复合材料的界面理论和界面控制课件

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1、国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4 4 复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制界面控制复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学本章要求本章要求4了解复合材料界面的基本概念和了解复合材料界面的基本概念和界面界面结合合类型型；4了解了解聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料的界聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料的界面特征、界面要求及界面控制面特征、界面要求及界面控制方法方法。4了解了解复合材料界面性能的表征方法。复合材料界面性能的表征方法。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国

2、防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4 复合材料的界面理论4.1 复合材料界面的基本概念4.2 界面结合类型和界面模型4.3 对界面的要求4.4 聚合物基复合材料的界面及优化4.5 金属基复合材料的界面及优化4.6 陶瓷基复合材料界面及优化4.7 复合材料界面性能的表征复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1 复合材料界面的基本概念4.1.1 界面定义4.1.2 润湿与结合4.1.3 复合材料中纤维与基体的界面相容性国防科技大学航天与材料工程学院复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控

3、制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.1 界面定义4.1.1.1 定义4.1.1.2 原子配位的概念4.1.1.3 复合材料中纤维与基体的界面复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.1.1 定义可以把任何两相（如纤维与基体）之间某种材料可以把任何两相（如纤维与基体）之间某种材料特性出现不连续性的区域叫做界面。特性出现不连续性的区域叫做界面。这种不连续性可能是陡变的，也可能是渐变的。这种不连续性可能是陡变的，也可能是渐变的。很显然，一个给定的界面，其所涉及的材料特性很显然，一个给定的界面，

4、其所涉及的材料特性不连续性可以是一个也可以是几个。不连续性可以是一个也可以是几个。一般，界面在本质上是一个两维区域。一般，界面在本质上是一个两维区域。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学元素的浓度（元素的浓度（concentration of an elementconcentration of an element）晶体结构（晶体结构（crystal structurecrystal structure）原子的配位（原子的配位（atomic registryatomic registry）弹性模量（弹性模量（ela

5、stic moduluselastic modulus）密度（密度（densitydensity）热膨胀系数（热膨胀系数（coefficient of thermal expansioncoefficient of thermal expansion）材料的特性包括：材料的特性包括：复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.1.2 原子配位的概念上述大多数物理、化学或力学的不连续性都能够上述大多数物理、化学或力学的不连续性都能够自释，而原子配位的概念还需要进一步详细说明。自释，而原子配位的概念还需要进一步详细说明。

6、根据界面处根据界面处原子配位的类型原子配位的类型，可以将界面分为：，可以将界面分为： 共格界面共格界面 半共格界面半共格界面 非共格界面非共格界面复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学共格界面共格界面定义定义：界面处的原子属于两部分晶体所界面处的原子属于两部分晶体所共有，即在界面两侧，原子位置之间存在共有，即在界面两侧，原子位置之间存在一一对应一一对应的的关系。如图关系。如图4-1(4-1(a a) )所示。所示。一般除一般除孪晶孪晶（twin）外，晶体之间很难出现这种理想外，晶体之间很难出现这种理想的原子配位（即界面

7、没有变形，界面能接近于零）。的原子配位（即界面没有变形，界面能接近于零）。共格界面的共格界面的界面能比较低界面能比较低。（1 1）共格界面）共格界面（coherentinterface）复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学在大多数情况下，界面两侧的晶格常数不相等在大多数情况下，界面两侧的晶格常数不相等（即（即a a aa ），共格界面处总是存在一定程度的弹），共格界面处总是存在一定程度的弹性变形。如图性变形。如图4-1(b)4-1(b)所示。所示。 （111） (a)(b)图图4-1共格界面的两种情况（共格界面的两种

8、情况（a）共格孪晶界面；（）共格孪晶界面；（b）一般共格界面）一般共格界面a a 一般共格界面一般共格界面共格孪晶界面共格孪晶界面复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学界面处原子只有一部分是一一对应的，而其余则是由界面处原子只有一部分是一一对应的，而其余则是由周期性出现的位错组成的。如图周期性出现的位错组成的。如图4-24-2所示。所示。 位错位错位错位错 原子配位区原子配位区原子配位区原子配位区原子配位区原子配位区图图4-2半共格界面半共格界面（2）半共格界面（）半共格界面（semi-coherentinterfac

9、e）复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学在在界界面面处处的的原原子子已已经经找找不不到到任任何何对对应应关关系系。一一般般，这这种种非非共共格格界界面面只只有有几几个个原原子子直直径径宽宽。在在此此区域，原子排列紊乱、不规则。区域，原子排列紊乱、不规则。 （3）非共格界面（）非共格界面（in-coherentinterface） 也也就就是是说说，非非共共格格界界面面处处的的原原子子排排列列与与相相邻邻晶晶体体 （和和 ）的的结结构构均均不不相相同同，与与相相邻邻晶晶粒粒结结构构也也可可能能不不相相同同。如图如图4-

10、34-3所示。所示。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.1.3 复合材料中纤维与基体的界面界面形貌界面形貌纤维与基体之间的界面是在制造过程中产生的；纤维与基体之间的界面是在制造过程中产生的；纤维与基体之间的界面是纤维与基体之间的界面是A- -粗糙界面粗糙界面（roughinterface)，而不是而不是B- -理想的平面界面。理想的平面界面。纤维纤维纤维纤维A界面界面B界面界面基体基体基体基体图图4-4复合材料中的界面复合材料中的界面A粗糙界面；粗糙界面；B理想平面界面理想平面界面复合材料的界面理论和复合材料

11、的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学在粗糙界面的情况下，通常是根据在粗糙界面的情况下，通常是根据润湿润湿（wettability)概念来研究纤维概念来研究纤维f与基体与基体m之间的紧之间的紧密接触。即密接触。即f-m之间的紧密接触取决于液体之间的紧密接触取决于液体m是否是否润湿纤维润湿纤维f。液体液体（基体）（基体）m固体固体（纤维）（纤维）f图图4-5粗糙界面时纤维与基体的接触粗糙界面时纤维与基体的接触复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.2 润湿与结合4.1

12、.2.1 润湿性4.1.2.2 润湿性与结合概念的区别复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.2.1 润湿性（1 1）润湿性的定义）润湿性的定义润湿性是用于描述液体在固体表面上自动润湿性是用于描述液体在固体表面上自动铺展程度的术语。铺展程度的术语。润湿性在促进结合或妨碍结合的机理方面润湿性在促进结合或妨碍结合的机理方面是最关键的概念。是最关键的概念。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2 2）润湿性的测量）润湿性的测量温度升高方向温度

13、升高方向950900100011001150图图4-7测量润湿性的滴球模型测量润湿性的滴球模型复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学润湿条件：润湿条件： ls+ lv sv即：即： 液液- -固表面能固表面能 + + 液液- -气表面能气表面能 固固- -气表面能气表面能只有当系统自由能产生净减少只有当系统自由能产生净减少(anetreduction)时，液滴才将铺展，并润湿固体表面。反之，则时，液滴才将铺展，并润湿固体表面。反之，则不会出现完全润湿。不会出现完全润湿。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课

14、件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学润湿条件：润湿条件：完全润湿时：完全润湿时： =0完全不润湿时：完全不润湿时： =180部分润湿时：部分润湿时：0 90图图4-8润湿条件示意图润湿条件示意图复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（3 3）影响润湿角大小的因素）影响润湿角大小的因素固体表面的固体表面的原始状态原始状态。如吸附气体、氧化膜等。如吸附气体、氧化膜等均使润湿角增大；均使润湿角增大；固体表面固体表面粗糙度粗糙度将影响润湿角；将影响润湿角；固相或液相的固相或液相的夹杂夹杂（包括人为的

15、）或相与相之（包括人为的）或相与相之间的间的化学反应所造成的产物化学反应所造成的产物都将影响润湿性都将影响润湿性（润湿剂）。（润湿剂）。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（4 4）润湿性的改善途径）润湿性的改善途径v 对纤维进行涂层对纤维进行涂层v 变更基体成份变更基体成份v 改变温度改变温度v 增加液体压力增加液体压力v 改变加工气氛改变加工气氛 复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学v 对纤维进行涂层对纤维进行涂层 涂层方法涂层方法：电

16、镀、化学镀、：电镀、化学镀、 化学气相沉积、热解等。化学气相沉积、热解等。涂层目的涂层目的：增大纤维的表面能：增大纤维的表面能 svsv实例实例：玻璃纤维的硅烷涂层；：玻璃纤维的硅烷涂层； 碳纤维的钛碳纤维的钛- -硼硼(Ti-B)涂层；涂层； 硼纤维的硼纤维的SiC、B4C涂层涂层 碳化硅纤维的热解碳涂层等。碳化硅纤维的热解碳涂层等。涂层涂层纤维纤维复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学v变更基体成份变更基体成份改变金属基体化学成份的方法是合金化。改变金属基体化学成份的方法是合金化。目的：使合金元素在界面上富集，降低

17、表面能目的：使合金元素在界面上富集，降低表面能 lsls，从而降低，从而降低接触角接触角（润湿角润湿角） 。160Zr1208040Cr0306090120时间（时间（min)图图4-6润湿角的降低与润湿角的降低与所加元素和熔化时间所加元素和熔化时间的关系的关系C/Cu复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学一般，提高温度可使润湿角减小。一般，提高温度可使润湿角减小。 如如C/Al系系，在，在10501050时，时， 才小于才小于9090。但是。但是, ,在此在此高温下，会产生：高温下，会产生：基体严重过热，铝氧化；基体

18、严重过热，铝氧化；C C与与AlAl发生化学反应在界面生成发生化学反应在界面生成AlAl4 4C C3 3, ,使界面脆化。导致复合使界面脆化。导致复合材料低应力断裂。材料低应力断裂。再如再如W/Cu系系，要在，要在14001400才润湿。而才润湿。而Cu的熔点为的熔点为10831083。Ta/Sn系系，在，在10001000润湿。润湿。Sn的熔点仅为的熔点仅为232232。v改变温度改变温度复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学所加外压必须克服毛细管压力所加外压必须克服毛细管压力Pc： Pc=4 lv(Vf/df)c

19、os 式中，式中，Vf 、df 分别为纤维体积分数和纤维直径。分别为纤维体积分数和纤维直径。可可见见，Vf / df 越越大大、 lv 越越大大，则则Pc 的的绝绝对对值值越越大大。但但是还要看是还要看coscos 的正、负。的正、负。 当当 9090，coscos 0 0，则则Pc为为正正值值。是是完完全全润润湿湿的的情况，液体金属可自动浸渗纤维束；情况，液体金属可自动浸渗纤维束； 当当 9090，coscos 0,0,则则Pc为为负负值值。是是不不润润湿湿的的情情况况，此时必须施加大于此时必须施加大于Pc的外力才能使液体渗入纤维束。的外力才能使液体渗入纤维束。v 增加液体压力增加液体压力复

20、合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 如果在固体或液体表面吸附某种气体，可以如果在固体或液体表面吸附某种气体，可以改变改变 sv sv 或或 lvlv（使表面张力降低）。（使表面张力降低）。 如在大气中含如在大气中含10%10%的的O2, ,可使银的可使银的表面张力表面张力从从1200erg/cm1200erg/cm2 2 降低至降低至400erg/cm400erg/cm2 2（3 3倍），此时，倍），此时，银很容易润湿用镍涂层的银很容易润湿用镍涂层的Al2O3晶须。晶须。要求：课后归纳改善润湿性的几种途径要求：课后归

21、纳改善润湿性的几种途径v 改变加工气氛改变加工气氛复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.2.2 润湿性与结合概念的区别良好的良好的结合结合意味着沿着整个界面形成均匀的、原意味着沿着整个界面形成均匀的、原子或分子水平的接触。其结合强度可以从弱的范子或分子水平的接触。其结合强度可以从弱的范德华力（德华力（VanderWaals）到强的共价键到强的共价键（covalentbond）。润湿性润湿性指的是固体、液体在分子水平上紧密接触指的是固体、液体在分子水平上紧密接触的可能程度。的可能程度。 润湿角低（润湿角低（909

22、090）则表明润湿性差。）则表明润湿性差。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.3 复合材料中纤维与基体的界面相容性4.1.3.1 界面的物理相容性4.1.3.2 界面的化学相容性复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学相容性的含义相容性的含义相容性相容性（compatibility）是指纤维与基体是否是指纤维与基体是否相互容纳。相互容纳。相容性包括：相容性包括：化学相容性化学相容性力学相容性力学相容性物理相容性物理相容性复合材料的界面理

23、论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.3.1 界面的物理相容性（physical compatibility）物理相容性主要指：物理相容性主要指：（1 1）纤维与基体间的润湿性纤维与基体间的润湿性基体对纤维润湿不好时，界面结合太弱，使其传递基体对纤维润湿不好时，界面结合太弱，使其传递载荷的功能不能充分发挥。载荷的功能不能充分发挥。（2 2）热残余应力热残余应力在制造过程，由于组元之间热膨胀系数不匹配引起在制造过程，由于组元之间热膨胀系数不匹配引起组元和界面残余应力组元和界面残余应力。它容易造成微裂纹和影响组。它容易造成微裂纹和

24、影响组元的承载能力，导致复合材料低应力断裂。但对于元的承载能力，导致复合材料低应力断裂。但对于陶瓷基复合材料来说，反而可能产生增韧效果。陶瓷基复合材料来说，反而可能产生增韧效果。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学界面残余应力产生原因：界面残余应力产生原因：制造过程中，由复合温度冷至室温，或使制造过程中，由复合温度冷至室温，或使用过程中，由室温升至高温，出现急冷或急热。用过程中，由室温升至高温，出现急冷或急热。当复合材料中各组元的热膨胀系数不同时，将当复合材料中各组元的热膨胀系数不同时，将产生残余内应力。产生残余内应

25、力。 表表4-1常用纤维及基体的热膨胀系数（常用纤维及基体的热膨胀系数（10-6/）：）：SiCAl2O3CBSi3N4AlMgTiNi4-68.3-16.33.624.525.8269.614.015.517.5复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学残余应力的符号残余应力的符号： z表示轴向应力；表示轴向应力； r表示径向应力；表示径向应力； 表示切向应力。表示切向应力。 z r 图图4-9单元体上的应力分量单元体上的应力分量复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工

26、程学院高性能复合材料学MatrixFiberABC复复合合材材料料制制备备过过程程应应力力重重新新分分布布示示意意图图（：高高温温下下，纤纤维维与与基基体体的的长长度度一一致致；：冷冷却却后后由由于于热热膨膨胀胀系系数数的的差差别别产产生生热热应应力力。当当基基体体的的膨膨胀胀系系数数大大于于纤纤维维的的膨膨胀胀系系数数时时，基基体体将将受受到到拉拉应应力力的的作用，而纤维将受到压应力的作用。）作用，而纤维将受到压应力的作用。）复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学引起基体变形引起基体变形 W/Cu系，系，110011

27、00浸渗，冷至室温后，界面附近的浸渗，冷至室温后，界面附近的CuCu基基体中位错密度增高。体中位错密度增高。Chawla和和Metzger认为是热应力造成基认为是热应力造成基体塑性变形而引起的。体塑性变形而引起的。Arsenault发现发现SiCw/Al系也有类似的情况。系也有类似的情况。造成纤维或基体预应力造成纤维或基体预应力 当当 fzfz mzmz时时( (常见于陶瓷基复合材料），由高温冷至室常见于陶瓷基复合材料），由高温冷至室温。界面附近基体中产生预压应力，使基体抵抗拉伸载荷下温。界面附近基体中产生预压应力，使基体抵抗拉伸载荷下开裂的能力增加。起增韧效果。开裂的能力增加。起增韧效果。热

28、应力的作用热应力的作用复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（1 1）复合材料中界面的重要性）复合材料中界面的重要性 在纤维增强复合材料的情况下，界面在纤维增强复合材料的情况下，界面, ,或或更精确地说更精确地说界面区域界面区域是由纤维与基体的表是由纤维与基体的表面层附近以及这些表面层之间的物质层所组成。面层附近以及这些表面层之间的物质层所组成。*纤维或基体附近的表面层是由于纤维纤维或基体附近的表面层是由于纤维基体元素相互基体元素相互溶解、扩散形成的，而溶解、扩散形成的，而过渡层过渡层是由于化学反应产物组成的。是由于化

29、学反应产物组成的。纤维纤维*纤维表面层纤维表面层过渡层过渡层*基体表面层基体表面层基体基体4.1.3.2 界面的化学相容性复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 在复合材料中界面之所以重要的理由是被在复合材料中界面之所以重要的理由是被界面所占有的内表面积十分大，在一个适当界面所占有的内表面积十分大，在一个适当体积分数的复合材料中界面面积可达体积分数的复合材料中界面面积可达: : 纤维复合材料：纤维体积分数纤维复合材料：纤维体积分数50%50%，直径，直径1010 m m，则界面面积，则界面面积2000 2000 cmc

30、m2 2/cm/cm3 3。 颗颗粒粒增增强强复复合合材材料料：颗颗粒粒体体积积分分数数50%50%，直直径径1 1 m m，则界面面积，则界面面积1500015000cmcm2 2/cm/cm3 3。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 化学成份参数化学成份参数 几何和尺寸参数几何和尺寸参数 微观结构和组织形态微观结构和组织形态 界面区出现的不同相的力学、物理、界面区出现的不同相的力学、物理、化学和热学特性参数化学和热学特性参数 (2)(2)表征界面的参数表征界面的参数复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控

31、制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学良好的化学相容性良好的化学相容性是指在高温时复合材料两相处是指在高温时复合材料两相处于热力学平衡，以及两相反应动力学十分缓慢。于热力学平衡，以及两相反应动力学十分缓慢。除除共晶复合材料共晶复合材料和和原位生长复合材料原位生长复合材料外，一般复外，一般复合材料都很难找到热力学平衡体系。合材料都很难找到热力学平衡体系。在选择组元时，只能根据组元在孤立情况下的力在选择组元时，只能根据组元在孤立情况下的力学和物理性能来选择。当把两组元放在一起形成复学和物理性能来选择。当把两组元放在一起形成复合材料时，由于合材料时，由于热力学不平衡热力

32、学不平衡，通常存在一个，通常存在一个驱动驱动力力，促使两组元发生某种，促使两组元发生某种反应反应，导致体系达到热力，导致体系达到热力学平衡状态。学平衡状态。(3) (3) 界面处的相互作用界面处的相互作用复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学在确定复合材料界面最终的平衡状态时，可在确定复合材料界面最终的平衡状态时，可以查阅两组元（或三组元）的以查阅两组元（或三组元）的相图相图。有关反应动力学的技术资料，例如一个组元有关反应动力学的技术资料，例如一个组元在另一个组元中的在另一个组元中的扩散系数扩散系数，可以提供关于系，可

33、以提供关于系统达到一种平衡状态和过程方面的信息。统达到一种平衡状态和过程方面的信息。为了确定组元的化学相容性，在热力学和动为了确定组元的化学相容性，在热力学和动力学数据方面，还必须做许多实验研究。力学数据方面，还必须做许多实验研究。热力学和动力学对热力学和动力学对界面相互作用研究的重要性界面相互作用研究的重要性复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.2 界面模型和界面类型4.2.1 界面结合类型4.2.2 MMC中的界面4.2.3 界面模型复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大

34、学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.2.1 界面结合类型4.2.1.1 机械结合4.2.1.2 溶解与润湿结合4.2.1.3 反应结合4.2.1.4 交换反应结合4.2.1.5 氧化物结合4.2.1.6 混合结合复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学学习界面模型的学习界面模型的目的目的是最终能够控制基体是最终能够控制基体与增强体之间的结合程度，从而做到控制与增强体之间的结合程度，从而做到控制界面。界面。界面结合类型简单分为界面结合类型简单分为机械结合机械结合和和化学结化学结合合两类。化学结合又分为：两类。化学结合又

35、分为：溶解与润湿结溶解与润湿结合合和和反应结合反应结合。学习界面模型的目的和界面分类学习界面模型的目的和界面分类复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(a)机械结合机械结合(b)溶解与溶解与润湿结合润湿结合(c)反应结合反应结合界面结合主要类型界面结合主要类型MFMFMMFxF图图4-12 4-12 复合材料界面结合的主要类型复合材料界面结合的主要类型复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(1)(1)定义定义 基基体体与与增增强强体体之之间间没

36、没有有任任何何化化学学作作用用，而而依依靠靠纯纯粹粹的的粗粗糙糙表表面面相相互互嵌嵌入入（互互锁锁）作作用用进进行行连连接接，称称为为机机械械结结合合或或机机械械互互锁锁(mechanicalinterlocking) )。 4.2.1.1 机械结合(mechanical bonding)复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(a)(a)纤维的表面粗糙度大，有助于基体的嵌合；纤维的表面粗糙度大，有助于基体的嵌合；(b)(b)基体的收缩性大，有助于对纤维扣紧。基体的收缩性大，有助于对纤维扣紧。 纤维纤维基体基体表面粗糙表

37、面粗糙纤维纤维基体基体基体收缩基体收缩(a)(b)图图4-13有助于机械互锁的因素有助于机械互锁的因素有助于机械互锁的因素有助于机械互锁的因素：复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学硼纤维硼纤维/ /铝铝用用CVD方法生产的硼纤维，表面是玉米穗方法生产的硼纤维，表面是玉米穗(corncob)结构，与金属铝箔固态复合时，由于基体软，压结构，与金属铝箔固态复合时，由于基体软，压紧后填充硼纤维表面，形成机械结合。在这种情况下，不一紧后填充硼纤维表面，形成机械结合。在这种情况下，不一定需要润湿或冶金学结合。定需要润湿或冶金学结

