復(fù)合材料的界面

1、第第2 2章章 復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面內(nèi)內(nèi) 容容 綱綱 要要n 掌握界面定義、組成掌握界面定義、組成 n 掌握界面的作用掌握界面的作用n 掌握界面理論掌握界面理論n 掌握界面的設(shè)計(jì)方法掌握界面的設(shè)計(jì)方法 n 了解界面評(píng)價(jià)方法了解界面評(píng)價(jià)方法 11234561、外力場(chǎng)、外力場(chǎng)2、基體、基體3、基體表面區(qū)、基體表面區(qū)4、相互滲透區(qū)、相互滲透區(qū)5、增強(qiáng)體表面區(qū)、增強(qiáng)體表面區(qū)6、增強(qiáng)體、增強(qiáng)體復(fù)合材料界面示意圖復(fù)合材料界面示意圖一、界面定義一、界面定義 復(fù)合材料的界復(fù)合材料的界面面是指基體與增是指基體與增強(qiáng)相之間化學(xué)成強(qiáng)相之間化學(xué)成分有顯著變化的、分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、

2、能起載荷傳遞作能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。用的微小區(qū)域。 一、界面定義一、界面定義 界面特點(diǎn)界面特點(diǎn) u 性能和結(jié)構(gòu)上不同于基體和增強(qiáng)體性能和結(jié)構(gòu)上不同于基體和增強(qiáng)體 u 具有一定的厚度具有一定的厚度u 連接基體與增強(qiáng)體材料連接基體與增強(qiáng)體材料u 能夠傳遞載荷能夠傳遞載荷二、界面效應(yīng)二、界面效應(yīng) 界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能歸納為以下幾種效應(yīng)：界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能歸納為以下幾種效應(yīng)：（1 1）傳遞效應(yīng)：）傳遞效應(yīng)：界面可將復(fù)合材料體系中基體承受的外力傳遞界面可將復(fù)合材料體系中基體承受的外力傳遞給增強(qiáng)相，起到基體和增強(qiáng)相之間的橋梁作用。給增強(qiáng)相，起到基體和增強(qiáng)相之間的橋梁

3、作用。（2 2）阻斷效應(yīng)：）阻斷效應(yīng)：基體和增強(qiáng)相之間結(jié)合力適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸦w和增強(qiáng)相之間結(jié)合力適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、減緩應(yīng)力集中的作用。紋擴(kuò)展、減緩應(yīng)力集中的作用。（3 3）不連續(xù)效應(yīng)：）不連續(xù)效應(yīng)：在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應(yīng)性、磁性、耐熱性和磁場(chǎng)尺擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應(yīng)性、磁性、耐熱性和磁場(chǎng)尺寸穩(wěn)定性等。寸穩(wěn)定性等。二、界面效應(yīng)二、界面效應(yīng) （4 4）散射和吸收效應(yīng)：散射和吸收效應(yīng)：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、

4、耐機(jī)械沖擊性等。產(chǎn)生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機(jī)械沖擊性等。二、界面效應(yīng)二、界面效應(yīng) （5 5）誘導(dǎo)效應(yīng)：）誘導(dǎo)效應(yīng)：一種物質(zhì)（通常是增強(qiáng)劑）的表面結(jié)構(gòu)使另一種一種物質(zhì)（通常是增強(qiáng)劑）的表面結(jié)構(gòu)使另一種（通常是聚合物基體）與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生改（通常是聚合物基體）與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)彈性、低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)彈性、低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。二、界面效應(yīng)二、界面效應(yīng) 界面效應(yīng)是任何一種單一材料所沒有的特性，它對(duì)復(fù)合材料界面效應(yīng)是任何一種單一材料所沒有的特性，它對(duì)復(fù)合材料具有重要的作用

5、。界面效應(yīng)既與界面結(jié)合狀態(tài)、形態(tài)和物理具有重要的作用。界面效應(yīng)既與界面結(jié)合狀態(tài)、形態(tài)和物理- -化化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，也與復(fù)合材料各組分的浸潤性、相容性、擴(kuò)散性等學(xué)性質(zhì)有關(guān)，也與復(fù)合材料各組分的浸潤性、相容性、擴(kuò)散性等密切相關(guān)。密切相關(guān)。 界面的結(jié)合狀態(tài)和強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料的性能有重要影響。界面的結(jié)合狀態(tài)和強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料的性能有重要影響。對(duì)于對(duì)于每一種復(fù)合材料都要求有合適的界面結(jié)合強(qiáng)度。每一種復(fù)合材料都要求有合適的界面結(jié)合強(qiáng)度。許多因素影響著許多因素影響著界面結(jié)合強(qiáng)度，如表面幾何形狀、分布狀況、紋理結(jié)構(gòu)、表面雜界面結(jié)合強(qiáng)度，如表面幾何形狀、分布狀況、紋理結(jié)構(gòu)、表面雜質(zhì)、吸附氣體程度、吸水情況、表面形態(tài)、

