5-復(fù)合材料的界面及復(fù)合原理

1、12主要內(nèi)容主要內(nèi)容v復(fù)合材料組元的選擇復(fù)合材料組元的選擇v制備方法的選擇制備方法的選擇v復(fù)合材料的界面理論復(fù)合材料的界面理論v聚合物基復(fù)合材料的界面聚合物基復(fù)合材料的界面v金屬基復(fù)合材料的界面金屬基復(fù)合材料的界面v陶瓷基復(fù)合材料的界面陶瓷基復(fù)合材料的界面3 要想制備一種要想制備一種，首先應(yīng)根據(jù)所要求的性能進(jìn)，首先應(yīng)根據(jù)所要求的性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣才能成功地制備出性能理想的復(fù)合材料。行設(shè)計(jì)，這樣才能成功地制備出性能理想的復(fù)合材料。 設(shè)計(jì)復(fù)合材料應(yīng)遵循的原則：設(shè)計(jì)復(fù)合材料應(yīng)遵循的原則：R 材料組元的選擇材料組元的選擇R 各組元之間的相容性各組元之間的相容性R 界面結(jié)合強(qiáng)度界面結(jié)合強(qiáng)度復(fù)合材料的界面

2、及復(fù)合原理復(fù)合材料的界面及復(fù)合原理v復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則 4 明確對(duì)材料性能的要求。選擇材料組元時(shí)，應(yīng)明確各組元明確對(duì)材料性能的要求。選擇材料組元時(shí)，應(yīng)明確各組元在使用中所應(yīng)承擔(dān)的功能。在使用中所應(yīng)承擔(dān)的功能。 要求復(fù)合后材料達(dá)到的性能，如高強(qiáng)度、高剛度、高耐蝕、要求復(fù)合后材料達(dá)到的性能，如高強(qiáng)度、高剛度、高耐蝕、耐磨、耐熱或其它的導(dǎo)電、傳熱等性能或者某些綜合性能如耐磨、耐熱或其它的導(dǎo)電、傳熱等性能或者某些綜合性能如既高強(qiáng)又耐蝕、耐熱。例如，設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，復(fù)合的既高強(qiáng)又耐蝕、耐熱。例如，設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，復(fù)合的目的是使復(fù)合后材料具有最佳的強(qiáng)度、剛度和韌性等。目的是使復(fù)合

3、后材料具有最佳的強(qiáng)度、剛度和韌性等。 根據(jù)復(fù)合材料所需的性能選擇基體材料和增強(qiáng)材料。設(shè)計(jì)根據(jù)復(fù)合材料所需的性能選擇基體材料和增強(qiáng)材料。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件復(fù)合材料時(shí)，一種組元主要起承受載荷的作用，它必結(jié)構(gòu)件復(fù)合材料時(shí)，一種組元主要起承受載荷的作用，它必須具有高強(qiáng)度和高模量，這種組元就是所要選擇的增強(qiáng)材料；須具有高強(qiáng)度和高模量，這種組元就是所要選擇的增強(qiáng)材料；其它組元起傳遞載荷及協(xié)同的作用，而且要把增強(qiáng)材料粘結(jié)其它組元起傳遞載荷及協(xié)同的作用，而且要把增強(qiáng)材料粘結(jié)在一起，這類(lèi)組元就是要選的基體材料。在一起，這類(lèi)組元就是要選的基體材料。復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則v材料組元的選擇材料組元的選擇 5 除

4、考慮性能要求外，還應(yīng)考慮組成復(fù)合材料的各組元之間除考慮性能要求外，還應(yīng)考慮組成復(fù)合材料的各組元之間的相容性，這包括物理、化學(xué)、力學(xué)等性能的相容，使材料的相容性，這包括物理、化學(xué)、力學(xué)等性能的相容，使材料各組元彼此和諧地共同發(fā)揮作用。各組元彼此和諧地共同發(fā)揮作用。 在任何使用環(huán)境中，復(fù)合材料的各組元之間的伸長(zhǎng)、彎曲、在任何使用環(huán)境中，復(fù)合材料的各組元之間的伸長(zhǎng)、彎曲、應(yīng)變等都應(yīng)相互或彼此協(xié)調(diào)一致。應(yīng)變等都應(yīng)相互或彼此協(xié)調(diào)一致。復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則v組元的相容性組元的相容性 6 考慮復(fù)合材料各組元之間的浸潤(rùn)性，使增強(qiáng)材料與基體之考慮復(fù)合材料各組元之間的浸潤(rùn)性，使增強(qiáng)材料與基體之間達(dá)