38、合。W/Al实验研究证明，对光滑实验研究证明，对光滑W丝进行腐蚀，使表面粗丝进行腐蚀，使表面粗糙，再涂覆石墨以防与铝反应，真空渗铝得到的糙，再涂覆石墨以防与铝反应，真空渗铝得到的W/Al 复合复合材料，具有机械结合界面。其纵向强度高（达到混合物定则材料，具有机械结合界面。其纵向强度高（达到混合物定则的的91%91%）。从拉伸后的复合材料中萃取的）。从拉伸后的复合材料中萃取的W W纤维上出现许多颈纤维上出现许多颈缩缩(necking)，表明机械互锁对承受纵向拉伸载荷很有效。，表明机械互锁对承受纵向拉伸载荷很有效。（2 2）机械结合的效果）机械结合的效果复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面

39、控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学事实上，纯粹的机械结合（即无任何化学作用）事实上，纯粹的机械结合（即无任何化学作用）是不存在的。基体与增强体之间总会有弱的范德是不存在的。基体与增强体之间总会有弱的范德华力存在，故机械结合更确切地讲是机械结合占华力存在，故机械结合更确切地讲是机械结合占优势的结合。优势的结合。而且大多数情况下，机械结合与反而且大多数情况下，机械结合与反应结合并存，是一种混合结合应结合并存，是一种混合结合。另外，机械结合只有当另外，机械结合只有当平行于界面施力平行于界面施力时，其载时，其载荷传递才是有效的。荷传递才是有效的。陶瓷基复合材料中的界

40、面，以机械结合为主。陶瓷基复合材料中的界面，以机械结合为主。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（1 1）定义）定义 基体与增强体之间首先发生润湿，然后相互溶解，基体与增强体之间首先发生润湿，然后相互溶解，形成的结合方式称为溶解与润湿结合。形成的结合方式称为溶解与润湿结合。v但溶解是次要的，因为在高温下的扩散时间很短。但溶解是次要的，因为在高温下的扩散时间很短。v组元间的相互作用出现在电子等级上，即短程范围，组元间的相互作用出现在电子等级上，即短程范围，这意味着这些组元将进入这意味着这些组元将进入原子尺度原子尺度的紧

41、密接触。的紧密接触。4.2.1.2 溶解与润湿结合(dissolution and wettability bonding)复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2 2）溶解与润湿结合的要求）溶解与润湿结合的要求为了达到润湿，纤维表面应当作适当处理，以便：为了达到润湿，纤维表面应当作适当处理，以便：v除去污染、吸附的气体、表面膜；除去污染、吸附的气体、表面膜；v形成表面润湿层、阻挡层；形成表面润湿层、阻挡层；v形成利于机械结合的粗糙表面。形成利于机械结合的粗糙表面。 复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课

42、件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学纤维保持新鲜表面纤维保持新鲜表面处理方法处理方法纤维涂层纤维涂层表面氧化处理表面氧化处理气泡气泡污染污染表面膜表面膜图图4-14纤维表面处理的原因和方法纤维表面处理的原因和方法复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（1 1）定义定义 基体与纤维间发生化学作用，在界基体与纤维间发生化学作用，在界面上形成一种新的化合物而产生的结合面上形成一种新的化合物而产生的结合称为反应结合。称为反应结合。 这是一种最复杂、最重要的结合方式。这是一种最复杂、最重要的结合方式。

43、4.2.1.3 反应结合(reaction bonding)复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2 2）反应结合的本质）反应结合的本质 反应结合受扩散控制，原子需要扩散到反应地反应结合受扩散控制，原子需要扩散到反应地点才能进行反应。点才能进行反应。 不能将基体与纤维产生反应一概称为反应结合，不能将基体与纤维产生反应一概称为反应结合，只有反应后能产生界面结合者才是反应结合，如只有反应后能产生界面结合者才是反应结合，如果反应后界面产生大量脆性化合物，造成界面弱果反应后界面产生大量脆性化合物，造成界面弱化，则不能称为反应

44、结合。化，则不能称为反应结合。 要实现良好的反应结合，必须选择最佳工艺参要实现良好的反应结合，必须选择最佳工艺参数（温度、压力、时间、气氛等）来控制界面反数（温度、压力、时间、气氛等）来控制界面反应的程度。应的程度。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学采用硅烷（采用硅烷（R-SiX3R-SiX3）偶联剂（）偶联剂（silanes silanes coupling agentscoupling agents）, ,在聚合物基复合材料的在聚合物基复合材料的界面理论中，称为化学键理论，是最著名、最界面理论中，称为化学键理论

45、，是最著名、最重要的界面理论。重要的界面理论。（3 3）反应结合的例子）反应结合的例子例例1 1：玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂：玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学化学键理论化学键理论偶联剂含有至少偶联剂含有至少两个化学官能团两个化学官能团，在理论上，在理论上，一种官能团能与玻璃纤维上的硅烷醇基团反应，一种官能团能与玻璃纤维上的硅烷醇基团反应，并由共价键在玻璃上形成附着物；并由共价键在玻璃上形成附着物；另一个官能团固化时在理论上可与树脂基体互另一个官能团固化时在理论上可与树脂基体互起反应。起反

46、应。假定发生这一切，则偶联剂可起媒介作用，以假定发生这一切，则偶联剂可起媒介作用，以主价键将玻璃和树脂连接起来。能够在理论上主价键将玻璃和树脂连接起来。能够在理论上获得最强的界面粘接。界面强度达获得最强的界面粘接。界面强度达(50-(50-100)kcal/mol100)kcal/mol。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 (a)(a)有机硅烷水解有机硅烷水解，生成三元羟基硅醇。，生成三元羟基硅醇。RRX-Si-XHO-Si-OH+3HXXOH (b) (b)玻璃纤维表面吸水，生成羟基基团。玻璃纤维表面吸水，生成羟

47、基基团。OHOH-Si-O-Si-O-化学键理论（偶联剂）作用原理化学键理论（偶联剂）作用原理 ：复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(c)(c)硅醇与吸水的玻璃纤维表面反应硅醇与吸水的玻璃纤维表面反应 又分为三个步骤：又分为三个步骤：第一步：先生成氢键；第一步：先生成氢键；第二步：水分蒸发，硅醇间进行醚化反应；第二步：水分蒸发，硅醇间进行醚化反应；第三步：高温干燥，硅醇与吸水玻璃之间发生第三步：高温干燥，硅醇与吸水玻璃之间发生醚化反应。醚化反应。 反应式见下页图。反应式见下页图。化学键理论（偶联剂）作用原理化学键理

48、论（偶联剂）作用原理复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学第一步：第一步：第二步：第二步：第三步：第三步：RHRRRRRHO-Si-OO-Si-OH-O-Si-O-Si-O-O-Si-O-Si-O-OHO-H2OOO-H2OHHHHHHHHOOOOOOSiOSiOSiOSiSiOSiO玻玻璃璃纤纤维维基基体体第一步：生第一步：生成氢键成氢键第二步：水分蒸第二步：水分蒸发，硅醇醚化反发，硅醇醚化反应。应。第三步：高温干第三步：高温干燥，与吸水玻璃燥，与吸水玻璃纤维发生醚化反纤维发生醚化反应。应。图图4-15硅醇与玻璃表面

49、的反应式硅醇与玻璃表面的反应式复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学化学键理论（偶联剂）作用原理化学键理论（偶联剂）作用原理有机硅烷（有机硅烷（R-SiX3）通过）通过X基团的上述一系列基团的上述一系列反应与玻璃纤维表面结合；反应与玻璃纤维表面结合；有机硅烷（有机硅烷（R-SiX3）中的）中的R基团将与树脂反应；基团将与树脂反应；玻璃纤维表面性质变为憎水和亲基体。玻璃纤维表面性质变为憎水和亲基体。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学( (a)

50、a)有机硅烷中的有机硅烷中的X X基团较多使用：基团较多使用：甲氧基甲氧基(OCH(OCH3 3) )乙氧基乙氧基(-OC(-OC2 2H H5 5) )甲氧乙氧基甲氧乙氧基(-OC(-OC2 2H H5 5OCHOCH3 3) )优点：水解缓慢，生成甲醇无腐蚀性，硅醇稳优点：水解缓慢，生成甲醇无腐蚀性，硅醇稳定，反应时可有水介质。定，反应时可有水介质。常用有机硅烷及其优点常用有机硅烷及其优点复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(b)(b)有机硅烷中的有机硅烷中的R R基团较多使用：基团较多使用：环氧基（环氧基（CH

51、2-CH-）适合于环氧、聚酯和酚醛树脂）适合于环氧、聚酯和酚醛树脂O乙烯基乙烯基(CH2=CH-)O甲基丙烯酰基甲基丙烯酰基(CH2=C-C-O-)适合于聚酯、丙烯酸树脂适合于聚酯、丙烯酸树脂CH3胺基胺基(NH2-(CH2)3-)有机络合物，如甲基丙烯酸氯化铬盐（即沃蓝）有机络合物，如甲基丙烯酸氯化铬盐（即沃蓝）复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学例例2 2：碳纤维的表面处理：碳纤维的表面处理(a)(a)氧化法（包括液相法和气相法）氧化法（包括液相法和气相法）硝酸氧化法硝酸氧化法：用硝酸（浓度：用硝酸（浓度60%6

52、0%），于），于120/24120/24h煮煮沸，洗去残液即可，能够提高层间剪切强度沸，洗去残液即可，能够提高层间剪切强度1 1倍，倍，但拉伸强度略降。但拉伸强度略降。次氯酸钠氧化法次氯酸钠氧化法：浓度为：浓度为10%10%或或20%20%，pH值值= =5.55.5时，时，次氯酸钠水溶液次氯酸钠水溶液与与醋酸反应醋酸反应 生成次氯酸。生成次氯酸。空气氧化法空气氧化法：400/1400/1h对于对于HT碳纤维；碳纤维； 600/600/（3 34 4）h对于对于HM碳纤维碳纤维复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(b

53、)(b)表面晶须化法表面晶须化法 碳纤维通过温度为（碳纤维通过温度为（1100-17001100-1700）的晶须生的晶须生长炉，沉积上长炉，沉积上 - -SiCSiC晶须，改变晶须的表面形状、晶须，改变晶须的表面形状、面积和活性，可提高与基体的粘接力。面积和活性，可提高与基体的粘接力。 晶须含量越高，层间剪切强度提高得越多，晶须含量越高，层间剪切强度提高得越多，表面晶须含量为表面晶须含量为64%64%时，层间剪切强度达时，层间剪切强度达1414. .3 3GPaGPa。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(c)(c

54、)蒸汽沉积法蒸汽沉积法在在10001000条件下裂解乙炔或甲烷，所生成的碳条件下裂解乙炔或甲烷，所生成的碳沉积到碳纤维上，其活性大，并与树脂润湿。沉积到碳纤维上，其活性大，并与树脂润湿。能显著提高层剪强度。能显著提高层剪强度。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学蒸汽类型蒸汽类型拉伸强度变化率拉伸强度变化率层间剪切强度变化率层间剪切强度变化率SiC-5%+60%FeC-10%+80%CH4-5%+100%表表4-2 4-2 蒸汽沉积法处理后，对碳纤维增强树脂性能的影响蒸汽沉积法处理后，对碳纤维增强树脂性能的影响复合材料

55、的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(d)(d)溶液还原法与净化法溶液还原法与净化法首先使碳纤维通过处理液并干燥，第二步加热使首先使碳纤维通过处理液并干燥，第二步加热使沉积在碳纤维上的物质分解，其产物与惰性碳纤沉积在碳纤维上的物质分解，其产物与惰性碳纤维表面起还原反应。生成活性较高的碳，从而易维表面起还原反应。生成活性较高的碳，从而易与树脂反应。与树脂反应。处理液：三氯化铁液处理液：三氯化铁液 （1-51-5）% %苯溶液或水溶液苯溶液或水溶液 净化法处理液：净化法处理液：10%10%硫酸硫酸复合材料的界面理论和复合材料的界

56、面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学溶液种类溶液种类拉伸强度变化率拉伸强度变化率层剪强度变化率层剪强度变化率Fe(C2H5)2+(1-3)%甲苯甲苯+28%+80%FeCl3+(1-5)%苯（水）苯（水）-7%+100%苯代聚对二氯萘（苯代聚对二氯萘（PPQ)0%+170%+0.1%氯仿氯仿表表4-3 4-3 溶液还原与净化法处理后，对碳纤维增强树脂性溶液还原与净化法处理后，对碳纤维增强树脂性 能的影响能的影响复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(e)(e)偶联剂的化学涂

57、层偶联剂的化学涂层玻璃纤维的偶联剂对碳纤维不适用，而采用钛酸玻璃纤维的偶联剂对碳纤维不适用，而采用钛酸酯涂层碳纤维，或聚二氯二甲基硅烷涂层后再在酯涂层碳纤维，或聚二氯二甲基硅烷涂层后再在10001000惰性气体中惰性气体中6 6h h，此种碳纤维可以复合环氧。，此种碳纤维可以复合环氧。涂层可以是酚醛树脂、糠醇树脂、环氧、聚乙烯涂层可以是酚醛树脂、糠醇树脂、环氧、聚乙烯醇和聚酰亚胺。用量为纤维的（醇和聚酰亚胺。用量为纤维的（1 12 2）% %，流散性，流散性好，能填平表面孔穴和缝隙。好，能填平表面孔穴和缝隙。(f)(f)电沉积与电聚合法电沉积与电聚合法自学自学复合材料的界面理论和复合材料的界面

58、理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学例例3 3 金属基复合材料的界面金属基复合材料的界面元素浓度曲线元素浓度曲线固溶体固溶体金属间化合物金属间化合物固溶体固溶体MinterfaceF图图4-16金属基复合材料的界面金属基复合材料的界面金属基复合材料界面金属基复合材料界面层包括固溶体层包括固溶体和金属和金属间化合物间化合物复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 反应产物与反应速率一样，都取决于基体化学成反应产物与反应速率一样，都取决于基体化学成份、反应时间和温度。一般公式为：份

59、、反应时间和温度。一般公式为： x2=D t式中，式中，x是界面反应层厚度（即扩散距离）；是界面反应层厚度（即扩散距离）； D是扩散系数，是扩散系数，D =A exp-Q /(kT) ; ; t为时间；为时间； Q是激活能；是激活能； k是玻尔兹曼常数；是玻尔兹曼常数； T是绝对温度；是绝对温度； A是预指数（常数），是预指数（常数），A与基体合金的成份、纤维和气氛有关与基体合金的成份、纤维和气氛有关（4 4）反应结合需考虑反应动力学）反应结合需考虑反应动力学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图图4-17 4-17

60、 金属基复合材料的另外三种界面结合金属基复合材料的另外三种界面结合混合结合（反混合结合（反应结合加机械应结合加机械结合）结合）氧化物结合氧化物结合交换反应结合交换反应结合MOxFM(A,B)AFx复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 (1)(1)定义定义 当增强体或基体含有两种或两种以上元素当增强体或基体含有两种或两种以上元素时，除发生界面反应外，在增强物、基体与反时，除发生界面反应外，在增强物、基体与反应产物之间还会发生应产物之间还会发生元素交换元素交换，所产生的结合，所产生的结合称为交换反应结合。称为交换反应结合

61、。4.2.1.4 交换反应结合(exchange reaction bond)复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(2)(2)交换反应结合的例子交换反应结合的例子B纤维纤维/ /钛合金（钛合金（Ti-8Al-1V-1Mo）首先发生反应如下：首先发生反应如下： Ti(Al)+B(TiAl)B2再交换反应：再交换反应： (TiAl)B2+TiTiB2+Ti(Al)用电子探针分析证实了界面反应最终产物是用电子探针分析证实了界面反应最终产物是TiB2。产生交换反应的原因是。产生交换反应的原因是Ti- -B的亲和力大于的亲和力

62、大于Al-B的亲和力。的亲和力。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学距中心距离距中心距离特特征征x射射线线强强度度B纤维纤维TiB2Ti(Al,V,Mo)TiAl界面附近含界面附近含14%Al，是交换反，是交换反应排除的应排除的。基体中仅基体中仅含含8%Al无铝无铝图图4-18 4-18 反应带电子探针分析结果反应带电子探针分析结果复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.2.1.5 氧化物结合(oxide bond )（1 1）定义）定义

63、当采用氧化物增强体时，氧化物与当采用氧化物增强体时，氧化物与基体间发生反应生成基体间发生反应生成另一种另一种氧化物，所氧化物，所产生的结合称为氧化物结合。产生的结合称为氧化物结合。（2 2）例子：）例子：AlAl2 2O O3 3/Ni/Ni系、系、AlAl2 2O O3 3/Cu/Cu系、系、SiOSiO2 2/Al/Al系。系。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 氧化物增强体与基体反应与否，取决氧化物增强体与基体反应与否，取决于基体的氧化物形成自由能：于基体的氧化物形成自由能：当基体金属元素的氧化物形成自由能比

64、氧当基体金属元素的氧化物形成自由能比氧化物增强体的自由能更负时，则易在界面化物增强体的自由能更负时，则易在界面反应生成氧化物；反应生成氧化物；反之，则要看气氛中氧的来源情况。反之，则要看气氛中氧的来源情况。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学Al2 2O O3 3/Ni系的研究结果当反应产物厚度小于当反应产物厚度小于50005000nmnm时，产生氧化物结合；时，产生氧化物结合；当超过此厚度时，纤维会被损伤；当超过此厚度时，纤维会被损伤；当基体金属中含有合金元素（如当基体金属中含有合金元素（如TiTi、ZrZr）时，

65、）时， 其其氧化物形成自由能比氧化物增强体的自由能更负，氧化物形成自由能比氧化物增强体的自由能更负，TiTi、ZrZr会夺取会夺取AlAl2 2O O3 3中的氧而生成中的氧而生成TiOTiO2 2和和ZrOZrO2 2，也，也会损伤纤维；会损伤纤维；当空气中有氧存在时，会生成尖晶石当空气中有氧存在时，会生成尖晶石(spinel(spinel）NiAlNiAl2 2O O4 4。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.2.1.6 混合结合（mixed bond）（1 1）定义）定义 当基体氧化膜逐渐破坏时，会从非化当

66、基体氧化膜逐渐破坏时，会从非化学结合向化学结合过渡，过渡中，既有机学结合向化学结合过渡，过渡中，既有机械结合又有化学结合，称为混合结合。械结合又有化学结合，称为混合结合。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2 2）例子）例子 B(25vol%)/Al(6061)B(25vol%)/Al(6061)复合材料复合材料 在在550550加热不同时间后的拉伸强度加热不同时间后的拉伸强度 b b 随时间增随时间增长而减少：长而减少： 593MPa(593MPa(550550/ /0.5h0.5h) );524MPa(;524

67、MPa(550550/ /5h5h);); 442MPa( 442MPa(550550/ /12h12h);317MPa();317MPa(550550/ /165h165h) )。表明随着时间延续，表明随着时间延续，AlAl的氧化膜逐渐破坏，的氧化膜逐渐破坏，B B、AlAl之间的反应加剧，出现反应结合与机械结合并之间的反应加剧，出现反应结合与机械结合并存的结合。存的结合。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.2.2 MMC中的界面4.2.2.1 金属基复合材料中界面的特殊性4.2.2.2 对W/Cu复合材料界面

68、的研究复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.2.2.1 金属基复合材料中界面的特殊性根据金属基复合材料的主要界面结合类型，又将根据金属基复合材料的主要界面结合类型，又将界面划分成三种类型：界面划分成三种类型：型界面型界面：既不溶解也不反应（包括机械结合：既不溶解也不反应（包括机械结合和氧化物结合）；和氧化物结合）；型界面型界面：可以溶解，但不反应（包括溶解与：可以溶解，但不反应（包括溶解与润湿结合）；润湿结合）；型界面型界面：发生反应并形成化合物（包括反应：发生反应并形成化合物（包括反应结合、交换反应结合和混合结合

69、）。结合、交换反应结合和混合结合）。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 表表4-4 4-4 金属基复合材料体系的界面类型金属基复合材料体系的界面类型界面类型界面类型 体体 系系 型型C/Cu,W/Cu,Al2O3/Cu,Al2O3/Ag,B(BN)/AlB/Al*,SiC/Al*,不锈钢不锈钢/Al*型型W/Cu(Cr),W/Nb,C/Ni,V/Ni*,共晶体共晶体*型型W/Cu(Ti),C/Al(1000),Al2O3/Ti,B/Ti,SiC/Ti,Al2O3/Ni,SiO2/Al,B/Ni,B/Fe,B/不锈钢

70、不锈钢注：注：* * 表示伪表示伪类界面；类界面； * * 该体系在低温下生成该体系在低温下生成Ni4V； * 当两组元溶解度极低时划为当两组元溶解度极低时划为类。类。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学伪伪类类(pseudo-classsystem)界面的含义：界面的含义：热力学指出，两组分之间应有化学反应；热力学指出，两组分之间应有化学反应；氧化膜阻止反应进行；氧化膜阻止反应进行；反应能否进行，取决于氧化膜的完整程度；反应能否进行，取决于氧化膜的完整程度；工艺上宜采用固态法（如热压、粉末冶金、扩工艺上宜采用固态法

71、（如热压、粉末冶金、扩散结合），而不宜采用液态浸渗法。散结合），而不宜采用液态浸渗法。以上金属基复合材料界面的划分并无严格界线；以上金属基复合材料界面的划分并无严格界线；伪伪类的情况也不是绝对的，如类的情况也不是绝对的，如SiC/Al系。系。 复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.2.2.2 对W/Cu复合材料界面的研究PetrasekPetrasek和和WeetonWeeton对对W/CuW/Cu复合材料界面的研究复合材料界面的研究（19641964），分为），分为4 4种情况：种情况： 1 1）W/W/纯纯Cu