6、在界面的溶解、擴(kuò)散質(zhì)、吸附氣體程度、吸水情況、表面形態(tài)、在界面的溶解、擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)、表面層的力學(xué)特性、潤濕速度等。和化學(xué)反應(yīng)、表面層的力學(xué)特性、潤濕速度等。 二、界面效應(yīng)二、界面效應(yīng) 界面結(jié)合較弱界面結(jié)合較弱的復(fù)合材料大多呈剪切破壞，且在材料的斷的復(fù)合材料大多呈剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。 界面結(jié)合過強(qiáng)界面結(jié)合過強(qiáng)的復(fù)合材料則呈脆性斷裂，也降低了復(fù)合材的復(fù)合材料則呈脆性斷裂，也降低了復(fù)合材料的整體性能。料的整體性能。 界面最佳態(tài)界面最佳態(tài)的衡量是當(dāng)受力發(fā)生開裂時(shí)，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)的衡量是當(dāng)受力發(fā)生開裂時(shí)，裂紋

7、能轉(zhuǎn)化為區(qū)域化而不進(jìn)一步界面脫粘；即這時(shí)的復(fù)合材料具有最大斷裂能域化而不進(jìn)一步界面脫粘；即這時(shí)的復(fù)合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。和一定的韌性。 因此，在研究和設(shè)計(jì)界面時(shí)，不應(yīng)只追求界面結(jié)合而應(yīng)考因此，在研究和設(shè)計(jì)界面時(shí)，不應(yīng)只追求界面結(jié)合而應(yīng)考慮到最優(yōu)化和最佳綜合性能。慮到最優(yōu)化和最佳綜合性能。二、界面效應(yīng)二、界面效應(yīng) 物理相容性：物理相容性：是指是指基體應(yīng)具有足夠的韌性和強(qiáng)度基體應(yīng)具有足夠的韌性和強(qiáng)度，能夠?qū)⑼獠?，能夠?qū)⑼獠枯d荷均勻地傳遞到增強(qiáng)劑上，而不會(huì)有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象。另外，載荷均勻地傳遞到增強(qiáng)劑上，而不會(huì)有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象。另外，由于裂紋或位錯(cuò)移動(dòng)，在基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力不應(yīng)在增

8、強(qiáng)劑上形由于裂紋或位錯(cuò)移動(dòng)，在基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力不應(yīng)在增強(qiáng)劑上形成高的局部應(yīng)力。成高的局部應(yīng)力。復(fù)合材料組分的相容性復(fù)合材料組分的相容性 另一個(gè)重要的物理關(guān)系是另一個(gè)重要的物理關(guān)系是熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)?；w與增強(qiáng)相熱膨脹系?；w與增強(qiáng)相熱膨脹系數(shù)的差異對(duì)復(fù)合材料的界面結(jié)合產(chǎn)生重要的影響，從而影響材料數(shù)的差異對(duì)復(fù)合材料的界面結(jié)合產(chǎn)生重要的影響，從而影響材料的各類性能。的各類性能。二、界面效應(yīng)二、界面效應(yīng) 例如對(duì)于韌性基體材料，最好具有較高的熱膨脹系數(shù)。這是例如對(duì)于韌性基體材料，最好具有較高的熱膨脹系數(shù)。這是因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)較高的相從較高的加工溫度冷卻時(shí)將受到張應(yīng)力；因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)較高的相從較高

9、的加工溫度冷卻時(shí)將受到張應(yīng)力；對(duì)于脆性材料的增強(qiáng)相，一般都是抗壓強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度，處于對(duì)于脆性材料的增強(qiáng)相，一般都是抗壓強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度，處于壓縮狀態(tài)比較有利。而對(duì)于像鈦這類高屈服強(qiáng)度的基體，一般卻壓縮狀態(tài)比較有利。而對(duì)于像鈦這類高屈服強(qiáng)度的基體，一般卻要求避免高的殘余熱應(yīng)力，因此熱膨脹系數(shù)不應(yīng)相差太大。要求避免高的殘余熱應(yīng)力，因此熱膨脹系數(shù)不應(yīng)相差太大。二、界面效應(yīng)二、界面效應(yīng) 化學(xué)相容性：化學(xué)相容性：化學(xué)相容性是一個(gè)復(fù)雜的問題。對(duì)化學(xué)相容性是一個(gè)復(fù)雜的問題。對(duì)原生復(fù)合材料原生復(fù)合材料，在制造過程是熱力學(xué)平衡的，其兩相化學(xué)勢(shì)相等，比表面能效應(yīng)也在制造過程是熱力學(xué)平衡的，其兩相化學(xué)勢(shì)相等，比表