5、到比較理想的具有一定結(jié)合強(qiáng)度的界面。適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)間達(dá)到比較理想的具有一定結(jié)合強(qiáng)度的界面。適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)合強(qiáng)度不僅有利于提高材料的整體強(qiáng)度，更重要的是便于將合強(qiáng)度不僅有利于提高材料的整體強(qiáng)度，更重要的是便于將基體所承受的載荷通過(guò)界面?zhèn)鬟f給增強(qiáng)材料，以充分發(fā)揮其基體所承受的載荷通過(guò)界面?zhèn)鬟f給增強(qiáng)材料，以充分發(fā)揮其增強(qiáng)作用。增強(qiáng)作用。 結(jié)合強(qiáng)度太低，界面很難傳遞載荷，不能起潛在材料的作結(jié)合強(qiáng)度太低，界面很難傳遞載荷，不能起潛在材料的作用，影響復(fù)合材料的整體強(qiáng)度；用，影響復(fù)合材料的整體強(qiáng)度； 結(jié)合強(qiáng)度太高也不利，它遏制復(fù)合材料斷裂對(duì)能量的吸收，結(jié)合強(qiáng)度太高也不利，它遏制復(fù)合材料斷裂對(duì)能量的吸收，易發(fā)生脆

6、性斷裂。易發(fā)生脆性斷裂。 除此之外，還應(yīng)聯(lián)系到整個(gè)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)來(lái)考慮。除此之外，還應(yīng)聯(lián)系到整個(gè)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)來(lái)考慮。 對(duì)于顆粒和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，增強(qiáng)效果與顆?；蚶w維的對(duì)于顆粒和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，增強(qiáng)效果與顆?；蚶w維的體積含量、直徑、分布間距及分布狀態(tài)有關(guān)。體積含量、直徑、分布間距及分布狀態(tài)有關(guān)。復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則v界面結(jié)合強(qiáng)度界面結(jié)合強(qiáng)度 7 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的原則顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的原則 (1) (1)顆粒應(yīng)高度彌散均勻地分散在基體中，使其阻礙導(dǎo)致塑顆粒應(yīng)高度彌散均勻地分散在基體中，使其阻礙導(dǎo)致塑性變形的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)性變形的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)( (金屬、陶瓷基體金屬、陶瓷基體) )或分

7、子鏈的運(yùn)動(dòng)或分子鏈的運(yùn)動(dòng)( (聚合物聚合物基體基體) )。 (2) (2)顆粒直徑的大小要合適。顆粒直徑過(guò)大，會(huì)引起應(yīng)力集顆粒直徑的大小要合適。顆粒直徑過(guò)大，會(huì)引起應(yīng)力集中或本身破碎，導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低；顆粒直徑太小，則起不中或本身破碎，導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低；顆粒直徑太小，則起不到大的強(qiáng)化作用。一般粒徑為幾微米到幾十微米。到大的強(qiáng)化作用。一般粒徑為幾微米到幾十微米。 (3) (3)顆粒的體積含量一般大于顆粒的體積含量一般大于2020。數(shù)量太少，達(dá)不到最佳。數(shù)量太少，達(dá)不到最佳的強(qiáng)化效果。的強(qiáng)化效果。 (4) (4)顆粒與基體之間應(yīng)有一定的粘結(jié)作用。顆粒與基體之間應(yīng)有一定的粘結(jié)作用。復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則

8、復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則v顆粒和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則顆粒和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則 8 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的原則纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的原則 (1) (1)纖維的強(qiáng)度和模量都要高于基體，即纖維應(yīng)具有高模量纖維的強(qiáng)度和模量都要高于基體，即纖維應(yīng)具有高模量和高強(qiáng)度，多數(shù)情況下承載主要是靠增強(qiáng)纖維。和高強(qiáng)度，多數(shù)情況下承載主要是靠增強(qiáng)纖維。(2)(2)纖維與基體之間要有一定的粘結(jié)作用，兩者之間結(jié)合要纖維與基體之間要有一定的粘結(jié)作用，兩者之間結(jié)合要保證所受的力通過(guò)界面?zhèn)鬟f給纖維。保證所受的力通過(guò)界面?zhèn)鬟f給纖維。 (3) (3)纖維與基體的熱膨脹系數(shù)不能相差過(guò)大，否則在熱脹冷纖維與基體的熱膨脹系數(shù)不能相差過(guò)大