72、Cu系：在系：在W W丝周围既不溶解也无反应；丝周围既不溶解也无反应；2 2）W/Cu(CoW/Cu(Co、AlAl、Ni)Ni)系：发现系：发现W W丝外表面晶粒丝外表面晶粒因再结晶而粗大，这是由于基体中的合金元因再结晶而粗大，这是由于基体中的合金元素（素（CoCo、AlAl、NiNi）向）向W W丝中扩散导致其再结晶丝中扩散导致其再结晶温度下降的缘故，结果使温度下降的缘故，结果使W W丝变脆；丝变脆；复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学3 3）W/Cu(CrW/Cu(Cr、Nb)Nb)系：发现合金元素向系：发现合

73、金元素向W W丝中扩丝中扩散、溶解和合金化，形成散、溶解和合金化，形成W(CrW(Cr、Nb)Nb)固溶体。固溶体。此种情况对复合材料性能影响不大；此种情况对复合材料性能影响不大；4 4）W/Cu(TiW/Cu(Ti、Zr)Zr)系：系：W W与与TiTi、W W与与ZrZr发生反应，发生反应，并形成化合物。使复合材料强度和塑性下降。并形成化合物。使复合材料强度和塑性下降。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.2.3 界面模型4.2.3.1 早期对界面的看法4.2.3.2 型复合材料的界面模型4.2.3.3 、型复

74、合材料的界面模型复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.2.3.1 早期对界面的看法早期早期复合材料界面的看法：复合材料界面的看法：界面处无反应、无界面处无反应、无溶解，界面厚度为零；复合材料性能与界面无关；溶解，界面厚度为零；复合材料性能与界面无关；稍后稍后则假设则假设界面强度大于基体界面强度大于基体，因而基体产生，因而基体产生的塑性流动将使纤维至纤维的载荷传递受到限制，的塑性流动将使纤维至纤维的载荷传递受到限制，这是所谓的这是所谓的强界面理论强界面理论。它认为：基体最弱，复。它认为：基体最弱，复合材料强度取决于基

75、体强度。合材料强度取决于基体强度。预测复合材料力学性能的混合物定律预测复合材料力学性能的混合物定律（ROM）是根据强界面理论导出的。是根据强界面理论导出的。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.2.3.2 型复合材料的界面模型 Cooper Cooper和和Kelly(1968)Kelly(1968)确定确定型界面：型界面：有机械互锁存在，且此界面性能与增强体和基有机械互锁存在，且此界面性能与增强体和基体均不相同；体均不相同；复合材料性能受界面性能的影响，影响程度要复合材料性能受界面性能的影响，影响程度要看界面性能

76、与基体、纤维性能的差异大小；看界面性能与基体、纤维性能的差异大小； 型界面模型包括机械结合和氧化物结合两种型界面模型包括机械结合和氧化物结合两种界面类型。界面类型。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 图图4-194-19型界面控制复合材料性能的因素型界面控制复合材料性能的因素界面界面iiii型界面控制复合材料性能的因素有两类，即型界面控制复合材料性能的因素有两类，即界面拉界面拉强度（强度（ i ）和）和界面剪切强度（界面剪切强度（ i ）。）。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学

77、技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学型界面控制复合材料性能的因素型界面控制复合材料性能的因素受界面拉伸强度受界面拉伸强度 i 控制的复合材料性能包括：控制的复合材料性能包括：横向强度、压缩强度以及断裂能量；横向强度、压缩强度以及断裂能量；受界面剪切强度受界面剪切强度 i 控制的复合材料性能包括：控制的复合材料性能包括：纤维临界长度纤维临界长度 l lc c（或称载荷传递长度）；纤维（或称载荷传递长度）；纤维拔出情况下的断裂功以及断裂时基体的变形。拔出情况下的断裂功以及断裂时基体的变形。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能

78、复合材料学4.2.3.3 、型复合材料的界面模型（）概述（）概述认为界面是具有不同性能的、有一定厚度的界认为界面是具有不同性能的、有一定厚度的界面带，界面带可能是由于元素扩散、溶解造成，面带，界面带可能是由于元素扩散、溶解造成，也可能是反应造成。也可能是反应造成。不论不论型或型或型界面，都对复合材料性能有显型界面，都对复合材料性能有显著影响。著影响。如如B/TiB/Ti复合材料界面属于复合材料界面属于型，其型，其横向破坏是典型的界面破坏，并在纤维一侧的横向破坏是典型的界面破坏，并在纤维一侧的界面处断裂。界面处断裂。 复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大

79、学航天与材料工程学院高性能复合材料学图图4-20 4-20 、型界面控制复合材料性能的因素型界面控制复合材料性能的因素M反应带反应带F im if im if m r f f r m基体拉伸强度基体拉伸强度反应物拉伸强度反应物拉伸强度纤维拉伸强度纤维拉伸强度基体基体/反应物界面反应物界面拉伸强度拉伸强度纤维纤维/反应物界面反应物界面拉伸强度拉伸强度纤维纤维/反应物界面反应物界面剪切强度剪切强度基体基体/反应物界面反应物界面剪切强度剪切强度基体剪切强度基体剪切强度反应物剪切强度反应物剪切强度纤维剪切强度纤维剪切强度复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航

80、天与材料工程学院高性能复合材料学 m m基体拉伸强度；基体拉伸强度； f f 纤维拉伸强度；纤维拉伸强度； r r 反应物拉伸强度；反应物拉伸强度； imim基体反应物界面拉伸强度；基体反应物界面拉伸强度； ifif 纤维反应物界面拉伸强度；纤维反应物界面拉伸强度； m m 基体剪切强度；基体剪切强度； f f 纤维剪切强度；纤维剪切强度； r r 反应物剪切强度；反应物剪切强度； imim基体反应物界面剪切强度；基体反应物界面剪切强度； ifif 纤维反应界面剪切强度。纤维反应界面剪切强度。、类界面控制的复合材料类界面控制的复合材料1010类性能：类性能：复合材料的界面理论和复合材料的界面理

81、论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学反应物的强度、弹性模量与基体和纤维的很反应物的强度、弹性模量与基体和纤维的很不相同。不相同。反应物的断裂应变一般小于纤维的断裂应变，反应物的断裂应变一般小于纤维的断裂应变，因此，反应物中常会先出现裂纹。因此，反应物中常会先出现裂纹。 裂纹的来源有二种：裂纹的来源有二种：(a)(a)在反应物生长过程中产生的裂纹（即反应物在反应物生长过程中产生的裂纹（即反应物固有裂纹）；固有裂纹）；(b)(b)在拉伸过程中产生的裂纹。在拉伸过程中产生的裂纹。（）反应物拉伸强度（）反应物拉伸强度 r r 复合材料的界面理论和复合材料的界面

82、理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学少量反应少量反应（反应物厚度小于（反应物厚度小于500nm500nm）时，裂纹长度小，反应时，裂纹长度小，反应层断裂所引起的应力集中小于纤维固有裂纹所引起的应力集层断裂所引起的应力集中小于纤维固有裂纹所引起的应力集中，所以，中，所以，纤维中的裂纹纤维中的裂纹控制复合材料的强度。控制复合材料的强度。中等反应中等反应（反应物厚度（反应物厚度500500000nm000nm）时，时，反应带中的裂反应带中的裂纹开始控制纹开始控制复合材料强度，纤维在一定应变量后发生破坏。复合材料强度，纤维在一定应变量后发生破坏。大量反应大量

83、反应（反应物厚度（反应物厚度100010002000nm2000nm）时，反应带中的裂时，反应带中的裂纹会导致纤维立即破坏。复合材料的性能主要由纹会导致纤维立即破坏。复合材料的性能主要由反应带中的反应带中的裂纹裂纹所控制。所控制。 （）反应物裂纹的长度（一般等于反应物厚度）（）反应物裂纹的长度（一般等于反应物厚度）对复合材料性能的影响对复合材料性能的影响复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 由上述研究结果可见，在由上述研究结果可见，在、型界面的复型界面的复合材料中，反应带裂纹是否对复合材料性能产生合材料中，反应带裂纹

84、是否对复合材料性能产生影响，有一个影响，有一个临界厚度临界厚度问题：问题：高于此临界厚度高于此临界厚度，反应带裂纹将导致复合材料性，反应带裂纹将导致复合材料性能下降；能下降；低于此临界厚度低于此临界厚度，复合材料的纵向拉伸强度不仅，复合材料的纵向拉伸强度不仅不受影响，而且可能还会有好处。不受影响，而且可能还会有好处。 思考为什么？思考为什么？关于反应带裂纹对复合材料性能影响的分析：关于反应带裂纹对复合材料性能影响的分析：复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学A A 反应带中裂纹两端是否有支撑物（反应带中裂纹两端是否有支

85、撑物（surpport) ) 主要是主要是基体支撑基体支撑，若基体弹性极限高，则裂纹开口，若基体弹性极限高，则裂纹开口困难，此时，可容许反应带厚度就大，即允许裂纹长困难，此时，可容许反应带厚度就大，即允许裂纹长B B 纤维对裂纹的耐受力大小纤维对裂纹的耐受力大小 如果纤维具有如果纤维具有一定程度的塑性一定程度的塑性而不是完全弹性体，则反应带而不是完全弹性体，则反应带裂纹尖端产生的应力集中将使纤维产生塑性变形，从而松弛应裂纹尖端产生的应力集中将使纤维产生塑性变形，从而松弛应力而不致断裂。力而不致断裂。若纤维是若纤维是脆性脆性的，则反应带中裂纹尖端造成的应力集中很容的，则反应带中裂纹尖端造成的应力

86、集中很容易使纤维断裂。易使纤维断裂。 （）应考虑的其它因素（）应考虑的其它因素复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学例子例子1 1：不锈钢丝：不锈钢丝Al系（纤维是韧性的）系（纤维是韧性的）基体基体Al反应物反应物FeAl（强度低，有强度低，有裂纹）裂纹）不锈钢纤维中不锈钢纤维中可观可观察到由于塑性变形察到由于塑性变形而产生的滑移带而产生的滑移带裂纹尖端裂纹尖端图图4-21当纤维具有一定程度塑性时，反应物裂纹尖端当纤维具有一定程度塑性时，反应物裂纹尖端产生的应力集中使纤维发生塑性变形。产生的应力集中使纤维发生塑性变形。

87、复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学例子例子2：C/Al系（纤维是脆性的系（纤维是脆性的）基体基体反应物反应物脆性纤维脆性纤维纤维裂纹纤维裂纹当纤维是脆性时，反应物裂纹产生的应力集中使纤维断裂当纤维是脆性时，反应物裂纹产生的应力集中使纤维断裂图图4-22脆性纤维应力集中图脆性纤维应力集中图复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.3 对界面的要求4.3.1 对界面的力学要求4.3.2 对界面的物理化学要求4.3.3 纤维复合材料受力时界面的力

88、学环境复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学传递效应：传递效应：传递载荷。传递载荷。阻断效应：阻断效应：阻止裂纹扩展，中断材料破坏、减缓应力集中。阻止裂纹扩展，中断材料破坏、减缓应力集中。不不连连续续效效应应：产产生生物物理理性性能能的的不不连连续续和和界界面面摩摩擦擦出出现现的的现现象，如抗电性、磁性、耐热性等。象，如抗电性、磁性、耐热性等。散射和吸收效应：散射和吸收效应：波在界面产生散射和吸收。波在界面产生散射和吸收。诱诱导导效效应应：一一种种物物质质（增增强强物物）的的表表面面结结构构使使另另一一种种（常常为为聚

89、聚合合物物基基体体）与与之之接接触触的的物物质质的的结结构构由由于于诱诱导导作作用用而而发发生生改改变变，由由此此产产生生一一些些现现象象如如强强的的弹弹性性、低低的的膨膨胀性等。胀性等。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学对界面的要求对界面的要求(the requirements for the interface)(the requirements for the interface)对界面的要求有二：对界面的要求有二：（1 1）力学要求）力学要求界面应能传递载荷。是界面应能传递载荷。是对界面的主要要求。对界面的

90、主要要求。（2 2）物理化学要求）物理化学要求要求界面在复合材要求界面在复合材料制造和整个服役期间的稳定性高。料制造和整个服役期间的稳定性高。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.3.1 对界面的力学要求4.3.1.1 载荷传递与应力分布4.3.1.2 界面结合强度对传递载荷的影响复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学对界面的力学要求对界面的力学要求从力学观点出发，整个复合材料应该是一个从力学观点出发，整个复合材料应该是一个理想的理想的力学

91、连续体力学连续体。即复合材料中各组分（基体、界面、。即复合材料中各组分（基体、界面、纤维）之间有完整的结合，整个界面具有均匀、恒纤维）之间有完整的结合，整个界面具有均匀、恒定的界面强度。以保证界面传递载荷的功能，并决定的界面强度。以保证界面传递载荷的功能，并决定了载荷定了载荷 在各组分中的分布状况。在各组分中的分布状况。只有在复合材料中各组元是力学连续体的情况下，只有在复合材料中各组元是力学连续体的情况下，各组元才能对复合材料作出自己的贡献（既保持原各组元才能对复合材料作出自己的贡献（既保持原有性能，又贡献自身的优点有性能，又贡献自身的优点) )。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控

92、制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.3.1.1 载荷传递与应力分布对单向纤维增强复合材料施加纵向拉伸载对单向纤维增强复合材料施加纵向拉伸载荷时，载荷只能施加在复合材料的端面上，荷时，载荷只能施加在复合材料的端面上，然后再以剪切方式传递到复合材料内部的然后再以剪切方式传递到复合材料内部的纤维和基体上。纤维和基体上。分析截面分析截面A A（夹头附近）和截面（夹头附近）和截面B B（远离夹（远离夹头处）的应力分布。头处）的应力分布。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料复合材料mf

93、BA载荷载荷BA夹头夹头图图4-23 4-23 纵向拉伸载荷作用下，单向纤维增强复合纵向拉伸载荷作用下，单向纤维增强复合材料的模型材料的模型复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 在在A A截面（夹头附近或夹头处）处，加在试样截面（夹头附近或夹头处）处，加在试样表面的外力在试样内引起不均匀变形。导致：表面的外力在试样内引起不均匀变形。导致：在基体和纤维中产生的在基体和纤维中产生的剪应力剪应力沿截面沿截面A A的分布的分布不均匀；不均匀；在基体和纤维中产生的在基体和纤维中产生的轴向正应力轴向正应力分布亦不分布亦不均匀。均

94、匀。(1)(1)截面截面A A处的应力分布处的应力分布 复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(a)(a)截面截面A A处的剪切应力分布处的剪切应力分布贴近夹头表面层的基体变形比纤维大，从贴近夹头表面层的基体变形比纤维大，从而引起较大的剪切应力而引起较大的剪切应力; ;纤维纤维/ /基体之间的界面处，剪切应力最大；基体之间的界面处，剪切应力最大；由于试样中心的基体与纤维之间变形差较由于试样中心的基体与纤维之间变形差较小，因此剪切应力水平下降。小，因此剪切应力水平下降。说明：剪应力沿截面说明：剪应力沿截面A A的分布不均

95、匀。的分布不均匀。 复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图图4-24 4-24 截面截面A处剪应力分布处剪应力分布AA0表面层的基体表面层的基体中心的基体中心的基体表面层的基体表面层的基体剪应力大剪应力大夹头夹头夹头夹头复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(b)(b)截面截面A A处的正应力分布处的正应力分布纤维中的正应力水平高，而基体中的纤维中的正应力水平高，而基体中的正应力水平低。正应力水平低。说明：在基体和纤维中产生的轴向正说明：在基

96、体和纤维中产生的轴向正应力水平亦不均匀应力水平亦不均匀见下页图。见下页图。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图图4-25 4-25 截面截面A处正应力分布处正应力分布AA0表示正应力基体中正应力小纤维中正应力大夹头夹头复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(2)(2)截面截面B B处的应力分布处的应力分布(A)(A)截面截面B B处剪切应力分布：在截面处剪切应力分布：在截面B B处纤维、处纤维、基体变形均匀，该处界面剪切应力为零；基体变形均

97、匀，该处界面剪切应力为零；(B)(B)截面截面B B处正应力的分布：各组元承受轴向应处正应力的分布：各组元承受轴向应力的大小取决于弹性模量力的大小取决于弹性模量 E E 和应变和应变 ，理论，理论上只有轴向正应力存在：上只有轴向正应力存在： =E =E （正应力均匀（正应力均匀分布）。分布）。产生横向应力产生横向应力见下页图。见下页图。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学BBB B截面处界面剪应截面处界面剪应力为零力为零BB B截面处界面轴向截面处界面轴向正应力分布均匀正应力分布均匀代表正应力代表正应力00AA图图4

98、-26 4-26 截面截面B处剪应力和正应力分布处剪应力和正应力分布复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（3 3）截面）截面A A至截面至截面B B的应力分布的应力分布变形由不均匀到均匀；变形由不均匀到均匀；界面剪切应力从最大值变化到零；界面剪切应力从最大值变化到零；界面正应力由不均匀分布到均匀分布；界面正应力由不均匀分布到均匀分布；A至至B的距离大约是的距离大约是4 4至至5 5倍纤维直径，但倍纤维直径，但在实际上要比此值大得多。在实际上要比此值大得多。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课

99、件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2 2）横向应力的分析）横向应力的分析 在截面在截面B处处，除了轴向应力外，还产生横向应力。，除了轴向应力外，还产生横向应力。这是由于纤维与基体的收缩倾向不一致（泊松比这是由于纤维与基体的收缩倾向不一致（泊松比不同）而造成的。在均匀变形过程中，界面处产不同）而造成的。在均匀变形过程中，界面处产生相互约束，因而产生横向应力（包括切向应力生相互约束，因而产生横向应力（包括切向应力 和径向应力和径向应力 r r ） ； 图图4-27 4-27 截面截面B处的横向应力处的横向应力 rfm zB截面截面复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制

100、课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.3.1.2 界面结合强度对传递载荷的影响（1 1）界面结合好的含义：）界面结合好的含义：界面两侧组元的原子结构在整个界面上呈界面两侧组元的原子结构在整个界面上呈连贯状态；连贯状态；界面强度均匀、恒定。界面强度均匀、恒定。则这样的界面：则这样的界面：(a)(a)能够顺利完成传递载荷的功能；能够顺利完成传递载荷的功能；(b)(b)能够抵抗横向应力的产生，从而防止界能够抵抗横向应力的产生，从而防止界面开裂。面开裂。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2

101、 2）对界面的力学要求与加载类型的关系）对界面的力学要求与加载类型的关系纵向载荷纵向载荷对界面要对界面要求不高求不高横向载荷横向载荷对界面要对界面要求高求高非轴向载荷非轴向载荷对界面要求对界面要求更高更高与疲劳有关的缺口拉与疲劳有关的缺口拉伸载荷和交变载荷对伸载荷和交变载荷对界面的要求最高界面的要求最高缺口缺口图图4-28加载类型与对界面的要求加载类型与对界面的要求复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.3.2 对界面的物理化学要求4.3.2.1 要求界面是理想的化学非连续体的理由4.3.2.2 什么是理想的化学非连

102、续体复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学对界面的物理化学要求对界面的物理化学要求 要求界面是理想的化学非连续体。即各组元间没有元素间相互扩散或化学作用。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.3.2.1 要求界面是理想的化学非连续体的理由只有各组分只有各组分保持各自的化学成份和结晶构造保持各自的化学成份和结晶构造，在界面处不存在相互连系的过渡相（甚至没有在界面处不存在相互连系的过渡相（甚至没有共格或半共格相），界面才能有效地阻止裂纹共格或半

103、共格相），界面才能有效地阻止裂纹的传播和扩展；的传播和扩展；只有两组元只有两组元不发生化学作用不发生化学作用，才能避免界面形，才能避免界面形成脆性连续相，乃至由脆性过渡相产生的裂纹成脆性连续相，乃至由脆性过渡相产生的裂纹所诱发的纤维破坏；所诱发的纤维破坏；只有元素间只有元素间不发生扩散不发生扩散，才不致使基体塑性变，才不致使基体塑性变差或使增强体产生凹陷和不平整缺口等缺陷。差或使增强体产生凹陷和不平整缺口等缺陷。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.3.2.2 什么是理想的化学非连续体只有热力学上相容的组分结合在一

104、起才能符合只有热力学上相容的组分结合在一起才能符合化学非连续体的要求。如化学非连续体的要求。如W/Cu系、定向共晶复系、定向共晶复合材料系。合材料系。实际复合材料常常是化学连续体。因为在复合实际复合材料常常是化学连续体。因为在复合材料设计时，更多地是考虑组元性能的协调，材料设计时，更多地是考虑组元性能的协调，性能搭配好了以后，再考虑组元间的相容性。性能搭配好了以后，再考虑组元间的相容性。如果相容性差，则从纤维表面处理或工艺方法如果相容性差，则从纤维表面处理或工艺方法上加以改进。上加以改进。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复

105、合材料学4.3.3 纤维复合材料受力时界面的力学环境4.3.3.1 基本假设4.3.3.2 连续纤维复合材料在纵向载荷下的力学性质4.3.3.3 连续纤维复合材料在横向载荷下的力学性质4.3.3.4 非连续纤维复合材料的界面力学性质4.3.3.5 界面残余应力复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.3.3.1 基本假设（1 1）各组分的）各组分的化学成份是不连续化学成份是不连续的，因此，各组分的，因此，各组分的力学性能在界面处的突变的（各自独立，无过渡的力学性能在界面处的突变的（各自独立，无过渡态）；态）；（2 2）

106、界面或是）界面或是完全结合完全结合（界面强度大于基体），或（界面强度大于基体），或是是完全不结合完全不结合（不能承受拉力或剪力），而无中间（不能承受拉力或剪力），而无中间状态（中间状态即是弱结合状态，界面受力情况复状态（中间状态即是弱结合状态，界面受力情况复杂）；杂）；（3 3）等应变等应变；（4 4）纤维整列良好。）纤维整列良好。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.3.3.2 连续纤维复合材料在纵向载荷下的力学性质纵向载荷的载荷方向与纤维平行纵向载荷的载荷方向与纤维平行在纵向载荷作用下，复合材料内部任何在纵向载