10、面能效應(yīng)也最小。最小。 復(fù)合材料組分的相容性復(fù)合材料組分的相容性 對(duì)非平衡態(tài)復(fù)合材料對(duì)非平衡態(tài)復(fù)合材料，化學(xué)相容性要嚴(yán)重得多。纖維和基體間，化學(xué)相容性要嚴(yán)重得多。纖維和基體間的直接反應(yīng)則是更重要的相容性問題。但對(duì)高溫復(fù)合材料來說，的直接反應(yīng)則是更重要的相容性問題。但對(duì)高溫復(fù)合材料來說， 以下因素與復(fù)合材料化學(xué)相容性有關(guān)的問題則十分重要：以下因素與復(fù)合材料化學(xué)相容性有關(guān)的問題則十分重要：二、界面效應(yīng)二、界面效應(yīng) 1 1） 相反應(yīng)的自由能相反應(yīng)的自由能 FF：代表該反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力。設(shè)計(jì)復(fù)合材：代表該反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力。設(shè)計(jì)復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)確定所選體系可能發(fā)生反應(yīng)的自由能的變化。料時(shí)，應(yīng)確定所選體系可能發(fā)生反

11、應(yīng)的自由能的變化。2 2）化學(xué)勢(shì)）化學(xué)勢(shì)U U：各組分的化學(xué)勢(shì)不等，常會(huì)導(dǎo)致界面的不穩(wěn)定。：各組分的化學(xué)勢(shì)不等，常會(huì)導(dǎo)致界面的不穩(wěn)定。3 3）表面能）表面能T T：各組分的表面能可能很高，導(dǎo)致界面的不穩(wěn)定。：各組分的表面能可能很高，導(dǎo)致界面的不穩(wěn)定。4 4）晶界擴(kuò)散系數(shù)）晶界擴(kuò)散系數(shù)D D：由晶界或表面擴(kuò)散系數(shù)控制的二次擴(kuò)散：由晶界或表面擴(kuò)散系數(shù)控制的二次擴(kuò)散效應(yīng)常使復(fù)合體系中組分相的關(guān)系發(fā)生很大變化。效應(yīng)常使復(fù)合體系中組分相的關(guān)系發(fā)生很大變化。二、界面效應(yīng)二、界面效應(yīng) 1 1、 界面潤濕理論界面潤濕理論 界面潤濕理論是基于液態(tài)樹脂對(duì)纖維表面的浸潤親和，即物理界面潤濕理論是基于液態(tài)樹脂對(duì)纖維表

12、面的浸潤親和，即物理和化學(xué)吸附作用。液態(tài)樹脂對(duì)纖維表面的良好浸潤是十分重要的。和化學(xué)吸附作用。液態(tài)樹脂對(duì)纖維表面的良好浸潤是十分重要的。浸潤不良會(huì)在界面上產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致界面缺陷和應(yīng)力集中，使界面浸潤不良會(huì)在界面上產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致界面缺陷和應(yīng)力集中，使界面強(qiáng)度下降。良好的或完全浸潤將使界面強(qiáng)度大大提高，甚至優(yōu)于基強(qiáng)度下降。良好的或完全浸潤將使界面強(qiáng)度大大提高，甚至優(yōu)于基體本身的內(nèi)聚強(qiáng)度。體本身的內(nèi)聚強(qiáng)度。此處此處 為表面張力；為表面張力；F F為自由能；為自由能； A A為面積；為面積；T T和和V V分別為溫度和體積。分別為溫度和體積。 從熱力學(xué)觀點(diǎn)來考慮兩個(gè)結(jié)合面與其表面能的關(guān)系，一般用從熱力

13、學(xué)觀點(diǎn)來考慮兩個(gè)結(jié)合面與其表面能的關(guān)系，一般用表面張力來表征。表面張力來表征。表面張力即為溫度和體積不變的情況下，自由表面張力即為溫度和體積不變的情況下，自由能隨表面積增加的增量。能隨表面積增加的增量。三、界面理論三、界面理論 當(dāng)兩個(gè)結(jié)合面結(jié)合了，則體系中由于減少了兩個(gè)表面和增加了當(dāng)兩個(gè)結(jié)合面結(jié)合了，則體系中由于減少了兩個(gè)表面和增加了一個(gè)界面使自由能降低了。體系由于兩個(gè)表面結(jié)合而導(dǎo)致自由能一個(gè)界面使自由能降低了。體系由于兩個(gè)表面結(jié)合而導(dǎo)致自由能的下降定義為的下降定義為粘合功粘合功。式中式中S 、L 和和 SL 下標(biāo)分別代表固體、液體和固液體。如圖所示，下標(biāo)分別代表固體、液體和固液體。如圖所示，

14、 角為接觸角。接觸角表示了液體潤濕固體的情況。角為接觸角。接觸角表示了液體潤濕固體的情況。液滴在固體表面的不同潤濕情況液滴在固體表面的不同潤濕情況三、界面理論三、界面理論 當(dāng)當(dāng) 90，液體不潤濕固體；，液體不潤濕固體； =180, 固體表面完全不能被液體固體表面完全不能被液體潤濕；潤濕；當(dāng)當(dāng) 90，液體潤濕固體；，液體潤濕固體； = 0，液體完全平鋪在固體表面。，液體完全平鋪在固體表面。接觸角隨溫度、保持時(shí)間、吸附氣體等而變化。接觸角隨溫度、保持時(shí)間、吸附氣體等而變化。根據(jù)力的合成根據(jù)力的合成 L cos = S - SL ，粘合功可表示為：粘合功可表示為： WA = S + L - SL=