9、，否則在熱脹冷縮過(guò)程中會(huì)自動(dòng)削弱它們之間的結(jié)合強(qiáng)度?？s過(guò)程中會(huì)自動(dòng)削弱它們之間的結(jié)合強(qiáng)度。 (4)(4)纖維與基體之間不能發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)，特別是不發(fā)纖維與基體之間不能發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)，特別是不發(fā)生強(qiáng)烈的反應(yīng)，否則將引起纖維性能降低而失去強(qiáng)化作用。生強(qiáng)烈的反應(yīng)，否則將引起纖維性能降低而失去強(qiáng)化作用。 (5) (5)纖維所占的體積、纖維的尺寸和分布必須適宜。纖維所占的體積、纖維的尺寸和分布必須適宜。一般而言，一般而言，其，其；，則則，；大大高于大大高于，大于一定的長(zhǎng)度大于一定的長(zhǎng)度(一般是長(zhǎng)徑比一般是長(zhǎng)徑比5)才能顯示出明顯的增強(qiáng)效果。才能顯示出明顯的增強(qiáng)效果。復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則復(fù)合材料的設(shè)

10、計(jì)原則v顆粒和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則顆粒和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則 9 (1) (1)所選的工藝方法對(duì)材料組元的損傷小，纖維或晶須作為所選的工藝方法對(duì)材料組元的損傷小，纖維或晶須作為增強(qiáng)相時(shí)，機(jī)械混合方法往往造成纖維或晶須的損傷；增強(qiáng)相時(shí)，機(jī)械混合方法往往造成纖維或晶須的損傷； (2) (2)能使任何形式的增強(qiáng)材料能使任何形式的增強(qiáng)材料( (纖維、顆粒、晶須纖維、顆粒、晶須) )均勻分布均勻分布或按預(yù)設(shè)計(jì)要求規(guī)則排列；或按預(yù)設(shè)計(jì)要求規(guī)則排列； (3)(3)使最終形成的復(fù)合材料在性能上達(dá)到充分發(fā)揮各組元的使最終形成的復(fù)合材料在性能上達(dá)到充分發(fā)揮各組元的作用，即達(dá)到揚(yáng)長(zhǎng)避短，而且各組元仍保留

11、著固有的特性；作用，即達(dá)到揚(yáng)長(zhǎng)避短，而且各組元仍保留著固有的特性； (4) (4)考慮性能價(jià)格比，在能達(dá)到復(fù)合材料使用要求的情況考慮性能價(jià)格比，在能達(dá)到復(fù)合材料使用要求的情況下，盡可能選擇簡(jiǎn)便易行的工藝以降低制備成本。下，盡可能選擇簡(jiǎn)便易行的工藝以降低制備成本。F 不同的增強(qiáng)材料和基體應(yīng)采用不同的制備方法，如金屬基復(fù)合材料中，不同的增強(qiáng)材料和基體應(yīng)采用不同的制備方法，如金屬基復(fù)合材料中，采用纖維與顆粒、晶須增強(qiáng)時(shí)，同樣采用固態(tài)法，但用纖維增強(qiáng)時(shí)，一般采用纖維與顆粒、晶須增強(qiáng)時(shí)，同樣采用固態(tài)法，但用纖維增強(qiáng)時(shí)，一般采用擴(kuò)散結(jié)合；而用顆?；蚓ы氃鰪?qiáng)時(shí)，往往采用粉末冶金法結(jié)合。因?yàn)椴捎脭U(kuò)散結(jié)合；而用

12、顆?；蚓ы氃鰪?qiáng)時(shí)，往往采用粉末冶金法結(jié)合。因?yàn)轭w?；蚓ы氃鰪?qiáng)時(shí)若采用擴(kuò)散結(jié)合，勢(shì)必使制造工藝十分復(fù)雜，且無(wú)法保顆粒或晶須增強(qiáng)時(shí)若采用擴(kuò)散結(jié)合，勢(shì)必使制造工藝十分復(fù)雜，且無(wú)法保證顆?；蚓ы毦鶆蚍稚?。證顆?；蚓ы毦鶆蚍稚ⅰ?fù)合材料的設(shè)計(jì)原則復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則v制備方法的選擇制備方法的選擇 10 復(fù)合材料的界面雖然很小，但它是有尺寸的，約幾個(gè)納米復(fù)合材料的界面雖然很小，但它是有尺寸的，約幾個(gè)納米到幾個(gè)微米，是一個(gè)區(qū)域或一個(gè)帶、或一層，它的厚度呈不到幾個(gè)微米，是一個(gè)區(qū)域或一個(gè)帶、或一層，它的厚度呈不均勻分布狀態(tài)。均勻分布狀態(tài)。 界面通常包含以下幾個(gè)部分：界面通常包含以下幾個(gè)部分：R 基體和增強(qiáng)物的部分