107、荷作用下，复合材料内部任何一点处都产生三轴应力，即一点处都产生三轴应力，即 轴向应力轴向应力 径向应力径向应力 切向应力切向应力横向应力横向应力复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（1）在弹性范围内的应力状态由于纤维与基体的弹性模量不同，故：由于纤维与基体的弹性模量不同，故：纤维比基体的轴向应力高，界面处轴向应纤维比基体的轴向应力高，界面处轴向应力最高；力最高；横向应力与轴向应力相比，其值很小；横向应力与轴向应力相比，其值很小；在简单拉伸时，纤维、基体和界面的应力在简单拉伸时，纤维、基体和界面的应力状态均为三向。状态

108、均为三向。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2）塑性范围内的应力状态（A A）界面横向应力大大增加。）界面横向应力大大增加。 基体开始变形时，其有效泊松比基体开始变形时，其有效泊松比(effective (effective PoissonPoissons ratio)s ratio)增加：从弹性变形时的增加：从弹性变形时的0.340.34增加到增加到理想塑性理想塑性“泊松比泊松比”的的0.50.5（对（对AlAl来说）。使基体与来说）。使基体与纤维的泊松比之差进一步增大，故横向应力大大增加。纤维的泊松比之差进一

109、步增大，故横向应力大大增加。轴向应变越大，横向应力则越大。轴向应变越大，横向应力则越大。如不锈钢丝（如不锈钢丝（50%50%）/Al/Al系，当纤维弹性系，当纤维弹性基体塑性变基体塑性变形时，横向应力达到轴向应力的形时，横向应力达到轴向应力的40%40%（见下页图）。（见下页图）。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学轴向应变轴向应变基基体体应应力力（芯芯部部）弹弹-弹弹轴向应力轴向应力横向应力横向应力0弹弹-塑塑塑塑-塑塑图图4-29 4-29 不锈钢不锈钢丝（丝（50%50%）/ /Al系的横向应力系的横向应力复合

110、材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(B)(B)产生了横向约束产生了横向约束 界面上产生的横向应力具有约束和阻止塑界面上产生的横向应力具有约束和阻止塑性纤维产生缩颈性纤维产生缩颈(necking)的作用，使复合材料的作用，使复合材料强度有所提高。但纤维体积分数越大，有效的强度有所提高。但纤维体积分数越大，有效的约束作用越小。约束作用越小。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（C C）横向应力影响混合物定律的计算横向应力影响混合物定律的计算v在在

111、求求导导并并联联（纵纵向向）性性能能的的混混合合物物定定律律(ROM)时时，没没有有考考虑虑纵纵向向拉拉伸伸时时的的横横向向应应力力的的影影响响。应应当当明明确确：一一旦旦纤纤维维与与基基体体产产生生结结合合，必必定定有有横横向向应应力力产产生生。因因此此，ROM计计算算的的强强度度值值是是复复合合材材料料纵纵向强度的下限。向强度的下限。 v在在纵纵向向拉拉伸伸载载荷荷下下产产生生的的横横向向应应力力一一般般较较小小，特特别别是是因因陶陶瓷瓷纤纤维维的的断断裂裂应应变变很很小小，不不允允许许基基体体产产生生大大量量塑塑性性变变形形，故故在在界界面面处处产产生生的的横横向向应应力力值值很小。很小

112、。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 总之，纵向拉伸对界面结合要求不高，可以不考虑横向应力。但当界面上存在很厚的反应产物时，必须考虑横向应力的影响。然而，反应产物厚度的增加，只是因反应产物中裂纹应力集中影响了纵向拉伸强度 ，而不是界面应力状态的改变。结结 论论复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.3.3.3 连续纤维复合材料在横向载荷下的力学性质横向载荷的载荷方向与纤维垂直横向载荷的载荷方向与纤维垂直界面的应力分布用应力集中系数界面的应

113、力分布用应力集中系数 ( (= = maxmax/ / avav) )描述描述见下页图见下页图复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（1 1）横向载荷）横向载荷090应应力力集集中中系系数数PmfP1.504590r r图图4-30横向载荷下的应力集中系数横向载荷下的应力集中系数复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学在横向载荷下围绕界面的应力分析在横向载荷下围绕界面的应力分析当当 =0=0时，正应力时，正应力 r r具有最大值。然后具有最大值。

114、然后随着随着 角增加而减小；当角增加而减小；当 =70=709090时，时，正应力由拉伸应力变成压缩应力。正应力由拉伸应力变成压缩应力。剪应力剪应力 r r 在在 =45=45时为最大；时为最大； 454545时，时， r r 减小。减小。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学结论(a) (a) 横向载荷下，界面所受最大应力不是剪切横向载荷下，界面所受最大应力不是剪切应力，而是应力，而是拉伸或压缩正应力拉伸或压缩正应力，界面不是剪切，界面不是剪切破坏，而是以破坏，而是以脱节脱节为主。脱节首先从为主。脱节首先从 =0开始

115、，开始，如图：如图：脱节首先从脱节首先从 =0开始，开始，界面在与外加载荷一致界面在与外加载荷一致的方向脱节，脱节多少的方向脱节，脱节多少与拉伸界面应力的大小与拉伸界面应力的大小相对应。相对应。图图4-31横向载荷下界面的脱节横向载荷下界面的脱节复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(b)(b)横向载荷下最大界面应力的数量级与所加载横向载荷下最大界面应力的数量级与所加载荷相当。而纵向载荷时界面应力总小于所加荷相当。而纵向载荷时界面应力总小于所加载荷，故横向载荷时界面结合强度对复合材载荷，故横向载荷时界面结合强度对复合材

116、料显著影响。料显著影响。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2 2）横向强度与纤维体积分数和纤维排）横向强度与纤维体积分数和纤维排列的关系列的关系(a)(a)V Vf f 越大，复合材料的横向强度与基体强度的越大，复合材料的横向强度与基体强度的比值（比值（ c c/ / m m）越低；理想结合时，高于未结合越低；理想结合时，高于未结合状态；六方排列时，高于四方排列状态。状态；六方排列时，高于四方排列状态。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料

117、学(b)(b)横向载荷下产生的最大界面正应力集中系数横向载荷下产生的最大界面正应力集中系数 maxmax/ / avav的变化规律：的变化规律：当当V Vf f 50% 50% 50%时，四方排列和六方排列，时，四方排列和六方排列， maxmax/ / avav均增大，而且四方排列比六方排列时增加得快。均增大，而且四方排列比六方排列时增加得快。见下页图。见下页图。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学Vf（%）Vf（%）c / mmax / avB/Al六方排列六方排列B/Al四方排四方排列列理理想想结结合合Al2O3

118、/Ni四方排列四方排列Al2O3/Ni六方排列六方排列不不结结合合四方排列四方排列六方排列六方排列50Ef/Em=20图图4-33纤维体积分数纤维体积分数对对 max/ av的影响的影响图图4-32纤维体积分数和界面结合程度纤维体积分数和界面结合程度对对 c/ m的影响的影响复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.3.3.4 非连续纤维复合材料的 界面力学性质（1 1）非连续纤维上的应力分布）非连续纤维上的应力分布 (A)(A)建立建立剪滞模型剪滞模型(shearlagmodel)假定：假定：基体可以通过界面剪切应力

119、将载荷传递到纤维上；基体可以通过界面剪切应力将载荷传递到纤维上；不考虑邻近纤维、纤维端部及邻近纤维端部的复不考虑邻近纤维、纤维端部及邻近纤维端部的复杂应力状态等因素的影响；杂应力状态等因素的影响；Ef Em。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学加载前的剪加载前的剪滞模型滞模型基体基体纤纤维维加载中和加载后，基体中加载中和加载后，基体中弹性变形不均匀。弹性变形不均匀。图图4-34 4-34 剪滞模型剪滞模型复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学

120、剪滞模型分析在一给定的外加拉伸载荷作用下，纤维和基体在一给定的外加拉伸载荷作用下，纤维和基体都开始弹性变形，由于都开始弹性变形，由于E Ef f E Em m, ,故纤维抑制与故纤维抑制与之相邻区域基体的变形，造成基体中弹性变形之相邻区域基体的变形，造成基体中弹性变形不均匀；不均匀；沿短纤维沿短纤维/ /基体界面上的界面剪切应力基体界面上的界面剪切应力 I I 和纤维和纤维拉伸应力拉伸应力 I I 在纤维长度方向上呈不均匀分布。在纤维长度方向上呈不均匀分布。这种不均匀性与短纤维长度这种不均匀性与短纤维长度 l l 与直径与直径 d df f 之比之比( (l/ dl/ df f) )以及以及E

121、 Ef f / / E Em m有关。有关。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(B)(B)短纤维上的正应力分布短纤维上的正应力分布在短纤维两端，正应力为零；在短纤维两端，正应力为零；在纤维中部，正应力达最大值；在纤维中部，正应力达最大值；当当l l/ /d df f =( =(l lc c/ /d df f ) )时，在短纤维中点可能达到的时，在短纤维中点可能达到的最大应力为最大应力为 f f = = fufu，纤维在中点被拉断；纤维在中点被拉断；当当l l/ /d df f l lc c/ /d df f时，纤维

122、两端正应力由零逐渐升时，纤维两端正应力由零逐渐升高，从端部至高，从端部至 (1/2) (1/2)l lc c 达到最大值达到最大值，并在中段并在中段保持此应力值保持此应力值，当最大应力值达到，当最大应力值达到 fufu 时，时，可可以拉断纤维。断口发生在中段某处。以拉断纤维。断口发生在中段某处。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(C)(C)短纤维上的剪应力分布短纤维上的剪应力分布v 剪切应力在纤维两端最大，向中心逐渐减剪切应力在纤维两端最大，向中心逐渐减小，两端的剪应力方向相反；小，两端的剪应力方向相反；v 在纤维

123、中部剪应力为零；在纤维中部剪应力为零；v 在理论分析时，将剪应力简化为均匀分布。在理论分析时，将剪应力简化为均匀分布。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学lc/2lc/2lc/2lc/2l l lc c/ /d df f 时，纤维受力不再增大，但复时，纤维受力不再增大，但复合材料的断裂方式有所改变。合材料的断裂方式有所改变。(a)(a)基本概念基本概念复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学dfdz纤维纤维半径半径r在在dz长纤维上力的平衡长纤

124、维上力的平衡： r2d ( z)=2 r i(dz)式中式中，d( z)为为dz长纤维上的正应力；长纤维上的正应力； i为为dz长纤维长纤维上的剪应力上的剪应力。为简化分析，可以看成线性分布。为简化分析，可以看成线性分布。(b)(b)剪切套筒模型剪切套筒模型基体基体图图4-36剪切套筒模型剪切套筒模型复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学当纤维中点的正应力值达到当纤维中点的正应力值达到 fufu时，可对上式积分：时，可对上式积分： 0 0 fufu r r2 2d(d( z z)=)=0 0l l/2 /2 2 2 r

125、 r i i(d(dz z) ) r r2 2 fufu=2=2 r r i i( (l l/2)/2) l l = = r r fufu/ / i i = = fufu d df f/(2/(2 i i) ) 所以所以 l l = =l lc c时，时，l lc c/ /d df f = = fufu/(2/(2 i i) )复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(c)(c)纤维临界长度和临界纵横比的物理意义纤维临界长度和临界纵横比的物理意义l lc c或或l lc c / /d df f 是发挥纤维最大强度，或发挥

126、纤是发挥纤维最大强度，或发挥纤维最大增强作用所需要的最小纤维长度，或维最大增强作用所需要的最小纤维长度，或纤维最小纵横比；纤维最小纵横比；l l/ /d df fl lc c/ /d df f，复合材料是纤维拔出型破坏；，复合材料是纤维拔出型破坏；l l/ /d df f l lc c/ /d df f，复合材料是纤维拉断型破坏；，复合材料是纤维拉断型破坏；因此，因此，l lc c 和和 l lc c/ /d df f是复合材料是复合材料从纤维拔出破坏从纤维拔出破坏到纤维断裂破坏转折的最小纤维长度到纤维断裂破坏转折的最小纤维长度，或，或纤纤维最小纵横比维最小纵横比。复合材料的界面理论和复合材料

127、的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(d)(d)对纤维临界长度对纤维临界长度lc =dlc =df f fufu/(2/(2 i)i) 的进一步的进一步分析：分析：当当 fufu的本征值大时，则对应的的本征值大时，则对应的l lc c增大。反之，增大。反之，当当 fufu小时，则小时，则l lc c减小；减小；当界面剪切应力当界面剪切应力 i i小且小且d df f不变时，不变时， l lc c愈大（为愈大（为了增大界面的剪切力，所需的剪切面积就应越了增大界面的剪切力，所需的剪切面积就应越大。因此需要增加纤维长度，即需要增大大。因此需要增加纤维

128、长度，即需要增大l lc c）。）。反之，反之， i i大，则大，则l lc c小。小。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（3 3）影响短纤维界面应力的其它因素）影响短纤维界面应力的其它因素纤维临界长度纤维临界长度 l lc c l lc c/ /d df f = = fufu/(2/(2 i i) )泊松比泊松比相邻纤维的间距相邻纤维的间距体积分数体积分数纤维端距纤维端距/ /纤维间距纤维间距Ef/Em纤维与基体的结合情况纤维与基体的结合情况基体的塑性基体的塑性复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件

129、界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(a) (a) 泊松比泊松比 的影响的影响弹性范围内弹性范围内，横向应力（主要是径向应力，横向应力（主要是径向应力 r r）值很小；值很小；塑性范围内塑性范围内，由于纤维泊松比（，由于纤维泊松比（ f f）与基体泊）与基体泊松比（松比（ m m）差别增大，使径向应力）差别增大，使径向应力 r r 增大。增大。而且，（而且，（ m m- - f f）越大，则径向应力）越大，则径向应力 r r 就越大。就越大。此外，还会在基体中产生周向拉伸应力此外，还会在基体中产生周向拉伸应力 。由。由于它对纤维有箍紧作用。因而增加了界面摩擦于它对纤维

130、有箍紧作用。因而增加了界面摩擦力。力。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(b)(b)纤维间距与纤维体积分数的影响纤维间距与纤维体积分数的影响当纤维体积分数当纤维体积分数Vf增加时，纤维间距减小，增加时，纤维间距减小，可以有较多的纤维承担载荷。因此，纤维可以有较多的纤维承担载荷。因此，纤维断裂增加，而纤维拔出倾向降低。断裂增加，而纤维拔出倾向降低。纤维易断裂纤维易断裂纤维易拔出纤维易拔出复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(c)(c)纤维端

131、距纤维端距(gap)(gap)的影响的影响如果纤维端部与基体结合良好，纤维末端也如果纤维端部与基体结合良好，纤维末端也可以传递载荷。可以传递载荷。端距越小，则通过端面传递载荷端距越小，则通过端面传递载荷的比例就越大的比例就越大，因而降低了沿纤维界面的剪切倾，因而降低了沿纤维界面的剪切倾向。其效果相当于使界面剪切强度增大，即允许向。其效果相当于使界面剪切强度增大，即允许 l lc c下降。因此当纤维端距较小时，更短的纤维就下降。因此当纤维端距较小时，更短的纤维就可以发挥同样的增强效果。可以发挥同样的增强效果。纤维端距小，则纤维端距小，则lc小。小。纤维端距大，则纤维端距大，则lc大。大。复合材料

132、的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(d)(d)纤维端距纤维端距/ /纤维间距纤维间距(gap/width)(gap/width)的影响的影响界面正应力界面正应力（normalinterfacialstress)界面径向压缩应力界面径向压缩应力界面径向拉伸应力界面径向拉伸应力复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 在短纤维端头界面上在短纤维端头界面上产生界面径向压缩应力产生界面径向压缩应力 r r c c。它会增加基体与纤维之间的摩擦，促进载荷的有效

133、它会增加基体与纤维之间的摩擦，促进载荷的有效传递。传递。 界面径向压缩应力与基体平均应力之比值界面径向压缩应力与基体平均应力之比值( ( rcrc / / avav) )与纤维端距与纤维端距/ /纤维间距之比值纤维间距之比值(gap/width)有关。有关。纤维纤维界面径向压缩应力界面径向压缩应力基体基体 界面径向压缩应力界面径向压缩应力复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学图图4-37 4-37 纤维端距纤维端距(gap)/(gap)/纤维间距纤维间距(width)(width)的影响的影响gap/widthrc/a

134、v（%）Vf=67%Vf=50%Vf =30%0.21widthgapf复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学gap/width愈小愈小（例如（例如0.20.2），则界面径向压，则界面径向压缩应力与基体平均应力的比值缩应力与基体平均应力的比值 rcrc/ / avav 愈小愈小；当当gap/width增大到一定比值时，增大到一定比值时， rcrc/ / avav主要取主要取决于决于Vf（即取决于即取决于width，因为，因为Vf越大，则越大，则width越小）：越小）：Vf越大，则越大，则 rcrc/ / avav越大

135、越大。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学界面径向拉伸应力界面径向拉伸应力在短纤维附近的连续纤维界面上在短纤维附近的连续纤维界面上，有较大的界，有较大的界面径向拉伸应力出现，即在相邻纤维界面上产生面径向拉伸应力出现，即在相邻纤维界面上产生 rtrt（A点）。点）。这是由于在短纤维两端之间的基体区具这是由于在短纤维两端之间的基体区具有高应力，而产生局部收缩所造成的。有高应力，而产生局部收缩所造成的。基体收缩越基体收缩越大，或产生了塑性变形，则大，或产生了塑性变形，则 rtrt越大。越大。 rtrt随着纤维随着纤维间隙间

136、隙(width)减小而稍有降低。减小而稍有降低。 界面径向拉应力界面径向拉应力A复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（e e）塑性变形过程及影响）塑性变形过程及影响塑性变形一般开始于纤维端部角上塑性变形一般开始于纤维端部角上，沿纤维，沿纤维/ /基基体界面向外延伸。塑性变形会降低剪切应力集体界面向外延伸。塑性变形会降低剪切应力集中，增加纤维的载荷传递长度中，增加纤维的载荷传递长度( (l lc c) )。促使纤维。促使纤维发挥最大增强作用。发挥最大增强作用。当界面强度低于基体强度时，基体发生塑性变当界面强度低于基体强

137、度时，基体发生塑性变形是有利的；形是有利的；如果界面断裂由脆性化合物的断裂应变控制，如果界面断裂由脆性化合物的断裂应变控制，则基体塑性变形是有害的。则基体塑性变形是有害的。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学典型的临界纤维长度典型的临界纤维长度lc和临界长度比和临界长度比lc/d基体基体纤维纤维Lc/mmLc/dAgAl2O30.4190CuW3820AlB1.820环氧环氧B3.535环氧环氧C0.235聚碳酸酯聚碳酸酯C0.7105聚酯聚酯玻璃玻璃0.540Al2O3SiC0.00510?SiCC0.0537复合

138、材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学疲劳过程产生的基体横向裂纹群疲劳过程产生的基体横向裂纹群450MPa，1340周，周， 100（箭头所指为单条基体（箭头所指为单条基体横向裂纹，疲劳应力横向裂纹，疲劳应力400MPa，13400周，周，100）复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学表表Cf/SiC复合材料的界面滑移强度复合材料的界面滑移强度疲劳条件疲劳条件裂裂纹纹平平均均间间距距（ m）最最小小裂裂纹纹间间距距（ m）理理 论论 裂裂 纹纹最最

139、 小小 间间 距距（ m）界界 面面 滑滑 移移 强强 度度（MPa）400MPa，13400周周80.354.853.55.4*5.6*450MPa，1429周周147128982.33.0注：注：*采用最小裂纹间距得到，采用最小裂纹间距得到，*采用理论裂纹最小间距得到。采用理论裂纹最小间距得到。 毫无疑问，稳定的裂纹间距毫无疑问，稳定的裂纹间距l应该在应该在lm2lm之间，并且之间，并且l的最小值等于的最小值等于lm，其平均值等于，其平均值等于1.5lm。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学结论 短纤维界面除承受

140、轴向、径向、切向正应力外，还承受较大的剪切应力，因此，非连续纤维增强复合材料的界面是最复杂、最严重、最难分析的界面情况。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.3.3.5 界面残余应力(residual stresses at interfaces)（1 1）热残余应力）热残余应力 由于组元热膨胀系数不同由于组元热膨胀系数不同，导致在制造过程中的收缩不同，在界面处产生导致在制造过程中的收缩不同，在界面处产生很高水平的热应力。很高水平的热应力。（2 2）形变残余应力）形变残余应力 由于各组元屈服强度不同由于各组元屈服强

141、度不同，在外力作用下，发生不均匀塑性流变，产生残在外力作用下，发生不均匀塑性流变，产生残余应力。余应力。（3 3）相变残余应力）相变残余应力 当一个组元发生相变并引当一个组元发生相变并引起体积变化时，受到另一个组元的机械约束，起体积变化时，受到另一个组元的机械约束，从而产生残余应力。从而产生残余应力。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（1 1）热残余应力对界面及复合材料性能的影响）热残余应力对界面及复合材料性能的影响若热残余应力为拉伸型，则使界面结合减弱；若热残余应力为拉伸型，则使界面结合减弱；若为压缩型，则界面结

142、合会加强。若为压缩型，则界面结合会加强。由冷却过程产生的热残余应力，尽管径向应力由冷却过程产生的热残余应力，尽管径向应力可能是压缩型的，但总的来讲是拉伸性质，因可能是压缩型的，但总的来讲是拉伸性质，因此将导致界面结合弱和复合材料性能下降。此将导致界面结合弱和复合材料性能下降。 热应力水平很高，如热应力水平很高，如B/(50vol%)/(50vol%)/Al系，处于弹系，处于弹性范围时，每下降性范围时，每下降11，热应力升高热应力升高17MPa17MPa，下，下降降500500，热应力升高热应力升高853MPa853MPa。这种应力水平往。这种应力水平往往会引起基体变形或开裂。往会引起基体变形或