15、L（1+ cos ）。）。粘合功粘合功WA 最大時(shí)，最大時(shí)， cos =1，即，即 = 0，液體完全平鋪在固體表面。，液體完全平鋪在固體表面。同時(shí)同時(shí) = SL , S = L 。三、界面理論三、界面理論 浸潤性僅僅表示了液體與固體發(fā)生接觸時(shí)的情況，而并不能表浸潤性僅僅表示了液體與固體發(fā)生接觸時(shí)的情況，而并不能表示界面的粘結(jié)性能。示界面的粘結(jié)性能。一種體系的兩個(gè)組元可能有極好的浸潤性，但一種體系的兩個(gè)組元可能有極好的浸潤性，但它們之間的結(jié)合可能很弱，如范德華力鍵合。它們之間的結(jié)合可能很弱，如范德華力鍵合。因此潤濕是組分良好因此潤濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。粘結(jié)的必要條件，并非充分

16、條件。 熱力學(xué)說明兩個(gè)表面結(jié)合的內(nèi)在因素，表示結(jié)合的可能性；動(dòng)熱力學(xué)說明兩個(gè)表面結(jié)合的內(nèi)在因素，表示結(jié)合的可能性；動(dòng)力學(xué)反映實(shí)際產(chǎn)生界面結(jié)合的外界條件，如溫度、壓力等的影響，力學(xué)反映實(shí)際產(chǎn)生界面結(jié)合的外界條件，如溫度、壓力等的影響，表示結(jié)合過程的速度問題。表示結(jié)合過程的速度問題。三、界面理論三、界面理論 2 2、界面粘結(jié)、界面粘結(jié) 粘結(jié)是指不同種類的兩種材料相互接觸并結(jié)合在一起的一種現(xiàn)象。粘結(jié)是指不同種類的兩種材料相互接觸并結(jié)合在一起的一種現(xiàn)象。當(dāng)基體浸潤增強(qiáng)材料后緊接著便發(fā)生基體與增強(qiáng)材料的粘結(jié)。對(duì)于當(dāng)基體浸潤增強(qiáng)材料后緊接著便發(fā)生基體與增強(qiáng)材料的粘結(jié)。對(duì)于一個(gè)給定的復(fù)合材料體系，同時(shí)可能會(huì)

17、有不同的粘結(jié)機(jī)理一個(gè)給定的復(fù)合材料體系，同時(shí)可能會(huì)有不同的粘結(jié)機(jī)理( (如機(jī)械粘如機(jī)械粘結(jié)、靜電粘結(jié)等結(jié)、靜電粘結(jié)等) )起作用，而且在不同的生產(chǎn)過程中或復(fù)合材料的使起作用，而且在不同的生產(chǎn)過程中或復(fù)合材料的使用期間，粘結(jié)機(jī)理還會(huì)發(fā)生變化，如由靜電粘結(jié)變成反應(yīng)粘結(jié)。體用期間，粘結(jié)機(jī)理還會(huì)發(fā)生變化，如由靜電粘結(jié)變成反應(yīng)粘結(jié)。體系不同，粘結(jié)的種類或機(jī)理不同。系不同，粘結(jié)的種類或機(jī)理不同。 界面的粘結(jié)強(qiáng)度直接影響著復(fù)合材料的力學(xué)性能以及其它物界面的粘結(jié)強(qiáng)度直接影響著復(fù)合材料的力學(xué)性能以及其它物理、化學(xué)性能，如耐熱性、耐蝕性、耐磨性等。因此自理、化學(xué)性能，如耐熱性、耐蝕性、耐磨性等。因此自5050年代

18、以年代以來復(fù)合材料的界面粘結(jié)機(jī)理一直是人們致力研究的內(nèi)容。來復(fù)合材料的界面粘結(jié)機(jī)理一直是人們致力研究的內(nèi)容。三、界面理論三、界面理論 （1 1）機(jī)械作用理論）機(jī)械作用理論表面機(jī)械互鎖結(jié)合示意圖表面機(jī)械互鎖結(jié)合示意圖 機(jī)械作用機(jī)理如圖所示，當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸后，由于表面機(jī)械作用機(jī)理如圖所示，當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將發(fā)生粗糙不平將發(fā)生機(jī)械互鎖機(jī)械互鎖。很顯然表面越粗糙，互鎖作用越強(qiáng)，。很顯然表面越粗糙，互鎖作用越強(qiáng)，因此機(jī)械粘結(jié)作用越有效。在受到平行于界面的作用力時(shí)，機(jī)械因此機(jī)械粘結(jié)作用越有效。在受到平行于界面的作用力時(shí)，機(jī)械粘結(jié)作用可達(dá)到最佳效果，獲得較高的剪切強(qiáng)度。但若界面受拉