13、原始接觸面；基體和增強(qiáng)物的部分原始接觸面；R 基體與增強(qiáng)物相互作用生成的反應(yīng)產(chǎn)物，此產(chǎn)物與基體及基體與增強(qiáng)物相互作用生成的反應(yīng)產(chǎn)物，此產(chǎn)物與基體及增強(qiáng)物的接觸面；增強(qiáng)物的接觸面；R 基體和增強(qiáng)物的互擴(kuò)散層；基體和增強(qiáng)物的互擴(kuò)散層；R 增強(qiáng)物上的表面涂層；增強(qiáng)物上的表面涂層；R 基體和增強(qiáng)物上的氧化物及反應(yīng)產(chǎn)物之間的接觸面等。基體和增強(qiáng)物上的氧化物及反應(yīng)產(chǎn)物之間的接觸面等。復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面v復(fù)合材料的界面及組成復(fù)合材料的界面及組成 11 這些成分或以原始狀態(tài)存在，或重新組合成新的化合物。這些成分或以原始狀態(tài)存在，或重新組合成新的化合物。復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面v復(fù)合材料的界面及組

14、成復(fù)合材料的界面及組成12 界面是復(fù)合材料的特征，界面的機(jī)能包括以下幾種效應(yīng)：界面是復(fù)合材料的特征，界面的機(jī)能包括以下幾種效應(yīng)： (1)(1)傳遞效應(yīng)；界面能傳遞力，即將外力傳遞給增強(qiáng)物，起到基傳遞效應(yīng)；界面能傳遞力，即將外力傳遞給增強(qiáng)物，起到基體和增強(qiáng)物之間的橋梁作用。體和增強(qiáng)物之間的橋梁作用。 (2)(2)阻斷效應(yīng)；結(jié)合適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、中斷材料破壞、阻斷效應(yīng)；結(jié)合適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、中斷材料破壞、減緩應(yīng)力集中的作用。減緩應(yīng)力集中的作用。 (3) (3)不連續(xù)效應(yīng)；在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦不連續(xù)效應(yīng)；在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性

15、、電感應(yīng)性、磁性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等。出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應(yīng)性、磁性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等。 (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、耐機(jī)械沖擊及耐熱產(chǎn)生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機(jī)械沖擊及耐熱沖擊性等。沖擊性等。 (5) (5)誘導(dǎo)效應(yīng)。誘導(dǎo)效應(yīng)。 一種物質(zhì)一種物質(zhì)( (通常是增強(qiáng)物通常是增強(qiáng)物) )的表面結(jié)構(gòu)使另一種的表面結(jié)構(gòu)使另一種( (通常是聚合物基體通常是聚合物基體) )與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生改與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而

16、發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)的彈性、低的膨脹性、耐沖擊性和耐變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)的彈性、低的膨脹性、耐沖擊性和耐熱性等。熱性等。復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面v復(fù)合材料界面的機(jī)能復(fù)合材料界面的機(jī)能13 界面上產(chǎn)生的這些效應(yīng)，是任何一種單體材料所沒(méi)有的特界面上產(chǎn)生的這些效應(yīng)，是任何一種單體材料所沒(méi)有的特性，它對(duì)復(fù)合材料具有重要作用。性，它對(duì)復(fù)合材料具有重要作用。 例如在粒子彌散強(qiáng)化金屬中，微形粒子阻止晶格位錯(cuò)，從例如在粒子彌散強(qiáng)化金屬中，微形粒子阻止晶格位錯(cuò)，從而提高復(fù)合材料強(qiáng)度；在纖維增強(qiáng)塑料中，纖維與基體界面而提高復(fù)合材料強(qiáng)度；在纖維增強(qiáng)塑料中，纖維與基體界面阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展等。阻

