应固固化化后后，形形成成不不溶溶不不熔熔的的三三维维网网状状高高分分子子，这这类类基基体体通通常常是是无无定定形形的。的。二、聚合物基复合材料二、聚合物基复合材料聚合物基复合材料的分类（基体）：聚合物基复合材料的分类（基体）： 1. 1. 不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂 不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂是由饱和二元酸（或酸酐）、不饱和是由饱和二元酸（或酸酐）、不饱和二元酸（或酸酐）与多元醇缩聚而成的聚酯在乙烯基二元酸（或酸酐）与多元醇缩聚而成的聚酯在乙烯基单体（如苯乙烯）中形成的溶液。是制造玻璃纤维复单体（如苯乙烯）中形成的溶液。是制造玻璃纤维复合材料的一种重要