19、粘結(jié)作用可達(dá)到最佳效果，獲得較高的剪切強(qiáng)度。但若界面受拉力作用時(shí)，除非界面有如圖中力作用時(shí)，除非界面有如圖中A A處所示的處所示的錨固錨固形態(tài)形態(tài)，否則拉，否則拉伸強(qiáng)度會(huì)很低。在大多數(shù)情況下，純粹機(jī)械粘結(jié)作用很難遇到，伸強(qiáng)度會(huì)很低。在大多數(shù)情況下，純粹機(jī)械粘結(jié)作用很難遇到，往往是機(jī)械粘結(jié)作用與其它粘結(jié)機(jī)理共同起作用。往往是機(jī)械粘結(jié)作用與其它粘結(jié)機(jī)理共同起作用。三、界面理論三、界面理論 三、界面理論三、界面理論 (a)(d)(c)(b)圖圖1 硝酸溶液（濃度為硝酸溶液（濃度為30）浸泡后碳纖維（）浸泡后碳纖維（a) 0h, (b) 3h,（c) 6h,（d) 9h 當(dāng)復(fù)合材料的基體及增強(qiáng)材料的表

20、面帶有異性電荷時(shí)，在當(dāng)復(fù)合材料的基體及增強(qiáng)材料的表面帶有異性電荷時(shí)，在基體與增強(qiáng)材料之間將發(fā)生靜電吸引力，如下圖所示。靜電互基體與增強(qiáng)材料之間將發(fā)生靜電吸引力，如下圖所示。靜電互作用的距離很短，僅在原子尺度量級(jí)內(nèi)靜電作用力才有效。因作用的距離很短，僅在原子尺度量級(jí)內(nèi)靜電作用力才有效。因此表面的污染等將大大減弱這種粘結(jié)作用。此表面的污染等將大大減弱這種粘結(jié)作用。（2 2）靜電理論）靜電理論表面靜電吸引結(jié)合示意圖表面靜電吸引結(jié)合示意圖三、界面理論三、界面理論（3 3）化學(xué)鍵理論）化學(xué)鍵理論 化學(xué)作用是指增強(qiáng)材料表面的化學(xué)基（圖中標(biāo)有化學(xué)作用是指增強(qiáng)材料表面的化學(xué)基（圖中標(biāo)有A A面面) )與基體表

21、與基體表面的相容基面的相容基( (標(biāo)有標(biāo)有B B面面) )之間的化學(xué)粘結(jié)。之間的化學(xué)粘結(jié)?；瘜W(xué)作用理論最成功的應(yīng)化學(xué)作用理論最成功的應(yīng)用是偶聯(lián)劑用于增強(qiáng)材料表面與聚合物基體的粘結(jié)。如硅烷偶聯(lián)劑用是偶聯(lián)劑用于增強(qiáng)材料表面與聚合物基體的粘結(jié)。如硅烷偶聯(lián)劑具有兩種性質(zhì)不同的官能團(tuán)，一端為親玻璃纖維的官能團(tuán)，一端為具有兩種性質(zhì)不同的官能團(tuán)，一端為親玻璃纖維的官能團(tuán)，一端為親樹脂的官能團(tuán)，將玻璃纖維與樹脂粘結(jié)起來，在界面上形成共價(jià)親樹脂的官能團(tuán)，將玻璃纖維與樹脂粘結(jié)起來，在界面上形成共價(jià)鍵結(jié)合，如圖所示。鍵結(jié)合，如圖所示。表面結(jié)合化學(xué)鍵示意圖表面結(jié)合化學(xué)鍵示意圖三、界面理論三、界面理論 （4）界面反應(yīng)或

22、界面擴(kuò)散理論）界面反應(yīng)或界面擴(kuò)散理論 在復(fù)合材料組分之間發(fā)生原子或分子間的擴(kuò)散或反應(yīng)，從而形成在復(fù)合材料組分之間發(fā)生原子或分子間的擴(kuò)散或反應(yīng)，從而形成反應(yīng)結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合。反應(yīng)結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合。X = k t 1/2 X：反應(yīng)層厚度；：反應(yīng)層厚度；k：反應(yīng)速度常數(shù)。：反應(yīng)速度常數(shù)。三、界面理論三、界面理論D D：擴(kuò)散系數(shù)；：擴(kuò)散系數(shù)；QQ：擴(kuò)散激活能。：擴(kuò)散激活能。 溫度明顯影響著擴(kuò)散系數(shù)溫度明顯影響著擴(kuò)散系數(shù)，若，若Q250KJmo1，并代入上，并代入上式，則在式，則在1000時(shí)擴(kuò)散系數(shù)時(shí)擴(kuò)散系數(shù)21034，要比室溫大得多。，要比室溫大得多?；U(kuò)散互擴(kuò)散層的程度即反應(yīng)層的厚度層的程度即反應(yīng)層的厚