17、止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展等。 在復(fù)合材料中，界面和改善界面性能的表面處理方法是關(guān)在復(fù)合材料中，界面和改善界面性能的表面處理方法是關(guān)于復(fù)合材料是否有使用價(jià)值、能否推廣使用的重要的問(wèn)題。于復(fù)合材料是否有使用價(jià)值、能否推廣使用的重要的問(wèn)題。 界面效應(yīng)既與界面結(jié)合狀態(tài)、形態(tài)和物理及化學(xué)性質(zhì)等有界面效應(yīng)既與界面結(jié)合狀態(tài)、形態(tài)和物理及化學(xué)性質(zhì)等有關(guān)，也與組分材料的浸潤(rùn)性、相容性、擴(kuò)散性等密切相聯(lián)。關(guān)，也與組分材料的浸潤(rùn)性、相容性、擴(kuò)散性等密切相聯(lián)。 界面是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)域，界面區(qū)是從與增強(qiáng)相內(nèi)界面是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)域，界面區(qū)是從與增強(qiáng)相內(nèi)部性質(zhì)不同的某一點(diǎn)開(kāi)始，直到與基體內(nèi)整體性質(zhì)相一致的部性質(zhì)不同的某

18、一點(diǎn)開(kāi)始，直到與基體內(nèi)整體性質(zhì)相一致的點(diǎn)間的區(qū)域。點(diǎn)間的區(qū)域。復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面v復(fù)合材料的界面效應(yīng)復(fù)合材料的界面效應(yīng)14復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面v 復(fù)合材料的界面面積復(fù)合材料的界面面積 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 一塊復(fù)合材料的長(zhǎng)、寬、高別為一塊復(fù)合材料的長(zhǎng)、寬、高別為l、w、h，其中含有其中含有 N 根長(zhǎng)根長(zhǎng)為為 l、直徑為直徑為 d 的連續(xù)纖維，則纖維的體積分?jǐn)?shù)為：的連續(xù)纖維，則纖維的體積分?jǐn)?shù)為： 定義界面面積為定義界面面積為IA， 則有：則有：IA = N dlhwlldNVf24復(fù)合材料的體積纖維體積)1)()(4(dvlwhIfA)(12mdIA當(dāng)復(fù)合材料的體積

19、為當(dāng)復(fù)合材料的體積為1m3，Vf為為 0.25，有：，有：15復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面v 復(fù)合材料的界面面積復(fù)合材料的界面面積顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料，界面面積：顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料，界面面積：若若VP = 0.25dvdNIPA62)(5 . 12mdIA 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料16復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面v 界面作用機(jī)理界面作用機(jī)理 浸潤(rùn)性浸潤(rùn)性 復(fù)合材料在制備過(guò)程中，只要涉及到液相與固相的相互作復(fù)合材料在制備過(guò)程中，只要涉及到液相與固相的相互作用，必然就有液相與固相的浸潤(rùn)問(wèn)題。用，必然就有液相與固相的浸潤(rùn)問(wèn)題。 在制備聚合物基復(fù)合材料時(shí)，一般是把聚合物在制備聚合物基復(fù)合材料時(shí)，

20、一般是把聚合物( (液態(tài)樹(shù)脂液態(tài)樹(shù)脂) )均勻地浸漬或涂刷在增強(qiáng)材料上。樹(shù)脂對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性是均勻地浸漬或涂刷在增強(qiáng)材料上。樹(shù)脂對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性是指樹(shù)脂能否均勻地分布在增強(qiáng)材料的周?chē)@是樹(shù)脂與增強(qiáng)材指樹(shù)脂能否均勻地分布在增強(qiáng)材料的周?chē)?，這是樹(shù)脂與增強(qiáng)材料能否形成良好粘結(jié)的重要前提。料能否形成良好粘結(jié)的重要前提。 在制備金屬基復(fù)合材料時(shí)，液態(tài)金屬對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性，在制備金屬基復(fù)合材料時(shí)，液態(tài)金屬對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性，則直接影響到界面粘結(jié)強(qiáng)度。則直接影響到界面粘結(jié)強(qiáng)度。F 浸潤(rùn)性是表示液體在固體表面上鋪展的程度。浸潤(rùn)性是表示液體在固體表面上鋪展的程度。17復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面v 浸潤(rùn)