143、开裂。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2 2）形变残余应力的作用）形变残余应力的作用由于形变残余应力往往与热残余应力的由于形变残余应力往往与热残余应力的符号相符号相反反，故可以利用形变来抵消或减轻热残余应力，故可以利用形变来抵消或减轻热残余应力的有害影响。的有害影响。当复合材料中有热应力存在时，在拉伸试验前当复合材料中有热应力存在时，在拉伸试验前进行进行预应变预应变（沿纤维方向）可以显著改善材料（沿纤维方向）可以显著改善材料性能。性能。对复合材料进行对复合材料进行横向轧制横向轧制(crossrolling)后，

144、基后，基体产生加工硬化，也可以改善其强度体产生加工硬化，也可以改善其强度 。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（3 3）相变残余应力的作用）相变残余应力的作用界面残余应力与金属材料的相变残余应力类似；界面残余应力与金属材料的相变残余应力类似；在陶瓷基复合材料中，如果组元相变时产生体在陶瓷基复合材料中，如果组元相变时产生体积膨胀，则对增韧有一定的作用。积膨胀，则对增韧有一定的作用。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学小 结1 1）纤维纤维/

145、 /基体之间的界面是复合材料中的一个特基体之间的界面是复合材料中的一个特殊结构，对复合材料性能具有重大影响；殊结构，对复合材料性能具有重大影响；2 2）介绍了金属基复合材料中存在的三种界面类型介绍了金属基复合材料中存在的三种界面类型和六种结合方式，其中以机械结合、溶解与润和六种结合方式，其中以机械结合、溶解与润湿结合、反应结合三种为主；湿结合、反应结合三种为主；3 3）理想界面应既是力学连续体，又是化学不连续理想界面应既是力学连续体，又是化学不连续体，其主要要求是能够传递外加载荷和在复合体，其主要要求是能够传递外加载荷和在复合材料构件服役期间保持稳定；材料构件服役期间保持稳定；复合材料的界面理

146、论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学A)A)连续纤维增强复合材料纵向拉伸时，除轴向应连续纤维增强复合材料纵向拉伸时，除轴向应力外，还有横向应力产生，其大小主要取决于力外，还有横向应力产生，其大小主要取决于基体与纤维的泊松比之差值；基体与纤维的泊松比之差值；B)B)连续纤维增强复合材料在横向载荷时，其应力连续纤维增强复合材料在横向载荷时，其应力分布随界面角而变化，其破坏主要是正应力引分布随界面角而变化，其破坏主要是正应力引起的脱节；起的脱节；4 4）复合材料承受外加载荷时，界面处于复杂应力状态）复合材料承受外加载荷时，界面处于复杂应力

147、状态复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学5 5）界面残余应力是复合材料的固有特性，对此）界面残余应力是复合材料的固有特性，对此不应忽视。不应忽视。C)C)短纤维界面应力更为复杂，除轴向应力外，界短纤维界面应力更为复杂，除轴向应力外，界面上还有剪切应力存在，剪切应力的大小决定面上还有剪切应力存在，剪切应力的大小决定了纤维临界长度（或临界纵横比），决定了界了纤维临界长度（或临界纵横比），决定了界面破坏方式。另外，还有界面正应力存在于短面破坏方式。另外，还有界面正应力存在于短纤维的端部和邻近的纤维界面处；纤维的端部和邻近的

148、纤维界面处；复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学结 语 综上所述，复合材料的界面在其产生、结构、性能和要求方面均具有特殊性；界面的结合类型主要有物理结合和化学结合两种，它随着组元体系、制造方法 、环境条件和受力状态而改变；界面的性质取决于组元之间的物理相容性和化学相容性。复合材料的断裂模式随界面结合程度而变化。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.4树脂基复合材料的界面及优化 4.4.1树脂基复合材料的界面特点4.4.2树脂基复合材料的界

149、面优化复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.4.1.1 树脂基复合材料界面的形成 4.4.1.2 树脂基复合材料界面的特点 4.4.1.3 树脂基复合材料界面的近代理论 4.4.1.4 PMCs的界面区域4.4.1 树脂基复合材料界面的特点复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.4.1.1树脂基复合材料界面的形成第一个阶段：基体与增强纤维的接触与润湿过程。第一个阶段：基体与增强纤维的接触与润湿过程。 由于增强纤维对基体分子的各个基团或基体

150、中各组由于增强纤维对基体分子的各个基团或基体中各组分的吸附能力不同，它总是要吸附那些降低其表面能分的吸附能力不同，它总是要吸附那些降低其表面能的物质并优先吸附那些降低其表面能较多的物质。因的物质并优先吸附那些降低其表面能较多的物质。因此界面聚合层在结构上与聚合物本体是不同的。此界面聚合层在结构上与聚合物本体是不同的。第二个阶段：固化阶段。第二个阶段：固化阶段。 聚合物通过物理或化学的变化而固化，形成固定聚合物通过物理或化学的变化而固化，形成固定的界面层。的界面层。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（1 1）大多数界

151、面为物理粘接，界面强度较低。）大多数界面为物理粘接，界面强度较低。树脂基复合材料的界面力的类型：树脂基复合材料的界面力的类型：机械结合力：犹如钉、钩、铆等的机械连结力；机械结合力：犹如钉、钩、铆等的机械连结力；物理结合力：范德华力、氢键；物理结合力：范德华力、氢键；化化学学结结合合力力：包包括括单单界界面面结结合合力力和和复复界界面面结结合合力力。单单界界面面结结合合力力是是增增强强材材料料通通过过化化学学键键直直接接与与基基体体结结合合；复复界界面面结结合合力力是是通通过过偶偶联联剂剂分分别别与与复复合合材材料料的的增强材料及基体相结合。增强材料及基体相结合。 4.4.1.2树脂基复合材料界

152、面的特点复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学各种结合力的大小：各种结合力的大小： 范德华力：范德华力：(0.8(0.821.0)1021.0)103 3J/mol;J/mol; 氢键：氢键：(2.1(2.14.2)104.2)104 4J/mol;J/mol; 化学键：化学键：(0.4(0.44.2)104.2)105 5J/molJ/mol。一一般般情情况况下下，往往往往总总是是由由两两种种或或两两种种以以上上的的结结合合力综合起作用力综合起作用（2 2）界界面面可可保保持持相相对对稳稳定定（主主要要在在较较低低温

153、温度度下使用）下使用）（3 3）基体、增强体一般不发生反应。）基体、增强体一般不发生反应。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.4.1.3树脂基复合材料界面的近代理论（1 1）界面浸润理论）界面浸润理论 19631963年由年由ZismanZisman提出提出 主要论点主要论点：液体树脂应完全润湿增强材料，为此，：液体树脂应完全润湿增强材料，为此，则树脂基体的表面张力必须小于增强体的临界表面张力。则树脂基体的表面张力必须小于增强体的临界表面张力。 浸润理论可以解释界面结合机制的两种模式，即浸润理论可以解释界面结合机

154、制的两种模式，即机机械粘接和物理吸附。械粘接和物理吸附。 但在解释偶联剂增强纤维的效果时出现矛盾。往往但在解释偶联剂增强纤维的效果时出现矛盾。往往是当经过某种处理后，基体对增强体的浸润并不太好，是当经过某种处理后，基体对增强体的浸润并不太好，但界面强度却很高。于是提出了化学键理论。但界面强度却很高。于是提出了化学键理论。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2 2）化学键理论）化学键理论在在5050年代就提出，但一直没有得到确实证明。年代就提出，但一直没有得到确实证明。 近几年来，由于科技的发展，通过傅里叶干近几年来

155、，由于科技的发展，通过傅里叶干涉红外光谱涉红外光谱(Fourier Transformation Infra (Fourier Transformation Infra Red;FT-IR)Red;FT-IR)及氦激光激发喇曼光谱及氦激光激发喇曼光谱(Raman (Raman Spectra)Spectra)以及同位素的研究，终于获得强有力的以及同位素的研究，终于获得强有力的证据，证明在复合材料界面上确实形成了化学键。证据，证明在复合材料界面上确实形成了化学键。 基本论点：基本论点：界面的结合力是高能量的主价力界面的结合力是高能量的主价力(1.7(1.72.12.1）10106 6J/molJ

156、/mol。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 化学键理论是在偶联剂处理玻璃纤维表面的实化学键理论是在偶联剂处理玻璃纤维表面的实践过程中提出的。践过程中提出的。某些研究者认为，偶联剂在玻璃表面与树脂基体某些研究者认为，偶联剂在玻璃表面与树脂基体之间建立了一个化学桥之间建立了一个化学桥(chemixal bridge)(chemixal bridge)；但是另外一些研究者不支持这种观点，因为有人但是另外一些研究者不支持这种观点，因为有人发现碳纤维经某些柔性聚合物涂层处理后，复合材发现碳纤维经某些柔性聚合物涂层处理后，复

157、合材料的力学性能也有所改善，但这些涂层聚合物与碳料的力学性能也有所改善，但这些涂层聚合物与碳纤维之间都没有发生化学反应，于是提出了形变层纤维之间都没有发生化学反应，于是提出了形变层理论。理论。 复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（3 3）可形变层理论之一：柔性插入层理论）可形变层理论之一：柔性插入层理论 基本论点：基本论点：认为处理剂在界面形成了一层塑性层，它认为处理剂在界面形成了一层塑性层，它能松弛界面的应力，减少界面应力的作用，特别是能能松弛界面的应力，减少界面应力的作用，特别是能减少因膨胀系数相差大而引起的内

158、应力。减少因膨胀系数相差大而引起的内应力。 19741974年，年，RiessRiess等人采用具有柔性链段的聚异戊二烯等人采用具有柔性链段的聚异戊二烯(PI)(PI)以及可与基体相共混的链段（聚乙烯与马来酸酐的共聚物以及可与基体相共混的链段（聚乙烯与马来酸酐的共聚物SMA)SMA)的共聚物接枝到碳纤维上，由此得到冲击强度有明显改善的环的共聚物接枝到碳纤维上，由此得到冲击强度有明显改善的环氧基复合材料。氧基复合材料。 层间剪切强度层间剪切强度(MPa) (MPa) 弹性能弹性能(J/cm(J/cm2 2) )未处理碳纤维未处理碳纤维/ /环氧环氧 724.2 4.0 724.2 4.0 PI-

159、SMAPI-SMA处理碳纤维处理碳纤维/ /环氧环氧 816.0 6.3816.0 6.3复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学可形变层理论之二：减弱界面局部应力理论可形变层理论之二：减弱界面局部应力理论基本论点基本论点：在基体与增强材料之间，具有可以随应力方向：在基体与增强材料之间，具有可以随应力方向改变其结合点的物质，也可以认为是在界面处有一种改变其结合点的物质，也可以认为是在界面处有一种具有具有自愈能力的自愈能力的“化学键化学键”，这种键在外载荷（应力）作用下，这种键在外载荷（应力）作用下，处于不断形成和断裂的动

160、态平衡（称为再生平衡），它不处于不断形成和断裂的动态平衡（称为再生平衡），它不仅阻止了水等低分子物侵蚀的破坏作用，而且由于这些低仅阻止了水等低分子物侵蚀的破坏作用，而且由于这些低分子物的存在，起到松弛界面局部应力的作用，使复合材分子物的存在，起到松弛界面局部应力的作用，使复合材料在潮湿条件下保持良好的力学性能。料在潮湿条件下保持良好的力学性能。但是这种理论不能解释在经过偶联剂处理的增强材料组成复但是这种理论不能解释在经过偶联剂处理的增强材料组成复合材料后，它们的热变形温度合材料后，它们的热变形温度(HDT)(HDT)比未处理者存在明显的提比未处理者存在明显的提高，为此有人提出了束缚层理论（拘束

161、层理论）。高，为此有人提出了束缚层理论（拘束层理论）。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学基本论点基本论点：认为界面区（包括偶联剂部分）的：认为界面区（包括偶联剂部分）的模量介于树脂基体和增强材料之间时，则最可模量介于树脂基体和增强材料之间时，则最可均匀地传递应力。这时吸附在硬质增强材料或均匀地传递应力。这时吸附在硬质增强材料或填料颗粒上的聚合物基体要比本体聚集更为紧填料颗粒上的聚合物基体要比本体聚集更为紧密，且聚集密度随着界面区距离的增大而减弱。密，且聚集密度随着界面区距离的增大而减弱。 同时，认为硅烷偶联剂的作用

162、在于一端拉紧界面同时，认为硅烷偶联剂的作用在于一端拉紧界面上的聚合物分子结构，一端以硅醇基团与玻璃等无机上的聚合物分子结构，一端以硅醇基团与玻璃等无机材料粘结。材料粘结。 （4 4）拘束层理论）拘束层理论复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学基本论点基本论点：当有水存在于偶联剂和增强材料之间：当有水存在于偶联剂和增强材料之间时，受应力的键能够可逆地断裂与重新形成，这时，受应力的键能够可逆地断裂与重新形成，这样就从另一个角度提出了界面区的应力松弛，并样就从另一个角度提出了界面区的应力松弛，并保持了粘接性的存在。保持了粘接

163、性的存在。 这一理论也提及了偶联剂的存在可保护界面免受水这一理论也提及了偶联剂的存在可保护界面免受水的侵蚀，但却忽视了化学键的重要作用。的侵蚀，但却忽视了化学键的重要作用。（5 5）可逆水解理论）可逆水解理论 最近文献报导指出，并非一切偶联剂都符合这个规律，最近文献报导指出，并非一切偶联剂都符合这个规律，而只有能与树脂基体及增强体同时存在化学反应的偶联剂界而只有能与树脂基体及增强体同时存在化学反应的偶联剂界面区，才能免受水的侵蚀。面区，才能免受水的侵蚀。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学基本论点基本论点：偶联剂形成

164、的界面区应该是带有能：偶联剂形成的界面区应该是带有能与树脂基体相互扩散的聚合链活性硅氧烷层或与树脂基体相互扩散的聚合链活性硅氧烷层或其它的偶联剂层。两种聚合物混溶或者相互溶其它的偶联剂层。两种聚合物混溶或者相互溶解，具有较大的扩散能力，结果会引起相界面解，具有较大的扩散能力，结果会引起相界面的消失，而产生相互过渡的溶合部分，最后生的消失，而产生相互过渡的溶合部分，最后生成粘接区，其强度远超过二相公共界面所能产成粘接区，其强度远超过二相公共界面所能产生的粘结强度。生的粘结强度。（6 6）扩散层理论）扩散层理论复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材

165、料工程学院高性能复合材料学如如果果两两聚聚合合物物不不能能混混溶溶或或者者不不能能相相互互溶溶解解，则则可可能能在在界界面面上上形形成成电电双双层层而而产产生生粘粘结结作作用用，即即依依靠靠静静电电力力产产生生粘粘接作用。接作用。这这种种理理论论是是建建立立在在高高分分子子聚聚合合物物材材料料相相互互粘粘结结时时引引起起表表面扩散层的基础上。面扩散层的基础上。由由于于偶偶联联剂剂机机理理研研究究的的深深入入，如如发发现现偶偶联联剂剂多多分分子子层层的的存存在在（即即以以不不同同定定向向的的多多层层膜膜形形式式沉沉积积在在无无机机纤纤维维表表面面上上，并并不不是是简简单单定定向向的的单单分分子子

166、膜膜），使使这这一一理理论论得得到到复复合材料领域中许多学者的承认。合材料领域中许多学者的承认。近近年年来来提提出出的的相相互互贯贯穿穿网网络络理理论论，实实际际上上是是扩扩散散理理论论与与化学键理论在某种程度上的综合。化学键理论在某种程度上的综合。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.4.1.4 PMCs的界面区域 界面不是单纯的几何面，而是一个多层结构的过渡界面不是单纯的几何面，而是一个多层结构的过渡区域；区域； 界面从与增强体内部性质不同的某一面开始，经增界面从与增强体内部性质不同的某一面开始，经增强体表面区

167、、相互渗透区、基体表面层区到树脂基强体表面区、相互渗透区、基体表面层区到树脂基体内部性质不同的某一面，共有体内部性质不同的某一面，共有5 5个亚层；个亚层； PMCsPMCs的界面是复界面的界面是复界面复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学什么叫界面优化？什么叫界面优化？亦亦可可认认为为是是界界面面设设计计, ,也也可可认认为为是是界界面面控控制制 目目标标：改改善善界界面面区区微微观观结结构构，形形成成能能有有效效传传递递载载荷荷、调调节节应应力力分分布布、阻阻止止裂裂纹纹扩扩展展的的稳稳定界面结构。定界面结构。复合

168、材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(1)(1) 改善树脂基体与增强材料的润湿性改善树脂基体与增强材料的润湿性（界面结合（界面结合的先决条件）的先决条件）热塑性聚合物复合材料：热塑性复合材料基体的热塑性聚合物复合材料：热塑性复合材料基体的熔体和增强材料接触与润湿，粘度高，很难浸渗熔体和增强材料接触与润湿，粘度高，很难浸渗所有单根纤维表面，为增加浸润可采用延长浸渍所有单根纤维表面，为增加浸润可采用延长浸渍时间、增大体系压力、降低熔体粘度等措施。时间、增大体系压力、降低熔体粘度等措施。热固性聚合物复合材料：树脂粘度低，有利于

169、基热固性聚合物复合材料：树脂粘度低，有利于基体对增强材料的浸润。体对增强材料的浸润。PMC界面优化的一般原则复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（3 3）减少复合材料成型中形成的残余应力）减少复合材料成型中形成的残余应力（4 4）调节界面内应力、缓解应力集中）调节界面内应力、缓解应力集中（2 2）适当的界面粘接强度适当的界面粘接强度 提高界面粘接强度对提高界面粘接强度对PMCPMC复合材料大多数的性复合材料大多数的性能是有力的，特别是层间剪切强度。能是有力的，特别是层间剪切强度。 界面粘接强度太高，可使对复合材料的冲

170、击韧界面粘接强度太高，可使对复合材料的冲击韧性降低（裂纹扩展使纤维直接破坏，无界面脱粘性降低（裂纹扩展使纤维直接破坏，无界面脱粘等其它耗能机制）等其它耗能机制） 要从复合材料的综合性能出发，根据基体要求要从复合材料的综合性能出发，根据基体要求设计适当的界面粘接，即进行界面优化。设计适当的界面粘接，即进行界面优化。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学加入两性相容剂原位复合材料加入两性相容剂原位复合材料例例子子：液液晶晶高高分分子子（LCPLCP）微微纤纤/ /聚聚酰酰胺胺加加入入两两性性相相容容剂剂，使使基基体体与与微

171、微纤纤反反应应生生成成接接枝枝共共聚聚物物，成成为为相相间的界面。间的界面。使用界面改性剂使用界面改性剂高岭土高岭土/ PP / PP 中加入带有柔性分子链的界面改性剂。中加入带有柔性分子链的界面改性剂。 环氧中使用交联剂量不同。环氧中使用交联剂量不同。4.4.2.1原位复合材料及刚性粒子树脂基复合材料界面优化复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学玻璃纤维偶联剂：一般采用硅烷偶联剂玻璃纤维偶联剂：一般采用硅

172、烷偶联剂硅烷偶联剂：硅烷偶联剂：R-Si(CHR-Si(CH2 2) )n nX X3 3R R为为有有机机官官能能团团，针针对对聚聚合合物物基基体体而而定定；X X为为可可水水解基团，通常为解基团，通常为ClCl、OROR、N(CHN(CH3 3) )2 2等。等。（1）纤维表面偶联剂改性复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(b)(b)有机硅烷中的有机硅烷中的R R基团较多使用：基团较多使用：44环氧基（环氧基（CHCH2 2-CH-CH-） O O 适合于环氧、聚酯和酚醛树脂。适合于环氧、聚酯和酚醛树脂。44乙烯

173、基乙烯基 (CH(CH2 2=CH-)=CH-) 44甲基丙烯酰基甲基丙烯酰基(CH(CH2 2=C-C-) =C-C-) 适合于聚酯、丙烯酸树脂适合于聚酯、丙烯酸树脂 CHCH3 3 44胺基胺基NHNH2 2-(CH-(CH2 2) )3 3-4 4 有机络合物，如甲基丙烯酸氯化铬盐（即沃蓝有机络合物，如甲基丙烯酸氯化铬盐（即沃蓝)O O复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料

174、的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 A A 等离子体增强体表面改性等离子体增强体表面改性 特特点点：操操作作简简单单，无无环环境境污污染染；表表面面5 510nm10nm发发生生物理或化学变化，不影响增强体的性能。物理或化学变化，不影响增强体的性能。 例例子子：空空气气冷冷等等离离子子体体连连续续处处理理CfCf，效效果果好好，尤尤其其对对接接枝枝改性效果更显著。改性效果更显著。B B 电化学改性电化学改性包括电解氧化（阳极氧化）和电聚合改性包括电解氧化（阳极氧化）和电聚合改性 阳极氧化：应用于碳纤维阳极氧化：应用于碳纤维 电聚合法：在纤维表

175、面聚合一层不同性质的高聚物电聚合法：在纤维表面聚合一层不同性质的高聚物界面层界面层（2）增强体的表面改性复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学GAGA：丙烯酸缩水甘油酯；：丙烯酸缩水甘油酯；MAMA：丙烯酸甲酯；：丙烯酸甲酯；经经电电聚聚合合处处理理后后，CFCF强强度度和和模模量量由由2.02GPa2.02GPa、183Gpa183Gpa提提高到高到2.4Gpa2.4Gpa和和199Gpa199Gpa。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学C