23、度X取決于時(shí)間取決于時(shí)間t和溫度和溫度，可近似表示為，可近似表示為界面反應(yīng)結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合示意圖界面反應(yīng)結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合示意圖三、界面理論三、界面理論 k反應(yīng)速度常數(shù)，與擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。復(fù)合材料在使用過程中，反應(yīng)速度常數(shù)，與擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。復(fù)合材料在使用過程中，尤其在高溫使用時(shí)，界面會(huì)發(fā)生變化并可形成界面層，此外先尤其在高溫使用時(shí)，界面會(huì)發(fā)生變化并可形成界面層，此外先前形成的界面層也會(huì)繼續(xù)增長并形成復(fù)雜的多層界面。前形成的界面層也會(huì)繼續(xù)增長并形成復(fù)雜的多層界面。四、界面的設(shè)計(jì)四、界面的設(shè)計(jì) 四、界面的設(shè)計(jì)四、界面的設(shè)計(jì) 四、界面的設(shè)計(jì)四、界面的設(shè)計(jì) 四、界面的設(shè)計(jì)四、界面的設(shè)計(jì) 四、界面的設(shè)計(jì)四、界面

24、的設(shè)計(jì) 四、界面的設(shè)計(jì)四、界面的設(shè)計(jì) 四、界面的設(shè)計(jì)四、界面的設(shè)計(jì) 四、界面的設(shè)計(jì)四、界面的設(shè)計(jì) 四、界面的設(shè)計(jì)四、界面的設(shè)計(jì) 四、界面的設(shè)計(jì)四、界面的設(shè)計(jì) 四、界面的設(shè)計(jì)四、界面的設(shè)計(jì) 四、界面的設(shè)計(jì)四、界面的設(shè)計(jì) 四、界面的設(shè)計(jì)四、界面的設(shè)計(jì) 四、界面的設(shè)計(jì)四、界面的設(shè)計(jì) 四、界面的設(shè)計(jì)四、界面的設(shè)計(jì) 四、界面的設(shè)計(jì)四、界面的設(shè)計(jì) 界面性能較差界面性能較差- - 呈剪切破壞、可觀察到界面脫粘、纖維拔出纖呈剪切破壞、可觀察到界面脫粘、纖維拔出纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。1 1、界面結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定、界面結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定（1 1） 宏觀測(cè)試法：宏觀測(cè)試法：五、界面的表征五、界面的表征 宏

25、觀試驗(yàn)法是利用復(fù)合材料的宏觀性能來評(píng)估纖維與基體之宏觀試驗(yàn)法是利用復(fù)合材料的宏觀性能來評(píng)估纖維與基體之間界面應(yīng)力狀態(tài)的方法。此類方法中最常用的是三點(diǎn)彎曲和間界面應(yīng)力狀態(tài)的方法。此類方法中最常用的是三點(diǎn)彎曲和Iosipescu試驗(yàn)法。試驗(yàn)法。界面結(jié)合過強(qiáng)界面結(jié)合過強(qiáng)- - 材料呈脆性斷裂。材料呈脆性斷裂。界面結(jié)合最佳狀態(tài)界面結(jié)合最佳狀態(tài)- - 當(dāng)受力發(fā)生開裂時(shí)，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)域而不當(dāng)受力發(fā)生開裂時(shí)，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)域而不產(chǎn)生進(jìn)一步界面脫粘，即這時(shí)的復(fù)合材料具有最大的斷裂能和一定產(chǎn)生進(jìn)一步界面脫粘，即這時(shí)的復(fù)合材料具有最大的斷裂能和一定的韌性。的韌性。1 1）三點(diǎn)彎曲法：）三點(diǎn)彎曲法： 三點(diǎn)彎曲方法

26、最簡(jiǎn)單，所以應(yīng)用最為廣泛。上圖給出三點(diǎn)彎三點(diǎn)彎曲方法最簡(jiǎn)單，所以應(yīng)用最為廣泛。上圖給出三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的示意圖及試樣受載荷作用時(shí)剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力的變曲試驗(yàn)的示意圖及試樣受載荷作用時(shí)剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力的變化。若施加載荷化。若施加載荷P P，則作用于下表面中心處最大拉應(yīng)力為：，則作用于下表面中心處最大拉應(yīng)力為：式中式中B、D、S如圖所示、如圖所示、B和和D分別是試樣寬度和分別是試樣寬度和高度高度，S是是跨度跨度。的方向平行于試樣長度方向。的方向平行于試樣長度方向。五、界面的表征五、界面的表征 從上式可知，最大剪應(yīng)力與最大拉應(yīng)力之比取決于從上式可知，最大剪應(yīng)力與最大拉應(yīng)力之比取決于S和和D，短跨度和厚