21、性浸潤(rùn)性 好的浸潤(rùn)性意味著液體好的浸潤(rùn)性意味著液體( (基體基體) )將在增強(qiáng)材料上鋪展開(kāi)來(lái)，將在增強(qiáng)材料上鋪展開(kāi)來(lái)，并覆蓋整個(gè)增強(qiáng)材料表面。并覆蓋整個(gè)增強(qiáng)材料表面。 基體的粘度不是太高，浸潤(rùn)后體系自由能降低，就會(huì)發(fā)生基體的粘度不是太高，浸潤(rùn)后體系自由能降低，就會(huì)發(fā)生基體對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)?；w對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)。一滴液體滴落在一固體表面時(shí)，原來(lái)固一滴液體滴落在一固體表面時(shí)，原來(lái)固- -氣接觸界面將被液氣接觸界面將被液- -固界面和液固界面和液- -氣界面所代替，用氣界面所代替，用 LG LG 、 SG SG 、 SLSL分別代表液分別代表液- -氣、固氣、固- -氣和固氣和固- -液的比表面液的

22、比表面能或稱(chēng)表面張力能或稱(chēng)表面張力( (即單位面積的能量即單位面積的能量) )。(Spreading Coefficient)被定義為：被定義為：SGLGSL)(LGSLSGSC按熱力學(xué)，液體鋪展的條件：按熱力學(xué)，液體鋪展的條件：18復(fù)合材料的界面作用復(fù)合材料的界面作用v 浸潤(rùn)性浸潤(rùn)性R 當(dāng)當(dāng)時(shí)，能時(shí)，能。達(dá)到。達(dá)到平衡時(shí)：平衡時(shí)：R 式中式中 稱(chēng)為接觸角。稱(chēng)為接觸角。COSLGSLSG/ )(1LGSLSGCOS19復(fù)合材料的界面作用復(fù)合材料的界面作用v 浸潤(rùn)性浸潤(rùn)性F 由由 可知浸潤(rùn)的程度。可知浸潤(rùn)的程度。 0o時(shí)，液體完全浸潤(rùn)固體；時(shí)，液體完全浸潤(rùn)固體； 180o時(shí)，不浸潤(rùn)；時(shí)，不浸潤(rùn)；

23、 oo 180o時(shí)，不完全浸潤(rùn)時(shí)，不完全浸潤(rùn)(或稱(chēng)部分浸潤(rùn)或稱(chēng)部分浸潤(rùn))，隨角度下降，浸潤(rùn)的程，隨角度下降，浸潤(rùn)的程度增加。度增加。 90o時(shí)，常認(rèn)為不發(fā)生液體浸潤(rùn)。時(shí)，常認(rèn)為不發(fā)生液體浸潤(rùn)。 接觸角隨著溫度、保持時(shí)間、吸附氣體等而變化。接觸角隨著溫度、保持時(shí)間、吸附氣體等而變化。 浸潤(rùn)性表示液體與固體發(fā)生接觸時(shí)的情況，但不表示界面浸潤(rùn)性表示液體與固體發(fā)生接觸時(shí)的情況，但不表示界面的粘結(jié)性能。組元有極好的浸潤(rùn)性，但結(jié)合可能很弱。的粘結(jié)性能。組元有極好的浸潤(rùn)性，但結(jié)合可能很弱。 良好的浸潤(rùn)性，是組元間形成良好粘結(jié)的必要條件，并非良好的浸潤(rùn)性，是組元間形成良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。充分條件

24、。 為提高組元間的浸潤(rùn)性，常通過(guò)對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行表面處理為提高組元間的浸潤(rùn)性，常通過(guò)對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行表面處理的方法來(lái)改善潤(rùn)濕條件，也可通過(guò)改變基體成分來(lái)實(shí)現(xiàn)。的方法來(lái)改善潤(rùn)濕條件，也可通過(guò)改變基體成分來(lái)實(shí)現(xiàn)。20復(fù)合材料的界面作用復(fù)合材料的界面作用v 界面粘結(jié)界面粘結(jié) 界面的粘結(jié)強(qiáng)度影響復(fù)合材料的力學(xué)性能以及其它物理、界面的粘結(jié)強(qiáng)度影響復(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。化學(xué)性能，如耐熱性、耐蝕性、耐磨性等。 當(dāng)基體浸潤(rùn)增強(qiáng)材料后，緊接著便發(fā)生基體與增強(qiáng)材料的當(dāng)基體浸潤(rùn)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)粘結(jié)(Bonding)。粘結(jié)。粘結(jié)(或稱(chēng)粘合、粘著、