176、 C 辐射改性辐射改性高高能能射射线线对对增增强强体体处处理理的的优优点点：可可在在任任一一温温度度下下进进行行；射射线线能能量量高高、穿穿透透性性强强、处处理理比比较较均均匀匀；不不需需引引发发剂剂可可使使基基体体与与增增强强体体发发生生反反应应；可可批批量量进行改性处理。进行改性处理。例例子子：CoCo6060射射线线对对芳芳酰酰胺胺类类（APMOCAPMOC）纤纤维维改改性性，束束丝丝强强度提高度提高8.18.1，ILSSILSS提高提高4.54.5。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学D D 光化学改性光化学

177、改性例子：例子：GMT/PPGMT/PP复合材料复合材料PPPP无反应活性的基团，界面弱，影响性能。无反应活性的基团，界面弱，影响性能。改性方法：接枝共聚。改性方法：接枝共聚。二苯甲酮为光敏剂，顺丁烯二酸酐为接枝单体，二苯甲酮为光敏剂，顺丁烯二酸酐为接枝单体，PPPP颗粒（颗粒（0.1mm0.1mm）表面在紫外光下发生接枝共聚反应。）表面在紫外光下发生接枝共聚反应。 E E 超声波表面改性超声波表面改性（自学）自学）F F 臭氧氧化法臭氧氧化法（自学自学）复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材

178、料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.5.1金属基复合材料的界面特点（见本章4.3.1）4.5.2金属基复合材料的界面结构类型及界面反应4.5.3界面对复合材料性能的影响4.5.4金属基复合材料的界面优化4.5 金属基复合材料的界面及优化复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.5.2.14.5.2.1金属基复合材料的界面结构类型金属基复合材料的界面结构类型 A A 有界面反应的界面微结构有界面反应的界面微结构 多数金属基复合材料在制备过程中会发生多数金属基复合材料

179、在制备过程中会发生不同程度的界面反应。不同程度的界面反应。C/AlC/Al、C/MgC/Mg、AlAl2 2O O3 3/Mg/Mg、B/AlB/Al等等等等 B B 有元素偏聚和析出相的界面微结构有元素偏聚和析出相的界面微结构 金属合金与基体金属生成金属化合物析出金属合金与基体金属生成金属化合物析出相。相。AlAl中中CuCu生成生成AlAl2 2CuCu。增强体的表面吸附，为。增强体的表面吸附，为界面区生成析出相创造了条件。界面区生成析出相创造了条件。C C 增强体与基体直接进行原子结合的界面结构增强体与基体直接进行原子结合的界面结构 4.5.24.5.2金属基复合材料的界面金属基复合材料

180、的界面结构构类型类型及界面反及界面反应复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学界面反应和反应程度决定了界面结构和特性增强了金属基体与增强体的界面结合强度。增强了金属基体与增强体的界面结合强度。产生脆性界面反应产物。产生脆性界面反应产物。造成增强体的损伤和改变基体成分。造成增强体的损伤和改变基体成分

181、。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学界面反应程度分三类：界面反应程度分三类：弱界面反应弱界面反应：对提高性能有好处。：对提高性能有好处。中中等等程程度度界界面面反反应应：没没损损伤伤增增强强体体，增增强强体体性性能能无无明明显显下下降降。界界面面结结合合较较强强，材材料料易易发发生生脆性破坏和低应力破坏。脆性破坏和低应力破坏。强界面反应强界面反应：有大量反应物产生，形成脆性：有大量反应物产生，形成脆性反应层，增强体严重损伤，性能下降。反应层，增强体严重损伤，性能下降。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制

182、课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学不不同同类类型型和和用用途途的的金金属属基基复复合合材材料料界界面面的的作作用用和和最佳界面结构性能有很大的差别：最佳界面结构性能有很大的差别：对对颗颗粒粒、晶晶须须复复合合材材料料，基基体体是是主主要要的的承承载载体体，必须保证界面足够强，才能发挥增强体的作用。必须保证界面足够强，才能发挥增强体的作用。 对对连连续续纤纤维维复复合合材材料料，增增强强纤纤维维是是主主要要的的承承载载体体，要要求求界界面面结结合合强强度度必必须须适适中中（过过弱弱不不能能有有效效传递载荷、过强引起脆性断裂）。传递载荷、过强引起脆性断裂）。 4.5

183、.34.5.3界面界面对复合材料性能的影响复合材料性能的影响复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学纤维等增强体的表面涂层处理纤维等增强体的表面涂层处理有效改善润湿性和阻止严重的界面反应有效改善润湿性和阻止严重的界面反应例子：化学镀或电镀例子：化学镀或电镀CuCu、NiNi； 化学气相沉积化学气相

184、沉积SiCSiC等。等。 金属基体的合金化金属基体的合金化 优化工艺方法和参数。优化工艺方法和参数。4.5.44.5.4金属基复合材料的界面金属基复合材料的界面优化化复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.6 4.6 陶瓷基复合材料的增韧陶瓷基复合材料的增韧及界面控制及界面控制4.6.1 陶瓷基复合材料的增韧4.6.2 纤维/增强陶瓷基复合材料的界面4.6.3 界面相的结构与性能表征复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.6.1 陶瓷基复合

185、材料的增韧4.6.1.1 陶瓷的断裂4.6.1.2 纤维/陶瓷基复合材料的增韧机制4.6.1.3 晶须/陶瓷基复合材料的增韧机制4.6.1.4 颗粒/陶瓷基复合材料的增韧机制复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 4.6.1.1 陶瓷的断裂陶瓷不具备像金属那样的塑性变形能力，在陶瓷不具备像金属那样的塑性变形能力，在断裂过程中除了产生新的断裂表面所增加的断裂过程中除了产生新的断裂表面所增加的表面能之外，表面能之外，几乎没有其他吸收能量的机制几乎没有其他吸收能量的机制，这就是陶瓷脆性的本质原因。这就是陶瓷脆性的本质原因。一

186、般来说，陶瓷基复合材料中纤维与基体的一般来说，陶瓷基复合材料中纤维与基体的弹性模量值弹性模量值非常接近，因此两者承担载荷的非常接近，因此两者承担载荷的比例相当，纤维的加入，主要是为了增韧。比例相当，纤维的加入，主要是为了增韧。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学陶瓷的界面结合强度对复合材料断裂的影响陶瓷的界面结合强度对复合材料断裂的影响 金金属属基基和和聚聚合合物物基基复复合合材材料料在在纵纵向向拉拉伸伸载载荷荷作作用用下下，纤纤维维在在其其弱弱点点处处断断裂裂。当当纤纤维维/ /基基体体界界面面结结合合强强时时，由

187、由纤纤维维控控制制复复合合材材料料的的断断裂裂；当当界界面面结结合合弱弱时时，由界面或基体控制复合材料断裂。由界面或基体控制复合材料断裂。 陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料的的基基体体脆脆。当当纤纤维维/ /基基体体结结合合弱弱时时，基基体体出出现现裂裂纹纹后后，界界面面局局部部解解离离(de-bonding)，纤纤维维可可以以桥桥联联断断裂裂的的基基体体，使使复复合合材材料料继继续续承承担担载载荷荷。继续加载，则纤维断裂并从基体中拔出。继续加载，则纤维断裂并从基体中拔出。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(1)(1)

188、当金属基和聚合物基复合材料的纤维当金属基和聚合物基复合材料的纤维/ /基体界基体界面结合强时，会发生如下断裂模式：面结合强时，会发生如下断裂模式：原始状态原始状态纤维在弱点纤维在弱点处断裂处断裂复合材料复合材料由纤维由纤维控制断裂控制断裂图4-38 复合材料的断裂模式复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(2)(2)当陶瓷基复合材料的纤维当陶瓷基复合材料的纤维/ /基体的界面结合弱基体的界面结合弱时，断裂模式如下图所示：时，断裂模式如下图所示：纤维桥联有裂纤维桥联有裂纹的基体纹的基体基体产生裂纹，基体产生裂纹，当扩展至

189、纤维时，当扩展至纤维时，界面发生解离界面发生解离纤维断裂和纤维断裂和纤维拔出纤维拔出图4-39 弱界面结合的陶瓷基复合材料的断裂模式复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(3) (3) 纤维增强陶瓷基复合材料的应力纤维增强陶瓷基复合材料的应力应变曲线应变曲线拉拉伸伸应应力力拉伸应变拉伸应变0基体产生基体产生微裂纹微裂纹u纤维断裂纤维断裂纤维拔出纤维拔出纤维桥联基体纤维桥联基体图4-40 纤维增强陶瓷基复合材料的 应力应变曲线复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学

190、院高性能复合材料学4.6.1.2 纤维陶瓷基复合材料的增韧机制陶瓷的增韧机制包括如下七种：陶瓷的增韧机制包括如下七种：基体预压缩应力基体预压缩应力 裂纹扩展受阻裂纹扩展受阻 纤维拔出纤维拔出 纤维桥联纤维桥联 裂纹偏转裂纹偏转 相变增韧相变增韧 微裂纹增韧微裂纹增韧复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(1)(1)基体预压缩应力基体预压缩应力当纤维的轴向热膨胀系数当纤维的轴向热膨胀系数高于基体的热膨胀系数高于基体的热膨胀系数( ( f f m m) )时，复合材料时，复合材料由高温冷却后，基体会产由高温冷却后，基体会产

191、生生与纤维轴向平行的压缩与纤维轴向平行的压缩内应力内应力。此残余应力可以。此残余应力可以延迟基体开裂。延迟基体开裂。当复合材料承受当复合材料承受纵向拉伸纵向拉伸载荷时，其强度、韧性将载荷时，其强度、韧性将增加。增加。基体基体裂纹裂纹 f m基体中的基体中的压缩应力压缩应力纤维中的纤维中的拉伸应力拉伸应力fm复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(2)(2)裂纹扩展受阻裂纹扩展受阻当纤维的断裂韧性比基体本当纤维的断裂韧性比基体本身的断裂韧性大时，基体裂身的断裂韧性大时，基体裂纹垂直界面扩展至纤维时可纹垂直界面扩展至纤维时

192、可被阻止，甚至闭合。被阻止，甚至闭合。因为纤维受到的残余应力为因为纤维受到的残余应力为拉应力，具有收缩趋势，所拉应力，具有收缩趋势，所以可使以可使基体裂纹压缩并闭合基体裂纹压缩并闭合，即阻止了裂纹扩展。即阻止了裂纹扩展。基体裂纹基体裂纹爱阻，倾爱阻，倾向于闭合。向于闭合。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(3)(3)纤维拔出纤维拔出 具有较高断裂韧性的具有较高断裂韧性的纤维，当基体裂纹扩展纤维，当基体裂纹扩展至纤维时，应力集中导至纤维时，应力集中导致结合较弱的纤维致结合较弱的纤维/ /基基体体界面解离界面解离，在进

193、一步，在进一步应变时，将导致纤维的应变时，将导致纤维的断头从基体中断头从基体中拔出拔出。纤维拔出纤维拔出界面解离界面解离复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(4)(4)纤维桥联纤维桥联 在基体开裂后，纤维承受外加载荷，并在基体的裂纹在基体开裂后，纤维承受外加载荷，并在基体的裂纹面之间架桥。桥联的纤维对基体面之间架桥。桥联的纤维对基体产生使裂纹闭合的力产生使裂纹闭合的力，消耗外加载荷做功，从而增大材料的韧性。消耗外加载荷做功，从而增大材料的韧性。 桥联基体断裂面的纤维，当其断头与基体断裂面的距桥联基体断裂面的纤维，当其

194、断头与基体断裂面的距离小于离小于 l lc c 时，纤维则会被刚性地拔出；当纤维断头与时，纤维则会被刚性地拔出；当纤维断头与基体断裂面的距离大于基体断裂面的距离大于 l lc c 时，纤维将在时，纤维将在 fufu 的应力下的应力下被拉断。被拉断。 在纤维拔出和纤维断裂机制中，以纤维断头克服摩擦在纤维拔出和纤维断裂机制中，以纤维断头克服摩擦力从基体断裂面拔出机制消耗能量的效果最为显著。力从基体断裂面拔出机制消耗能量的效果最为显著。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(5)(5)相变增韧相变增韧基体中裂纹尖端的应力埸引

195、起裂纹尖端附近的基体中裂纹尖端的应力埸引起裂纹尖端附近的基体发生相变，亦称应力诱导相变。当相变造基体发生相变，亦称应力诱导相变。当相变造成体积膨胀时，它会挤压裂纹使之闭合。成体积膨胀时，它会挤压裂纹使之闭合。例如四方氧化锆例如四方氧化锆(t-(t-ZrO2) )多晶体多晶体( (简记为简记为TZP)TZP)在应力诱导下相变为单斜相氧化锆在应力诱导下相变为单斜相氧化锆(t-(t-ZrO2 m-m-ZrO2) )时，发生体积膨胀，从而产生增韧时，发生体积膨胀，从而产生增韧效果。效果。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(

196、6)(6)裂纹偏转裂纹偏转裂纹沿着结合较弱的纤维裂纹沿着结合较弱的纤维/ /基体界面弯折，基体界面弯折，偏离原来的扩展方向，即偏离原来的扩展方向，即偏离与界面相垂偏离与界面相垂直直的方向，因而使断裂路径增加。的方向，因而使断裂路径增加。裂纹可以沿着界面偏转，或者虽然仍按原裂纹可以沿着界面偏转，或者虽然仍按原来方向扩展，但在越过纤维时产生了沿界来方向扩展，但在越过纤维时产生了沿界面方向的分叉。面方向的分叉。见下页图。见下页图。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学原始状态原始状态基体被界基体被界面结合力面结合力固定固定施

197、加外力，基体萌生裂纹并沿着施加外力，基体萌生裂纹并沿着垂直于纤维垂直于纤维/基体界面的方向开始基体界面的方向开始扩展。到达界面时，裂纹被阻止。扩展。到达界面时，裂纹被阻止。纤维纤维/基体界面结合弱，基体界面结合弱，由于基体剪切和纤维、由于基体剪切和纤维、基体的横向收缩，使界基体的横向收缩，使界面解离，裂纹偏转至界面解离，裂纹偏转至界面方向，然后又重新沿面方向，然后又重新沿原方向扩展。原方向扩展。纤维在其弱纤维在其弱点处断裂点处断裂纤维断头克服纤维断头克服界面摩擦阻力界面摩擦阻力从基体中拔出。从基体中拔出。abcde复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学

198、航天与材料工程学院高性能复合材料学(7)(7)微裂纹增韧机制微裂纹增韧机制利用相变过程中产生体积膨胀，在基体中引起利用相变过程中产生体积膨胀，在基体中引起微裂纹微裂纹或或微裂纹区微裂纹区，使主裂纹遇到微裂纹或进，使主裂纹遇到微裂纹或进入微裂纹区后，分化为一系列小裂纹，形成许入微裂纹区后，分化为一系列小裂纹，形成许多新的断裂表面，从而吸收能量。多新的断裂表面，从而吸收能量。这种微裂纹增韧机制必须预先制造出众多的微这种微裂纹增韧机制必须预先制造出众多的微裂纹，因而降低了材料的强度。裂纹，因而降低了材料的强度。微裂纹增韧机制适合于微裂纹增韧机制适合于基体弹性模量较低基体弹性模量较低的陶的陶瓷基复合材

199、料。瓷基复合材料。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（8 8）纤维增韧机制举例）纤维增韧机制举例碳纤维（碳纤维（30vol%30vol%）/ /石英玻璃石英玻璃: : 在碳纤维在碳纤维/ /石英玻璃复合材料中，起支配作用石英玻璃复合材料中，起支配作用的增韧机制是纤维拔出。其弯曲强度的增韧机制是纤维拔出。其弯曲强度(600MPa)(600MPa)比比未加碳纤维时未加碳纤维时(51.5MPa)(51.5MPa)增加约增加约1111倍；断裂韧性增倍；断裂韧性增加两个数量级。加两个数量级。碳纤维碳纤维(30vol%)/(3

200、0vol%)/氮化硅氮化硅: : 该复合材料的断裂功该复合材料的断裂功(4800J/m(4800J/m2 2) )比未加碳纤比未加碳纤维时维时(20J/m(20J/m2 2) )显著增加。显著增加。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 小结小结（1 1）高强度、高韧性复合材料应满足：）高强度、高韧性复合材料应满足：纤维的纤维的强度和模量强度和模量高于基体；高于基体；纤维纤维热膨胀系数热膨胀系数高于或等于基体；高于或等于基体；界面既能保证载荷传递，又能在裂纹扩展过程中适界面既能保证载荷传递，又能在裂纹扩展过程中适当解离

201、，并使当解离，并使纤维断头与断裂面的距离纤维断头与断裂面的距离小于纤维临小于纤维临界长度，以便能从基体中拔出。界长度，以便能从基体中拔出。（2 2）纤维与基体）纤维与基体界面解离界面解离、裂纹偏转裂纹偏转和和纤维拔出纤维拔出等等耗能机制，与纤维耗能机制，与纤维/ /基体之间的界面结合强弱密切基体之间的界面结合强弱密切相关。相关。（3 3）对纤维）对纤维/ /基体界面相的要求、控制和表征以及其基体界面相的要求、控制和表征以及其制备工艺均是陶瓷基复合中材料当前制备工艺均是陶瓷基复合中材料当前研究的热点研究的热点。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与

202、材料工程学院高性能复合材料学4.4.1.3 晶须/陶瓷基复合材料的增韧机制（1 1）晶须增韧陶瓷的主要机制）晶须增韧陶瓷的主要机制晶须拔出晶须拔出裂纹偏转裂纹偏转晶须桥联晶须桥联微裂纹区微裂纹区 与纤维增韧相类似与纤维增韧相类似(略）略）复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学晶须增韧是高温增韧机制晶须增韧效果不随温度而变化，因此，晶晶须增韧效果不随温度而变化，因此，晶须增韧是须增韧是高温高温结构陶瓷复合材料的主要增结构陶瓷复合材料的主要增韧方式。韧方式。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国

203、防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2 2）晶须桥联增韧机制的特点）晶须桥联增韧机制的特点v与纤维桥联相类似，晶须桥联也可对基体产生一与纤维桥联相类似，晶须桥联也可对基体产生一个个使裂纹闭合的力使裂纹闭合的力，断裂阻抗随着微裂纹扩展而，断裂阻抗随着微裂纹扩展而急剧增大，从而增加断裂功。这种由晶须与基体急剧增大，从而增加断裂功。这种由晶须与基体共同增韧的过程，称为共同增韧的过程，称为一级增韧一级增韧；v在晶须架桥过程中，由于晶须往往与裂纹面不相在晶须架桥过程中，由于晶须往往与裂纹面不相垂直，以及晶须与界面相的弹性失配，因此在被垂直，以及晶须与界面相的弹性失配，因此在被桥联的桥联的裂

204、纹尖端后方裂纹尖端后方发生界面解离（称为发生界面解离（称为后续解后续解离离）。在晶须根部的这种后续解离，进一步蓄积）。在晶须根部的这种后续解离，进一步蓄积弹性能，引起断裂阻抗再次增加，从而提供了增弹性能，引起断裂阻抗再次增加，从而提供了增韧效果。并称之为韧效果。并称之为二级增韧二级增韧。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（3 3）SiCSiC晶须晶须/ / - -SiSi3 3N N4 4( (简记为简记为W/BN)W/BN)的应力的应力应变曲线应变曲线弯弯曲曲载载荷荷位移位移W/BN弯弯曲曲载载荷荷位移位移-Si

205、3N4只有一级增韧时，应力只有一级增韧时，应力应变曲线顶端没有应变曲线顶端没有“载荷载荷保持保持”阶段。阶段。应力应力应变曲线上的应变曲线上的“载荷保持载荷保持”阶段对应着二级阶段对应着二级增韧的后续解离过程。解离增韧的后续解离过程。解离（应力松弛）、裂纹和晶须变（应力松弛）、裂纹和晶须变形（应力增大）两种效应交替。形（应力增大）两种效应交替。图图4-42 SiC4-42 SiC晶须晶须/ / - -SiSi3 3N N4 4的应力的应力应变曲线应变曲线复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学原解离界面，产生原解离界面，

206、产生一级增韧行为。一级增韧行为。后续解离界面，产后续解离界面，产生二级增韧行为。生二级增韧行为。图图4-43 4-43 倾斜晶须的二级增韧模型倾斜晶须的二级增韧模型倾斜晶须倾斜晶须裂纹裂纹基体基体基体基体复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（4 4）后续解离增韧作用与晶须方位角的关系）后续解离增韧作用与晶须方位角的关系设晶须轴与裂纹面法线之间的夹角为设晶须轴与裂纹面法线之间的夹角为 ， 00时，由于时，由于晶须桥联的原解离界面晶须桥联的原解离界面与与尚未解离尚未解离的界面的界面交界处应力集中，结果诱发晶须根部界面的交

207、界处应力集中，结果诱发晶须根部界面的后续解离，从而产生二级增韧。后续解离，从而产生二级增韧。 =0=0时，后续解离的长度最小，此时只显示一级时，后续解离的长度最小，此时只显示一级增韧行为；增韧行为； =45=45时，后续解离的长度明显增大，表现出二级时，后续解离的长度明显增大，表现出二级增韧行为；增韧行为； 4545时，晶须根部附近的局部基体损坏，导致晶时，晶须根部附近的局部基体损坏，导致晶须失去桥联作用，此时已不能产生二级增韧作用。须失去桥联作用，此时已不能产生二级增韧作用。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 4