27、試樣將使此比值增加，即增加了剪切失效的可短跨度和厚試樣將使此比值增加，即增加了剪切失效的可能性。能性。五、界面的表征五、界面的表征 2) Iosipescu 剪切試驗(yàn)試驗(yàn)剪切試驗(yàn)試驗(yàn)IosipescuIosipescu剪切試驗(yàn)示意圖剪切試驗(yàn)示意圖 Iosipescu剪切試驗(yàn)剪切試驗(yàn)(下圖下圖)是由是由Iosipescu于于1967年提出用于年提出用于測(cè)試金屬材料剪切測(cè)試金屬材料剪切性能的試驗(yàn)，后被推廣用于測(cè)定復(fù)合材料的剪切性能性能的試驗(yàn)，后被推廣用于測(cè)定復(fù)合材料的剪切性能。試樣為高度比厚度大的。試樣為高度比厚度大的梁，在長度方向的中點(diǎn)上下兩側(cè)邊緣各切一個(gè)梁，在長度方向的中點(diǎn)上下兩側(cè)邊緣各切一個(gè)

28、90。切口，切口深度為梁高的切口，切口深度為梁高的2025。此方法的目的是通過力偶作用產(chǎn)生抵消力矩，在試樣中點(diǎn)產(chǎn)生一種純。此方法的目的是通過力偶作用產(chǎn)生抵消力矩，在試樣中點(diǎn)產(chǎn)生一種純剪切狀態(tài)。然而實(shí)際上試樣截面上仍存在著剪應(yīng)力分布不均的情況。盡管如此，剪切狀態(tài)。然而實(shí)際上試樣截面上仍存在著剪應(yīng)力分布不均的情況。盡管如此，此種方法仍被認(rèn)為是此種方法仍被認(rèn)為是可信度較高的測(cè)定剪切強(qiáng)度可信度較高的測(cè)定剪切強(qiáng)度的方法。的方法。五、界面的表征五、界面的表征 （2） 單纖維試驗(yàn)法單纖維試驗(yàn)法 最直接的試驗(yàn)方法是將部分嵌入基體材料中的單根纖維撥出最直接的試驗(yàn)方法是將部分嵌入基體材料中的單根纖維撥出來，如圖所

29、示，這種方法原理很簡(jiǎn)單，但實(shí)施起來卻有些困難，來，如圖所示，這種方法原理很簡(jiǎn)單，但實(shí)施起來卻有些困難，尤其是對(duì)于細(xì)的脆性纖維。由此試驗(yàn)的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系圖，可以尤其是對(duì)于細(xì)的脆性纖維。由此試驗(yàn)的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系圖，可以求出截面剪切強(qiáng)度以及纖維撥出和脫粘的能量。求出截面剪切強(qiáng)度以及纖維撥出和脫粘的能量。纖維拔出試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖纖維拔出試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖五、界面的表征五、界面的表征 （3）聲發(fā)射（）聲發(fā)射（Acoustic Emissin ，AE）法：）法：用儀器檢測(cè)分析聲發(fā)射信號(hào)，推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。用儀器檢測(cè)分析聲發(fā)射信號(hào)，推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。 聲發(fā)射是當(dāng)固體

30、材料在外部條件（如載荷、溫度、磁場(chǎng)、環(huán)聲發(fā)射是當(dāng)固體材料在外部條件（如載荷、溫度、磁場(chǎng)、環(huán)境介質(zhì)等）發(fā)生變化時(shí)，由于其內(nèi)部原因而產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性應(yīng)力境介質(zhì)等）發(fā)生變化時(shí)，由于其內(nèi)部原因而產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性應(yīng)力波發(fā)射。聲發(fā)射信號(hào)包括有材料內(nèi)部缺陷或微觀結(jié)構(gòu)變化動(dòng)態(tài)信波發(fā)射。聲發(fā)射信號(hào)包括有材料內(nèi)部缺陷或微觀結(jié)構(gòu)變化動(dòng)態(tài)信息，借助靈敏的電子儀器可以檢測(cè)到聲發(fā)射信號(hào)。息，借助靈敏的電子儀器可以檢測(cè)到聲發(fā)射信號(hào)。五、界面的表征五、界面的表征 復(fù)合材料的損傷斷裂過程十分復(fù)雜，復(fù)合材料的損傷斷裂過程十分復(fù)雜，包括纖維、基體和界面的包括纖維、基體和界面的破壞和斷裂破壞和斷裂。各組元斷裂時(shí)釋放的聲能與其彈性模量和斷