25、粘接或稱(chēng)粘合、粘著、粘接)是指不同種類(lèi)是指不同種類(lèi)的兩種材料相互接觸并結(jié)合在一起的一種現(xiàn)象。的兩種材料相互接觸并結(jié)合在一起的一種現(xiàn)象。 對(duì)于給定的復(fù)合材料體系，同時(shí)可能會(huì)有不同的粘結(jié)機(jī)理對(duì)于給定的復(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)械粘結(jié)、靜電粘結(jié)等如機(jī)械粘結(jié)、靜電粘結(jié)等)起作用，而且在不同的生產(chǎn)過(guò)程中起作用，而且在不同的生產(chǎn)過(guò)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)。粘結(jié)變成反應(yīng)粘結(jié)。 體系不同，粘結(jié)的種類(lèi)或機(jī)理不同，這主要取決于基體與體系不同，粘結(jié)的種類(lèi)或機(jī)理不同，這主要取決于基體與增強(qiáng)材料的種類(lèi)

26、以及表面活性劑增強(qiáng)材料的種類(lèi)以及表面活性劑(或稱(chēng)偶聯(lián)劑或稱(chēng)偶聯(lián)劑)的類(lèi)型等。的類(lèi)型等。 界面粘結(jié)機(jī)理主要有界面反應(yīng)理論、浸潤(rùn)理論、可變形層界面粘結(jié)機(jī)理主要有界面反應(yīng)理論、浸潤(rùn)理論、可變形層理論、約束層理論、靜電作用理論、機(jī)械作用理論等。理論、約束層理論、靜電作用理論、機(jī)械作用理論等。21復(fù)合材料的界面作用復(fù)合材料的界面作用v 界面粘結(jié)機(jī)理界面粘結(jié)機(jī)理 機(jī)械作用理論機(jī)械作用理論 機(jī)械作用機(jī)理，當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸后，由于表面粗糙不機(jī)械作用機(jī)理，當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將發(fā)生機(jī)械互鎖。表面越粗糙，互鎖作用越強(qiáng)，因此機(jī)械平將發(fā)生機(jī)械互鎖。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。

27、粘結(jié)作用越有效。R 受平行于界面的作用力時(shí)，機(jī)受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，獲械粘結(jié)作用可達(dá)到最佳效果，獲得較高的剪切強(qiáng)度。界面受拉力得較高的剪切強(qiáng)度。界面受拉力作用時(shí)，一般拉伸強(qiáng)度會(huì)很低。作用時(shí)，一般拉伸強(qiáng)度會(huì)很低。R 多數(shù)情況下，純粹機(jī)械粘結(jié)作多數(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。用與其它粘結(jié)機(jī)理共同起作用。機(jī)械作用理論示意圖機(jī)械作用理論示意圖22復(fù)合材料的界面作用復(fù)合材料的界面作用v 界面粘結(jié)機(jī)理界面粘結(jié)機(jī)理 機(jī)械作用理論機(jī)械作用理論 由于基體的收縮率較大，冷卻收縮后基體將增強(qiáng)相包裹產(chǎn)由于基體的

28、收縮率較大，冷卻收縮后基體將增強(qiáng)相包裹產(chǎn)生壓應(yīng)力。生壓應(yīng)力。 通過(guò)滲透、高溫?cái)U(kuò)散等基體滲入或浸入增強(qiáng)纖維的表面而通過(guò)滲透、高溫?cái)U(kuò)散等基體滲入或浸入增強(qiáng)纖維的表面而形成機(jī)械結(jié)合。形成機(jī)械結(jié)合。界面的剪應(yīng)力界面的剪應(yīng)力 為：為： i = i 為摩擦系數(shù)，通常為為摩擦系數(shù)，通常為0.1 - 0.6機(jī)械粘結(jié)為低能量弱粘結(jié)，機(jī)械粘結(jié)為低能量弱粘結(jié)，其界面強(qiáng)度較化學(xué)粘結(jié)低。其界面強(qiáng)度較化學(xué)粘結(jié)低。23復(fù)合材料的界面作用復(fù)合材料的界面作用v 界面粘結(jié)機(jī)理界面粘結(jié)機(jī)理 靜電作用理論靜電作用理論 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