208、.4.1.4 颗粒/陶瓷基复合材料的增韧机制裂纹受阻裂纹偏转相变增韧微裂纹区增韧（1 1）弥散分布的第二相颗粒的增韧机制）弥散分布的第二相颗粒的增韧机制颗粒增韧是高温增韧机制，颗粒弥散增韧与温颗粒增韧是高温增韧机制，颗粒弥散增韧与温度无关，因此可以作为高温增韧机制度无关，因此可以作为高温增韧机制复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 基体与第二相颗粒的弹性模量之差；基体与第二相颗粒的弹性模量之差；基体与第二相颗粒的热膨胀系数之差；基体与第二相颗粒的热膨胀系数之差；两相之间的化学相容性。两相之间的化学相容性。（2 2）影

209、响第二相颗粒增韧效果的主要因素）影响第二相颗粒增韧效果的主要因素复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学1 1）弹性模量的影响）弹性模量的影响当颗粒的弹性模量高于基体时当颗粒的弹性模量高于基体时，受拉伸载荷的，受拉伸载荷的复合材料中颗粒将阻止基体的横向收缩。为达复合材料中颗粒将阻止基体的横向收缩。为达到变形协调，必须增加外加纵向拉伸应力，即到变形协调，必须增加外加纵向拉伸应力，即消耗更多的外界能量，从而起到增韧作用。消耗更多的外界能量，从而起到增韧作用。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防

210、科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学2 2）热膨胀系数的影响）热膨胀系数的影响若颗粒与基体的热膨胀系数不匹配，则能若颗粒与基体的热膨胀系数不匹配，则能在第二相颗粒周围的基体中产生在第二相颗粒周围的基体中产生残余应力残余应力场场。当颗粒弹性模量与基体弹性模量相当当颗粒弹性模量与基体弹性模量相当（EpEm）时，不论颗粒热膨胀系数大于）时，不论颗粒热膨胀系数大于还是小于基体，都能收到增韧效果。还是小于基体，都能收到增韧效果。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学颗粒与基体热膨胀系数不同颗粒与基体热膨胀系数不同 （

211、p p- - m m）00或（或（ p p - - m m） 0 0时的影响时的影响当颗粒热膨胀系数与基体热膨胀系数之差大于当颗粒热膨胀系数与基体热膨胀系数之差大于零零 （ p p- - m m）00时，时，在颗粒内产生等静拉应在颗粒内产生等静拉应力力p p，而在环绕颗粒的基体中产生，而在环绕颗粒的基体中产生径向拉应力径向拉应力和和切向压应力切向压应力（分别记为（分别记为 r r 和和 t t ) )。见下页图见下页图。当（当（ p p - - m m） 0 0时，上述各应力均符号相反。时，上述各应力均符号相反。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航

212、天与材料工程学院高性能复合材料学球形颗粒球形颗粒界面界面基体基体基体基体基体基体基体基体3 3）无限大基体中的球形颗粒）无限大基体中的球形颗粒 （ p-p- m m） 00产生的产生的残余应力（等静拉应力）残余应力（等静拉应力）prR颗粒外基体应力埸颗粒外基体应力埸中某一点中某一点图图4-44 4-44 无限大基体中的球形颗粒无限大基体中的球形颗粒 （ p p- - m m） 00产生的残余应力产生的残余应力 复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学基体中产生径向基体中产生径向拉应力拉应力 r基体中产生切向压应力应力t径

213、向拉应力径向拉应力的大小分布的大小分布r基体基体基体中假想的缺口。基体中假想的缺口。在径向应力的作用下，在径向应力的作用下，缺口倾向闭合。缺口倾向闭合。颗粒所占据的空间颗粒所占据的空间切向压应力切向压应力的大小分布的大小分布 p pm m 时基体中的残余应力分布时基体中的残余应力分布 （径向拉应力和切向压应力）（径向拉应力和切向压应力）图图4-45 4-45 p p m m 时基体中的残余应力时基体中的残余应力复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4 4）颗粒的临界半径）颗粒的临界半径由颗粒与基体热膨胀系数之差在颗粒中

214、所引起的由颗粒与基体热膨胀系数之差在颗粒中所引起的等静拉应力等静拉应力 p 与颗粒半径与颗粒半径 r 无关（公式略）；无关（公式略）；而在基体中引起的而在基体中引起的径向拉应力径向拉应力和和切向压应力切向压应力随着随着颗粒半径的三次方增大。颗粒半径的三次方增大。 r=p(r/R)3 t=-(1/2)p(r/R)3 式中，式中，R R为应力埸中某一点距颗粒中心的距离。为应力埸中某一点距颗粒中心的距离。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 颗粒临界半径颗粒临界半径d dc c的物理意义的物理意义当颗粒当颗粒直直径径2 2

215、r r 大于某一临界值大于某一临界值d dc c时，基体会自发时，基体会自发产生产生切向切向微开裂微开裂 （ p p- - m m） 00，或自发产生，或自发产生径向径向微开裂微开裂 （ p p- - m m） 00。当颗粒直径当颗粒直径2 2r r小于某值（小于某值（d dminmin）时，容易产生团聚）时，容易产生团聚并使团聚粒径超过并使团聚粒径超过d dc c，导致冷却过程中自发开裂。，导致冷却过程中自发开裂。颗粒增韧的几何条件：颗粒增韧的几何条件： dmin 2r dc复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学5

216、5）颗粒增强单相细晶陶瓷基体复合材料的增韧机制）颗粒增强单相细晶陶瓷基体复合材料的增韧机制增韧机制是裂纹偏转；增韧机制是裂纹偏转；断裂方式是沿晶界断裂。断裂方式是沿晶界断裂。裂纹偏转的驱动力是前述的残余应力裂纹偏转的驱动力是前述的残余应力场场。它将。它将引起绝对的增韧效果。引起绝对的增韧效果。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学裂纹偏转增韧时的裂纹扩展路径裂纹偏转增韧时的裂纹扩展路径当当 p p m m 时，裂纹首先沿着与时，裂纹首先沿着与径向应力平行径向应力平行、与与切向应力垂直切向应力垂直的方向扩展；的方向扩展；

217、当裂纹前方遇到颗粒时，裂纹偏离原扩展方向，当裂纹前方遇到颗粒时，裂纹偏离原扩展方向，而环绕颗粒沿着与而环绕颗粒沿着与切向应力平行切向应力平行、与、与径向应力径向应力垂直垂直的方向扩展；的方向扩展；当裂纹靠近颗粒时，由于受到当裂纹靠近颗粒时，由于受到径向压应力径向压应力的作的作用，使裂纹到达颗粒用，使裂纹到达颗粒/ /基体界面，然后再沿原扩基体界面，然后再沿原扩展方向传播，从而增长了裂纹在基体中的扩展展方向传播，从而增长了裂纹在基体中的扩展路径。路径。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学单相细晶粒基体单相细晶粒基体颗粒

218、颗粒裂纹扩展路径裂纹扩展路径（a a） p p m m 时的裂纹扩展路径时的裂纹扩展路径 （颗粒直径远比基体晶粒直径大）（颗粒直径远比基体晶粒直径大）裂纹张开裂纹张开图图4-46 4-46 p p m m 时的裂纹扩展路径时的裂纹扩展路径复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（b b） p p m m 时的裂纹扩展路径时的裂纹扩展路径 （颗粒直径大于基体晶粒直径）（颗粒直径大于基体晶粒直径）穿晶断裂（第二相穿晶断裂（第二相颗粒直径较大时）颗粒直径较大时）晶间断裂（第二相晶间断裂（第二相颗粒直径较小时）颗粒直径较小时）图

219、图4-47 4-47 p p m m 时的裂纹扩展路径时的裂纹扩展路径复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学6 6）微裂纹区增韧机制）微裂纹区增韧机制当当 p p m m、颗粒直径颗粒直径 d dc c时，在应力作用下，扩时，在应力作用下，扩展裂纹的尖端将出现微裂纹区（亦称应力诱导展裂纹的尖端将出现微裂纹区（亦称应力诱导开裂开裂见下页图见下页图），从而松弛裂纹尖端的应），从而松弛裂纹尖端的应力，产生增韧效果。力，产生增韧效果。颗粒直径应不小于颗粒直径应不小于d dminmin已研究并测出已研究并测出SiCSiC颗粒颗粒

220、/ /SiSi3 3N N4 4的的d dmin min 和和d dc c 值为：值为： d dminmin =135 =135m m d dc c =317 =317m m复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学主裂纹主裂纹微裂纹区微裂纹区微裂纹微裂纹裂纹扩展诱发产生微裂区裂纹扩展诱发产生微裂区图图4-48 4-48 裂纹扩展诱发产生微裂区裂纹扩展诱发产生微裂区复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.6.2 纤维增强陶瓷基复合材料的界面控制4

221、.6.2.1 纤维增强陶瓷基复合材料的断裂模式4.6.2.2 纤维/基体界面相的功能、控制途径、要求与种类4.6.2.3 纤维涂层工艺复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.6.2.1 纤维增强陶瓷基复合材料的断裂模式图图4-49 4-49 沿纤维方向受拉伸时的三类断裂模式沿纤维方向受拉伸时的三类断裂模式脆性断裂脆性断裂界面结合较强界面结合较强韧性断裂韧性断裂界面结合界面结合较弱或适中较弱或适中混合断裂混合断裂界面结合界面结合有强有弱有强有弱复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术

222、大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.6.2.2 纤维/基体界面相的功能、控制途径、要求与种类 有效传递载荷有效传递载荷 调节内部应力分布调节内部应力分布 保护纤维保护纤维(1)(1)纤维纤维/ /基体界面相的功能基体界面相的功能复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2 2）复合材料中界面的作用）复合材料中界面的作用“松粘层松粘层”作用作用界面结合适中时，扩展到界面结合适中时，扩展到界面的基体裂纹沿解离的界面层发生偏转；界面的基体裂纹沿解离的界面层发生偏转；传递载荷传递载荷界面相有足够的强度来传递载荷；界面相有足

223、够的强度来传递载荷；“缓解层缓解层”作用作用界面相应能缓解界面热应界面相应能缓解界面热应力；力；“阻挡层阻挡层”作用作用界面相应能阻挡元素扩散界面相应能阻挡元素扩散和阻缓发生有害化学反应；和阻缓发生有害化学反应；高温下抗氧化高温下抗氧化界面相能在纤维周围构成阻界面相能在纤维周围构成阻碍氧气接触纤维的一道屏障。碍氧气接触纤维的一道屏障。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(3)(3)控制界面相的主要技术途径控制界面相的主要技术途径什么是界面控制？什么是界面控制？调节界面结合强度调节界面结合强度改善界面区微观结构改善界面

224、区微观结构复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学( (a)a)原位反应原位反应使纤维表面富碳。使纤维表面富碳。(b)(b)加添加剂加添加剂使基体含有某些成份，富集使基体含有某些成份，富集在纤维周围，以控制界面相的成份与结构。在纤维周围，以控制界面相的成份与结构。(c)(c)纤维涂层纤维涂层保护纤维免受化学腐蚀。保护纤维免受化学腐蚀。控制界面相的措施控制界面相的措施复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学纤维涂层法的应用纤维涂层法的应用v纤维涂层适

225、用于碳纤维和碳化硅纤维纤维涂层适用于碳纤维和碳化硅纤维v涂层后纤维用于制造非氧化物陶瓷基复合材料，涂层后纤维用于制造非氧化物陶瓷基复合材料，如：如：Cf/SiC、SiCf/SiC等。等。v涂层物质主要有：涂层物质主要有： (a)(a)裂解碳（裂解碳（PVC) ) (b) (b)六方晶型的六方晶型的 BNBN (c) (c)复杂氧化物（如云母、复杂氧化物（如云母、 -Al2O3和稀土磷酸和稀土磷酸盐）盐）复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学对界面相（纤维涂层）的要求（对界面相（纤维涂层）的要求（5 5点）点）1 1）界

226、面相与纤维和与基体之间均具有）界面相与纤维和与基体之间均具有良好的化学良好的化学和物理相容性和物理相容性要求它们之间化学稳定性好以要求它们之间化学稳定性好以及与纤维和与基体之间热膨胀系数匹配性好。及与纤维和与基体之间热膨胀系数匹配性好。2 2）高温稳定性）高温稳定性要求界面相在高温下要求界面相在高温下不出现引不出现引起其作用失效的组织和结构变化起其作用失效的组织和结构变化。3 3）界面相与纤维和与基体润湿）界面相与纤维和与基体润湿要求界面涂层要求界面涂层与纤维和与基体之间的与纤维和与基体之间的界面能合适界面能合适，从而既能润，从而既能润湿纤维又能润湿基体。湿纤维又能润湿基体。复合材料的界面理论

227、和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4 4）界面相具有较低的剪切强度）界面相具有较低的剪切强度要求在复合材要求在复合材料受力时界面容易发生解离，以使裂纹能在此发料受力时界面容易发生解离，以使裂纹能在此发生偏转。生偏转。5 5）界面相必须有一定的厚度）界面相必须有一定的厚度若此厚度过小，若此厚度过小，则在制备复合材料时界面相容易消失或缩小，导则在制备复合材料时界面相容易消失或缩小，导致纤维与基体结合过强。致纤维与基体结合过强。 复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材

228、料学界面相厚度的影响界面相厚度的影响例如例如: :具有具有3 3 m m厚富碳涂层的厚富碳涂层的SCS-6SCS-6纤维增强反应纤维增强反应烧结氮化硅复合材料比具有烧结氮化硅复合材料比具有1 1 m m厚涂层的厚涂层的SCS-2SCS-2纤纤维增强的复合材料的力学性能高。维增强的复合材料的力学性能高。研究发现研究发现：后者在制备过程中，由于：后者在制备过程中，由于SiSi原子向原子向SCS-2SCS-2的富碳层中扩散而导致界面相（富碳层）消的富碳层中扩散而导致界面相（富碳层）消失或缩小，界面相无法起到应有的作用。失或缩小，界面相无法起到应有的作用。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控

229、制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学控制界面的新思路控制界面的新思路开发多层涂层开发多层涂层单一涂层材料往往很单一涂层材料往往很难满足上述全部要求，难满足上述全部要求，因此需要开发多层涂因此需要开发多层涂层（复合涂层），它层（复合涂层），它为界面相控制提供了为界面相控制提供了新思路。新思路。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学界面解离的种类（三种形式）界面解离的种类（三种形式）第一种：界面沿着第一种：界面沿着纤维的粗糙表面解纤维的粗糙表面解离离纤维与基体纤维与基体之间结合较弱的情之间结

230、合较弱的情况。况。第二种：解离后第二种：解离后有部分基体粘接有部分基体粘接在纤维表面上在纤维表面上纤维纤维/基体结合基体结合较强的情况。较强的情况。第三种：在纤维涂层第三种：在纤维涂层（即界面相）中发生解（即界面相）中发生解离离界面相强度较低界面相强度较低或疏松、多孔的情况。或疏松、多孔的情况。基体基体纤维纤维界面相界面相图图4-50界面解离的三种形式界面解离的三种形式复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学纤维增强陶瓷基复合材料中几种不同界面纤维增强陶瓷基复合材料中几种不同界面相中的裂纹扩展途径相中的裂纹扩展途径1）简

231、单弱界面）简单弱界面结合。裂纹在界结合。裂纹在界面相与纤维之间面相与纤维之间的界面处发生偏的界面处发生偏转，导致界面解转，导致界面解离。离。2）界面相由平）界面相由平行于纤维轴的行于纤维轴的层状晶体材料层状晶体材料组成。裂纹在组成。裂纹在界面相的弱层界面相的弱层间扩展。间扩展。3）界面相由纳米）界面相由纳米或微米级的、结或微米级的、结构和性能不同的构和性能不同的层状材料组成。层状材料组成。裂纹在界面相中裂纹在界面相中分叉。分叉。4）界面相由多）界面相由多孔材料组成。裂孔材料组成。裂纹沿微孔发生多纹沿微孔发生多次偏转。次偏转。mfmfmfmf图图4-51几种不同的界面相中的裂纹扩展途径几种不同的

232、界面相中的裂纹扩展途径复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.6.2.3 纤维涂层工艺常用纤维涂层工艺的分类：常用纤维涂层工艺的分类：直接法涂层直接法涂层间接法涂层间接法涂层复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学直接法涂层直接法涂层涂层材料在涂覆前后不发生化学变化。涂层材料在涂覆前后不发生化学变化。例如：例如：物理气相沉积物理气相沉积等离子喷涂等离子喷涂喷射喷射复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航

233、天与材料工程学院高性能复合材料学间接法涂层间接法涂层涂层材料是在涂覆过程中通过化学合成或涂层材料是在涂覆过程中通过化学合成或者转化而形成的。者转化而形成的。例如：例如：化学气相沉积化学气相沉积溶胶溶胶凝胶凝胶聚合物裂解聚合物裂解原位合成原位合成电镀电镀复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（1 1） 化学气相沉积（化学气相沉积（CVD）法制备纤维涂层）法制备纤维涂层1 1）CVDCVD涂层工艺简介涂层工艺简介CVD涂层工艺涂层工艺CVD是将几种气体输送至纤是将几种气体输送至纤维表面并在该处发生化学反应，反应产物沉积维表

234、面并在该处发生化学反应，反应产物沉积于纤维表面形成涂层。于纤维表面形成涂层。可涂覆物质可涂覆物质：碳、碳化物、硼化物、氮化物和：碳、碳化物、硼化物、氮化物和氧化物。氧化物。涂层厚度涂层厚度：数纳米至数微米。：数纳米至数微米。适用类型适用类型：连续纤维、晶须、纤维编织体。：连续纤维、晶须、纤维编织体。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学2 2）CVDCVD法涂层的优点法涂层的优点采用的气态先驱体简单易得。如裂解碳涂层可采用的气态先驱体简单易得。如裂解碳涂层可用用CHCH4 4、C C2 2H H6 6和和C C3 3H

235、 H8 8；SiCSiC涂层可用涂层可用CHCH3 3SiClSiCl3 3(MTS)+H(MTS)+H2 2; ;能够在较低的温度和压力下进行涂层，因此对能够在较低的温度和压力下进行涂层，因此对纤维的损伤小；纤维的损伤小；可以根据不同的要求来控制涂层的成份、厚度可以根据不同的要求来控制涂层的成份、厚度和结构；和结构；采用循环变化源气成份的方法，可以制得纳米采用循环变化源气成份的方法，可以制得纳米级厚度的、不同材料叠层结构的复合涂层。级厚度的、不同材料叠层结构的复合涂层。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的

236、界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（2 2）溶胶）溶胶凝胶凝胶(Sol-Gel)(Sol-Gel)法制备纤维涂层法制备纤维涂层1 1）Sol-Gel法工艺简介法工艺简介Sol-Gel法工艺法工艺将醇盐或其混合物溶于溶将醇盐或其混合物溶于溶剂，用以浸渍纤维，溶液先剂，用以浸渍纤维，溶液先“胶化胶化”形成胶形成胶体（即溶胶），溶胶经过一定时间后水解体（即溶胶），溶胶经过一定时间后水解（或氨化）转变为凝胶。凝胶在加热过程中（或氨化）转变为凝胶。凝胶在加热过程中通过蒸发脱去所含液相，并在一定温度下烧通过蒸发脱去所含液相，并在一定温度

237、下烧结成为纤维涂层。结成为纤维涂层。可涂层物质可涂层物质：氮化物、氧化物。：氮化物、氧化物。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学2 2）Sol-GelSol-Gel法的优点法的优点设备和工艺过程简单，生产成本低；设备和工艺过程简单，生产成本低；通过调整原料的纯度和控制反应过程，可以获通过调整原料的纯度和控制反应过程，可以获得成份准确、纯度高的涂层，甚至可以获得非得成份准确、纯度高的涂层，甚至可以获得非晶态涂层；晶态涂层；涂层厚度均匀，且可通过多次重复工艺均匀增涂层厚度均匀，且可通过多次重复工艺均匀增大涂层厚度（超过大

238、涂层厚度（超过200nm200nm）。还可通过在循环）。还可通过在循环中采用不同配方，制备具有多层结构中采用不同配方，制备具有多层结构 简记为简记为 （X/Y)nX/Y)n。其中，。其中，X X、Y Y代表不同成份的氧化物、代表不同成份的氧化物、氮化物；氮化物；n n表示层数表示层数 的复合涂层。的复合涂层。烧成温度低，对纤维损伤小。烧成温度低，对纤维损伤小。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学*Sol-Gel*Sol-Gel法存在的主要问题法存在的主要问题：凝胶中含有较多液相，液相蒸发后产生凝胶中含有较多液相，液相

239、蒸发后产生的收缩会在涂层中形成的收缩会在涂层中形成微裂纹或孔隙微裂纹或孔隙。但。但如果加以控制，也可利用这一特点获得多如果加以控制，也可利用这一特点获得多孔界面相。孔界面相。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（3 3）聚合物裂解法制备纤维涂层）聚合物裂解法制备纤维涂层1 1）聚合物裂解工艺简介）聚合物裂解工艺简介以液态先驱体（或先驱体聚合物的溶液）浸以液态先驱体（或先驱体聚合物的溶液）浸渍纤维，在一定的温度和保护气氛下，先驱渍纤维，在一定的温度和保护气氛下，先驱体聚合物裂解，生成包覆于纤维表面的陶瓷体聚合物裂解，生

240、成包覆于纤维表面的陶瓷涂层。涂层。聚合物裂解法进行纤维涂层的例子：用沥青聚合物裂解法进行纤维涂层的例子：用沥青为先驱体制备为先驱体制备裂解碳裂解碳涂层；用聚碳硅烷为先涂层；用聚碳硅烷为先驱体制备驱体制备SiC涂层。涂层。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学2 2）聚合物裂解工艺存在的主要问题）聚合物裂解工艺存在的主要问题聚合物先驱体的陶瓷转化率不高（聚合物先驱体的陶瓷转化率不高（70% l lc c/2 /2 时，纤维被拉断；时，纤维被拉断；当复合材料破坏形式从纤维拔出变为纤维断裂当复合材料破坏形式从纤维拔出变为纤维