31、裂時(shí)各。各組元斷裂時(shí)釋放的聲能與其彈性模量和斷裂時(shí)各組元的形變量有關(guān)。由于各組元斷裂時(shí)釋放的聲能不同，即聲發(fā)組元的形變量有關(guān)。由于各組元斷裂時(shí)釋放的聲能不同，即聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)弱不同，那么利用聲發(fā)射技術(shù)就可以區(qū)分和識(shí)別復(fù)合射信號(hào)的強(qiáng)弱不同，那么利用聲發(fā)射技術(shù)就可以區(qū)分和識(shí)別復(fù)合材料界面的破壞和斷裂，從而可以分析界面的結(jié)合狀況，同時(shí)計(jì)材料界面的破壞和斷裂，從而可以分析界面的結(jié)合狀況，同時(shí)計(jì)算出界面強(qiáng)度。算出界面強(qiáng)度。五、界面的表征五、界面的表征 五、界面的表征五、界面的表征 上圖分別表示了不同纖維表面處理的上圖分別表示了不同纖維表面處理的SiCF/Al 復(fù)合材料拉伸過程復(fù)合材料拉伸過程中的中的AE

32、 行為。圖中樣品行為。圖中樣品AE 過程出現(xiàn)的信號(hào)大小及次數(shù)的不同、過程出現(xiàn)的信號(hào)大小及次數(shù)的不同、對(duì)應(yīng)于樣品中不同部位的斷裂破壞、次數(shù)及其強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)應(yīng)于樣品中不同部位的斷裂破壞、次數(shù)及其強(qiáng)度，同時(shí)E-A 相相關(guān)圖包絡(luò)的關(guān)圖包絡(luò)的斜率不同的切線數(shù)目的不同也對(duì)應(yīng)于不同的斷裂機(jī)制。斜率不同的切線數(shù)目的不同也對(duì)應(yīng)于不同的斷裂機(jī)制?？梢钥闯觯惶己透豢梢钥闯?，富碳和富SiO2 處理的處理的SiCF/Al 拉伸過程中具有不同的拉伸過程中具有不同的AE 行為，定性地反映了兩種纖維復(fù)合材料行為，定性地反映了兩種纖維復(fù)合材料具有不同的界面以及不具有不同的界面以及不同的斷裂行為和機(jī)制同的斷裂行為和機(jī)制。同時(shí)根

33、據(jù)相關(guān)公式可以定量地求出復(fù)合材。同時(shí)根據(jù)相關(guān)公式可以定量地求出復(fù)合材料的界面強(qiáng)度。料的界面強(qiáng)度。五、界面的表征五、界面的表征 2、界面結(jié)構(gòu)的表征、界面結(jié)構(gòu)的表征 界面的微觀結(jié)構(gòu)、形貌和厚度可通過先進(jìn)儀器觀察分析。包括界面的微觀結(jié)構(gòu)、形貌和厚度可通過先進(jìn)儀器觀察分析。包括俄歇電子譜儀（俄歇電子譜儀（AES）、電子探針（）、電子探針（EP）、）、 X光電子能譜儀（光電子能譜儀（XPS）、掃描二次離子質(zhì)譜儀（）、掃描二次離子質(zhì)譜儀（SSIMS）、電子能量損失儀（）、電子能量損失儀（EELS）、）、 X射線反射譜儀（射線反射譜儀（GAXP）、透射電子顯微鏡（）、透射電子顯微鏡（ TEM）、掃描電鏡）、

34、掃描電鏡（ SEM）和拉曼光譜（）和拉曼光譜（ Raman）等。）等。五、界面的表征五、界面的表征 復(fù)合材料成型后，由于基體的固化或凝固發(fā)生復(fù)合材料成型后，由于基體的固化或凝固發(fā)生體積收縮或膨脹體積收縮或膨脹（通常為收縮），而增強(qiáng)體則體積相對(duì)穩(wěn)定使界面產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同（通常為收縮），而增強(qiáng)體則體積相對(duì)穩(wěn)定使界面產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)又因增強(qiáng)體與基體之間存在時(shí)又因增強(qiáng)體與基體之間存在熱膨脹系數(shù)的差異熱膨脹系數(shù)的差異，在不同環(huán)境溫度，在不同環(huán)境溫度下界面產(chǎn)生熱應(yīng)力。這兩種應(yīng)力的加和總稱為下界面產(chǎn)生熱應(yīng)力。這兩種應(yīng)力的加和總稱為界面殘余應(yīng)力界面殘余應(yīng)力。界面殘余應(yīng)力界面殘余應(yīng)力 前一種情況下，如果前一種情況下，如果基體發(fā)生收縮基體發(fā)生收縮，則復(fù)合材料，則復(fù)合材料基體受拉應(yīng)力基體受拉應(yīng)力，增強(qiáng)體受壓應(yīng)力，界面受剪切應(yīng)力增強(qiáng)體受壓應(yīng)力，界面受剪切應(yīng)力。后一種情況下，通常是基體膨。后一種情況下，通常是基體膨脹系數(shù)大于增強(qiáng)體，在成型溫度較高的情況下，復(fù)合材料脹系數(shù)大于增強(qiáng)體，在成型溫度較高的情況下，復(fù)合材料基體受拉基體受拉應(yīng)力，增強(qiáng)體受壓應(yīng)力，界面受剪切應(yīng)力應(yīng)力，增強(qiáng)體受壓應(yīng)力，界面受剪切應(yīng)力。但隨著使用溫度的增高，。