241、断裂时，嵌入基体中纤维的长度应为时，嵌入基体中纤维的长度应为l lc c/2/2。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 llc/2llc/2纤维将被拉断纤维将被拉断载荷载荷载荷载荷作用在纤维上作用在纤维上的剪应力的剪应力图图4-55埋入纤维拔出模型埋入纤维拔出模型lc/2l lc /2纤维将被拔出纤维将被拔出复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学埋入纤维试验的应用：埋入纤维试验的应用： 这种方法最先应用于聚合物基复合材这种方法最先应用于聚合物

242、基复合材料，后来也广泛用于金属基复合材料和具料，后来也广泛用于金属基复合材料和具有脆性基体的陶瓷基复合材料中。有脆性基体的陶瓷基复合材料中。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 为了使单纤维从基体中拔出而不至于发生纤维为了使单纤维从基体中拔出而不至于发生纤维断裂，必须使纤维埋入基体中的长度适当。例如断裂，必须使纤维埋入基体中的长度适当。例如: :碳纤维的最大包埋长度在碳纤维的最大包埋长度在0.050.050.30.3之间，这之间，这给制作试样带来了极大的困难。给制作试样带来了极大的困难。 制作试样简单化研究制作试样简

243、单化研究： 水银法水银法：将单纤维夹持在框架中，然后使其周围：将单纤维夹持在框架中，然后使其周围的一薄树脂层飘浮在水银上面固化，这个技术非常的一薄树脂层飘浮在水银上面固化，这个技术非常浪费时间。浪费时间。 微珠法微珠法：在纤维表面滴上树脂微珠的方法，可以：在纤维表面滴上树脂微珠的方法，可以得到较小的包埋长度，这个长度易于测量，得到较小的包埋长度，这个长度易于测量， 但妨但妨碍了对界面脱粘过程的观察。碍了对界面脱粘过程的观察。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 对于纤维抽拔测试中界面的剪切应力的分对于纤维抽拔测试中界

244、面的剪切应力的分析，一般有解析法和有限元法，建立的模型从单析，一般有解析法和有限元法，建立的模型从单纤维模型发展到了多纤维模型，单纤维模型没有纤维模型发展到了多纤维模型，单纤维模型没有考虑纤维间的相互作用，而多纤维模型考虑到了考虑纤维间的相互作用，而多纤维模型考虑到了这一点，因而更符合实际的复合材料。这一点，因而更符合实际的复合材料。 复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(2)(2)临界纤维长度法临界纤维

245、长度法 六十年代六十年代KellyKelly提出提出 适合测量热塑性基体或高延伸率的热固性基体复适合测量热塑性基体或高延伸率的热固性基体复合材料的界面粘结性能合材料的界面粘结性能 试样制作试样制作：在长方形条状试样的纵向中心预埋入：在长方形条状试样的纵向中心预埋入一根纤维，然后对试样施加拉伸载荷，由于界面的一根纤维，然后对试样施加拉伸载荷，由于界面的作用，将载荷传递至纤维，并使纤维沿纵向连续发作用，将载荷传递至纤维，并使纤维沿纵向连续发生断裂，这一现象会一直进行到小段纤维周围的界生断裂，这一现象会一直进行到小段纤维周围的界面不能再传递载荷使纤维进一步发生断裂时为止。面不能再传递载荷使纤维进一步

246、发生断裂时为止。 理论：纤维临界长度理论：纤维临界长度复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 纤纤维维临临界界长长度度对对于于透透明明基基体体可可由由光光学学测测量量确确定定，对对于于非非透透明明基基体体可可采采用用声声发发射射技技术术测测定定，最最近近FaverFaver对对纤纤维维的的断断裂裂过过程程进进行行了了计计算算机机模模拟拟，取取得了较好的效果。得了较好的效果。 对于热固性树脂来说预聚物粘度很低，易于对于热固性树脂来说预聚物粘度很低，易于制样。但热塑性树脂在制样上存在较大的困难。制样。但热塑性树脂在制样上存

247、在较大的困难。纤维临界长度纤维临界长度复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学微脱粘是指单纤维在某一局部与基体微脱粘是指单纤维在某一局部与基体发生分离。发生分离。方法：在透明树脂块中包埋一根短纤方法：在透明树脂块中包埋一根短纤维，当树脂块受压时，由于纤维和基体维，当树脂块受压时，由于纤维和基体的弹性特性不同，界面将产生剪切应力的弹性特性不同，界面将产生剪切应力或拉伸应力，分析纤维脱粘时的外加应或拉伸应力，分析纤维脱粘时的外加应力即可得到界面剪切强度或拉伸强度。力即可得到界面剪切强度或拉伸强度。原理：对于基体若开始脱粘时的

248、外加原理：对于基体若开始脱粘时的外加压缩应力为压缩应力为，则剪切应力，则剪切应力2.52.5(3)(3)微脱粘法微脱粘法复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学（4 4） 压痕法压痕法（设备：标准显微硬度机）（设备：标准显微硬度机）V型压头型压头纤维纤维半径半径 r基体基体支柱支柱外加外加载荷载荷F纤维纤维下陷距离下陷距离（位移量（位移量u）图4-52压痕法示意图复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学压痕法的原理：压痕法的原理：制作制作含有一根纤

249、维含有一根纤维的微型复合材料试样；的微型复合材料试样；在垂直于纤维的方向将试样磨平、抛光，并在垂直于纤维的方向将试样磨平、抛光，并安装于夹具上；安装于夹具上；将将V V型压头的尖端对准纤维的中心，在压头上型压头的尖端对准纤维的中心，在压头上施加一定的载荷施加一定的载荷F F，使纤维沿着纤维，使纤维沿着纤维/ /基体界基体界面滑动一定距离，其位移量面滑动一定距离，其位移量u u 取决于所加载取决于所加载荷的大小。荷的大小。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学计算公式计算公式假定压头所施加的载荷完全由纤维假定压头所施加的

250、载荷完全由纤维/ /基体间的界基体间的界面剪切应力面剪切应力 所承担；略去纤维被弹性压缩的所承担；略去纤维被弹性压缩的变形量。变形量。MarshallMarshall给出公式：给出公式： = =F F 2 2/(4/(4 2 2 u ru r3 3 E Ef f ) ) 式中，式中，E Ef f 为纤维弹性模量；为纤维弹性模量；r r 为纤维半径。为纤维半径。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学Laughner等人对压痕法的修正要点等人对压痕法的修正要点直接测定界面的脱粘（解离）力和摩擦应力。直接测定界面的脱粘（解离

251、）力和摩擦应力。从载荷从载荷位移曲线上可直接测量出解离力和摩擦位移曲线上可直接测量出解离力和摩擦应力。应力。 所采用的试样较薄，从而使纤维能够完全被顶出。所采用的试样较薄，从而使纤维能够完全被顶出。当纤维被完全顶出后，可将试样翻转过来，重新当纤维被完全顶出后，可将试样翻转过来，重新加载来测定摩擦应力。加载来测定摩擦应力。（参考文献自学）（参考文献自学）复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论

252、和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料原位实验方法：复合材料原位实验方法：复合材料原位实验方法是对实际复合材料进行界面力复合材料原位实验方法是对实际复合材料进行界面力学性能进行测试的一种微观力学方法。测试时直接从复合学性能进行测试的一种微观力学方法。测试时直接从复合材料上切取试样，不需特殊制备，因此测得的结果不仅可材料上切取试样，不需特殊制备，因此测得的结果不仅可以指导复合材料的工艺研究、评价复合材料制品的性能，以指导复合材料的工艺研究、评价复合材料制品的性能，而且还可随时检测部件在使用过程中的性能，因此是非常而且还可随时检测部

253、件在使用过程中的性能，因此是非常有前途的方法。包括：有前途的方法。包括：（1 1）纤维顶出法、纤维压入法）纤维顶出法、纤维压入法 （2 2）压模凸出法）压模凸出法 通过硬软板夹持压缩复合材料试样，纤维在软板侧从通过硬软板夹持压缩复合材料试样，纤维在软板侧从基体中凸出，释压后测量出凸出纤维的长度基体中凸出，释压后测量出凸出纤维的长度 ，即可求得，即可求得界面剪切滑动应力界面剪切滑动应力。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 A A 测试仪测试仪 纤维单丝顶出微观界面力学性能测试仪主要包括显微观纤维单丝顶出微观界面力学性

254、能测试仪主要包括显微观察部分和微动加载部分察部分和微动加载部分( (图图1)1)。其中光学显微镜的放大倍数为。其中光学显微镜的放大倍数为600600倍，连接倍，连接CCDCCD摄像头后放大倍数可达摄像头后放大倍数可达20002000倍；倍；X X、Y Y向位移向位移平台的定位精度为平台的定位精度为0.1m0.1m；载荷的显示精度为；载荷的显示精度为0.25mN0.25mN；位移；位移传感器的显示精度为传感器的显示精度为0.2m0.2m。 该仪器的操作方法是该仪器的操作方法是: :首先在光学显微镜下首先在光学显微镜下( (通过通过CCDCCD摄像摄像头可直接显示在监视器的屏幕上头可直接显示在监视

255、器的屏幕上) )选定所要测试的纤维，然后选定所要测试的纤维，然后移动移动X X、Y Y向位移平台，将所选定的纤维准确地定位于金刚石向位移平台，将所选定的纤维准确地定位于金刚石微压头的正下方。启动垂直运动平台，对微压头的正下方。启动垂直运动平台，对CFCF实现连续轴向加实现连续轴向加载。由载荷及位移传感器实时采集数据并输入微机。载。由载荷及位移传感器实时采集数据并输入微机。 纤维单丝（或束丝）顶出法纤维单丝（或束丝）顶出法复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课

256、件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学B B 样品制备及顶出原理样品制备及顶出原理复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 C C 力学模型力学模型 采用三维有限元模型对复合材料的顶出结果进行采用三维有限元模型对复合材料的顶出结果进行分析计算，材料组成按四组分处理，即纤维、界面、分析计算，材料组成按四组分处理，即纤维、界面、基体和均质复合材料。力学模型和有限元网格划分如基体和均质复合材料。力学模型和有限元网格划分如图所示。图所示。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大

257、学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学激光层裂现象：激光层裂现象： 强激光冲击靶材时生强冲击波，该冲击波以应力波强激光冲击靶材时生强冲击波，该冲击波以应力波的形式在靶内传播并衰减，到达靶后表面时发生反射。的形式在靶内传播并衰减，到达靶后表面时发生反射。反射波与入射波相互作用产生拉应力。一旦满足断裂准反射波与入射波相互作用产生拉应力。一旦满足断裂准则，就会在材料内部形成裂纹。当平行于波阵面方向的则，就会在材料内部形成裂纹。当平行于波阵面方向的裂口足够大时，整个裂片便带着陷入其中的动量飞

258、离，裂口足够大时，整个裂片便带着陷入其中的动量飞离，这是激光冲击诱导的层裂现象。这是激光冲击诱导的层裂现象。 根据激光层裂现象，设计适当外形尺寸的试样，选根据激光层裂现象，设计适当外形尺寸的试样，选用合适的功率、波长、脉冲宽度的激光器，可以定量测用合适的功率、波长、脉冲宽度的激光器，可以定量测出复合材料界面的拉伸强度。出复合材料界面的拉伸强度。激光层裂法激光层裂法复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 该实验方案如图该实验方案如图1 1所示。高能量所示。高能量短脉冲的激光穿过约束层辐射在表面短脉冲的激光穿过约束层辐射在

259、表面涂有能量吸收层的基体时，基体表面涂有能量吸收层的基体时，基体表面的爆炸性气化产生压缩应力波，应力的爆炸性气化产生压缩应力波，应力波透过基体薄膜界面到达薄膜的自由波透过基体薄膜界面到达薄膜的自由表面，反射为拉应力波将薄膜剥离。表面，反射为拉应力波将薄膜剥离。根据相应的临界应力判断准则，判定根据相应的临界应力判断准则，判定薄膜初始脱粘的临界状态。放置在自薄膜初始脱粘的临界状态。放置在自由表面的测量设备记录出自由表面的由表面的测量设备记录出自由表面的应力情况，进一步推算出薄膜发生初应力情况，进一步推算出薄膜发生初始脱粘临界状态时界面处的应力值，始脱粘临界状态时界面处的应力值，该值可以认为是界面的

260、拉伸强度。该值可以认为是界面的拉伸强度。 复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 小节小节 微复合材料实验方法已经能够直接定量或半定微复合材料实验方法已经能够直接定量或半定量地测出界面强度，并且有些实验值已被用于复量地测出界面强度，并且有些实验值已被用于复合材料宏观设计和估算损伤残余刚度及寿命的研合材料宏观设计和估算损伤残余刚度及寿命的研究等方面。但是由于试样制备及实验技术的复杂究等方面。但是由于试样制备及实验技术的复杂性和微观力学模型的简化等方面的因素，使得各性和微观力学模型的简化等方面的因素，使得各种方法测得的界面

261、强度值相差较大。种方法测得的界面强度值相差较大。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.7.2.3 4.7.2.3 界面残余应力的测量界面残余应力的测量光弹性法Raman光谱法X射线衍射复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 光弹性法光弹性法 基体内部存在内应力时，它的双折射性能要发基体内部存在内应力时，它的双折射性能要发生相应的变化，若三个主应力不完全相等，则在偏生相应的变化，若三个主应力不完全相等，则在偏振光的照射下，透明的基体会产生等色

262、线和等倾线，振光的照射下，透明的基体会产生等色线和等倾线，根据等倾线可以确定与偏振光轴相互垂直的平面内根据等倾线可以确定与偏振光轴相互垂直的平面内的主应力方向，而根据等色线可以确定平面内两个的主应力方向，而根据等色线可以确定平面内两个主应力的差值，通过该法可以测得基体中三个主应主应力的差值，通过该法可以测得基体中三个主应力的大小和方向。力的大小和方向。 对基体中的残余应力进行光弹分析，要求材料对基体中的残余应力进行光弹分析，要求材料高模量、应力光学性能适当，还需要消除基体的时高模量、应力光学性能适当，还需要消除基体的时间一边缘效应。到目前为止，该法仅用于环氧基复间一边缘效应。到目前为止，该法仅

263、用于环氧基复合材料的残余应力的研究。合材料的残余应力的研究。 原理：原理：复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 光弹性法尽管比较精确，但在计算应力过光弹性法尽管比较精确，但在计算应力过程中需要有严格的边界条件或其它辅助条件来程中需要有严格的边界条件或其它辅助条件来确定主应力中的一个应力，才能完全确定各点确定主应力中的一个应力，才能完全确定各点的应力状态。另外，对分析材料亦有一定要求，的应力状态。另外，对分析材料亦有一定要求，即必须透光，这就限制了其应用范围。即必须透光，这就限制了其应用范围。缺点：缺点：复合材料的界面

264、理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 Raman Raman光谱术：光谱术： 纤维的拉曼纤维的拉曼( (或萤光或萤光) )峰位置对施加于纤维的峰位置对施加于纤维的应变敏感，而且拉曼应变敏感，而且拉曼( (或萤光或萤光) )峰波数偏移与纤维峰波数偏移与纤维应变之间有着近似的线性关系。应变之间有着近似的线性关系。 激光激光RamanRaman光谱法可用来测定有机聚合物纤维、光谱法可用来测定有机聚合物纤维、SiCSiC纤维以及碳纤维的残余应力，这些纤维其纤维以及碳纤维的残余应力，这些纤维其RamanRaman光谱的特征谱带随张应变的增大

265、移向低频、光谱的特征谱带随张应变的增大移向低频、随压应变的增加移向高频，在一定的应变范围内，随压应变的增加移向高频，在一定的应变范围内，频移与应变值成一定的比例。通过测定复合材料频移与应变值成一定的比例。通过测定复合材料中纤维中纤维RamanRaman光谱特征峰的频移，即可求出纤维的光谱特征峰的频移，即可求出纤维的应变值，进而得到纤维受到的应力值，该法可以应变值，进而得到纤维受到的应力值，该法可以测定纤维的轴向残余应力。测定纤维的轴向残余应力。原理：原理：复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 X X射线束衍射：射线束

266、衍射： 界面的残余应力使纤维晶体的晶面间距界面的残余应力使纤维晶体的晶面间距发生变化，这种变化可以通过射线衍射峰的发生变化，这种变化可以通过射线衍射峰的峰位变化而表现出来。根据布拉格衍射方程峰位变化而表现出来。根据布拉格衍射方程2dSin=2dSin=，通过测得的衍射角，通过测得的衍射角22可以计算出可以计算出晶面间距，然后根据弹性力学原理，由应变计晶面间距，然后根据弹性力学原理，由应变计算出应力的大小。算出应力的大小。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课

267、件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.7.4 界面测试的新方法A声显微技术声显微技术近年来发展的新技术，关键设备为声学显微镜。近年来发展的新技术，关键设备为声学显微镜。优点：优点：观察光学不透明的材料的表面、亚表面的状观察光学不透明的材料的表面、亚表面的状态和性质，而且可以观测内部的结构和性质。态和性质，而且可以观测内部的结构和性质。例子：例子：测试测试SiC/陶瓷复合材料，证明材料的致密性陶瓷复合材料，证明材料的致密性有周期性的环行不均匀。有周期性的环行不均匀。

268、复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学BSEM下进行动态加载观察微观断裂过程下进行动态加载观察微观断裂过程静态下，界面状态研究较深入，动态条件下难以静态下，界面状态研究较深入，动态条件下难以揭示复合材料在受力条件下的微观断裂过程。揭示复合材料在受力条件下的微观断裂过程。利用带有拉伸装置的利用带有拉伸装置的SEM可以直接观察界面在受可以直接观察界面在受力过程中裂纹的萌发、扩展、断裂的过程，得出力过程中裂纹的萌

269、发、扩展、断裂的过程，得出复合材料的界面状态对复合材料断裂过程的影响。复合材料的界面状态对复合材料断裂过程的影响。装置：装置：S-550型型SEM例子：例子：Cf/PMR15复合材料复合材料复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学C扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM）HRTEM可观测到亚微米结构，但制样困难，可观测到亚微米结构，但制样困难，得不到实际空间像得不到实际空间像优点：可深入到纳米尺度甚至原子结构

270、，得到优点：可深入到纳米尺度甚至原子结构，得到实际空间像，制样简单，不破坏样品，可在大实际空间像，制样简单，不破坏样品，可在大气下直接观测。气下直接观测。缺点：昂贵、仅限于导电试样。缺点：昂贵、仅限于导电试样。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学D表面力显微镜（扫描探测显微镜）对复合材表面力显微镜（扫描探测显微镜）对复合材料界面的表征料界面的表征采用自平衡差示电容测力采用自平衡差示电容测力可直接测试两种材料的亚接触和接触间的力可直接测试两种材料的亚接触和接触间的力的信号。的信号。例子：国外利用例子：国外利用IFM研究

271、研究Gf/Epoxy复合材料复合材料的界面力的分布。的界面力的分布。该方法具有很大的应用前景。该方法具有很大的应用前景。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学总结复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和

272、复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学思考题思考题1)1)试述液体与固体润湿与结合的概念。通试述液体与固体润湿与结合的概念。通常利用何种原理测量润湿角？常利用何种原理测量润湿角？2)2)试述纤维试述纤维/ /基体界面物理相容性和化学相基体界面物理相容性和化学相容性的内涵及其影响因素。容性的内涵及其影响因素。3)3)试述复合材料界面结合的类型。金属基试述复合材料界面结合的类型。金属基复合材料界面结合具有何特殊性？复合材料界面结合

273、具有何特殊性？型和型和、型复合材料的界面模型有何不同？型复合材料的界面模型有何不同？复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4 4）试述复合材料对界面的基本要求。）试述复合材料对界面的基本要求。5 5）连续纤维、非连续纤维在承担纵向载荷）连续纤维、非连续纤维在承担纵向载荷或横向载荷时，其界面的力学环境有何或横向载荷时，其界面的力学环境有何特点？特点？6 6）何谓纤维临界长度（或临界纵横比）？）何谓纤维临界长度（或临界纵横比）？推导纤维临界长度与界面剪切强度的关推导纤维临界长度与界面剪切强度的关系式。并说明其物理意义。系式

274、。并说明其物理意义。7 7）试述界面残余应力的产生原因及对复合）试述界面残余应力的产生原因及对复合材料性能的影响。材料性能的影响。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学8 8）试述陶瓷中加入连续纤维材料的目的、）试述陶瓷中加入连续纤维材料的目的、要求和纤维要求和纤维/ /陶瓷基复合材料的断裂模式。陶瓷基复合材料的断裂模式。纤维纤维/ /陶瓷基复合材料的增韧有哪些机制陶瓷基复合材料的增韧有哪些机制？9 9）试述晶须）试述晶须/ /陶瓷基复合材料的增韧机制。陶瓷基复合材料的增韧机制。何谓晶须何谓晶须/ /陶瓷的一级增韧和二

275、级增韧？陶瓷的一级增韧和二级增韧？1010）试述颗粒）试述颗粒/ /陶瓷基复合材料的增韧机制陶瓷基复合材料的增韧机制及影响第二相颗粒增韧陶瓷的主要因素。及影响第二相颗粒增韧陶瓷的主要因素。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学1111）试述陶瓷基复合材料界面控制目的和）试述陶瓷基复合材料界面控制目的和方法。方法。1212）简述纤维涂层界面相的方法和特点。）简述纤维涂层界面相的方法和特点。1313）纤维涂层界面相的结构、表征方法。）纤维涂层界面相的结构、表征方法。1414）简述界面相的力学性能测试方法。）简述界面相的力学性能测试方法。1515）结合实践谈谈你对）结合实践谈谈你对PMC、MMC和和CMC中界面重要意义的认识。中界面重要意义的认识。复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制课件界面控制课件