29、間將發(fā)生靜電吸引力?；w與增強(qiáng)材料之間將發(fā)生靜電吸引力。 靜電相互作用的距離很短，僅在原子尺度量級(jí)內(nèi)靜電作用靜電相互作用的距離很短，僅在原子尺度量級(jí)內(nèi)靜電作用力才有效。力才有效。 表面的污染等將大大減弱這種粘結(jié)作用。表面的污染等將大大減弱這種粘結(jié)作用。靜電作用理論示意圖靜電作用理論示意圖24復(fù)合材料的界面作用復(fù)合材料的界面作用v 界面粘結(jié)機(jī)理界面粘結(jié)機(jī)理 化學(xué)作用理論化學(xué)作用理論 通過(guò)原子或分子的擴(kuò)散在界面上形成了固溶體或化合物，通過(guò)原子或分子的擴(kuò)散在界面上形成了固溶體或化合物，此時(shí)即為化學(xué)粘結(jié)?；瘜W(xué)作用是指增強(qiáng)材料表面的化學(xué)基此時(shí)即為化學(xué)粘結(jié)?；瘜W(xué)作用是指增強(qiáng)材料表面的化學(xué)基(x(x面面)

30、)與基體表面的相容基與基體表面的相容基(R(R面面) )之間的化學(xué)粘結(jié)。之間的化學(xué)粘結(jié)。 化學(xué)作用理論成功的應(yīng)用是偶聯(lián)劑用于增強(qiáng)材料表面與聚化學(xué)作用理論成功的應(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)型具有兩種性質(zhì)不同的官能團(tuán)，合物基體的粘結(jié)。如硅烷偶聯(lián)型具有兩種性質(zhì)不同的官能團(tuán)，在界面上形成共價(jià)鍵結(jié)合。在界面上形成共價(jià)鍵結(jié)合。化學(xué)作用理論示意圖化學(xué)作用理論示意圖硅烷偶聯(lián)劑產(chǎn)生的化學(xué)粘結(jié)硅烷偶聯(lián)劑產(chǎn)生的化學(xué)粘結(jié)25復(fù)合材料的界面作用復(fù)合材料的界面作用v 界面粘結(jié)機(jī)理界面粘結(jié)機(jī)理 界面反應(yīng)或界面擴(kuò)散理論界面反應(yīng)或界面擴(kuò)散理論l 復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)材料間可以發(fā)生原子或分子的互擴(kuò)復(fù)

31、合材料的基體與增強(qiáng)材料間可以發(fā)生原子或分子的互擴(kuò)散或發(fā)生反應(yīng)，從而形成反應(yīng)結(jié)合或互擴(kuò)散結(jié)合。散或發(fā)生反應(yīng)，從而形成反應(yīng)結(jié)合或互擴(kuò)散結(jié)合。l 對(duì)于聚合物來(lái)說(shuō)，這種粘結(jié)機(jī)理可看作為分子鏈的纏結(jié)。對(duì)于聚合物來(lái)說(shuō)，這種粘結(jié)機(jī)理可看作為分子鏈的纏結(jié)。聚合物的粘結(jié)作用正如它的自粘作用一樣是由于長(zhǎng)鏈分子及聚合物的粘結(jié)作用正如它的自粘作用一樣是由于長(zhǎng)鏈分子及其各鏈段的擴(kuò)散作用所致。其各鏈段的擴(kuò)散作用所致。l 對(duì)于金屬和陶瓷基復(fù)合材料，兩組元的互擴(kuò)散可產(chǎn)生完全對(duì)于金屬和陶瓷基復(fù)合材料，兩組元的互擴(kuò)散可產(chǎn)生完全不同于任一原組元成分及結(jié)構(gòu)的界面層。不同于任一原組元成分及結(jié)構(gòu)的界面層。聚合物的反應(yīng)粘結(jié)聚合物的反應(yīng)粘結(jié)

32、界面擴(kuò)散形成的界面層界面擴(kuò)散形成的界面層26復(fù)合材料的界面作用復(fù)合材料的界面作用v 界面粘結(jié)機(jī)理界面粘結(jié)機(jī)理 界面反應(yīng)或界面擴(kuò)散理論界面反應(yīng)或界面擴(kuò)散理論l 界面層的性能也因復(fù)合材料組元不同而異。界面層的性能也因復(fù)合材料組元不同而異。l 金屬基復(fù)合材料，這種界面層常常是金屬基復(fù)合材料，這種界面層常常是ABAB、ABAB2 2、A A3 3B B類(lèi)型的脆類(lèi)型的脆性的金屬間化合物。性的金屬間化合物。l 金屬基和陶瓷基復(fù)合材料，形成界面層的主要原因之一是金屬基和陶瓷基復(fù)合材料，形成界面層的主要原因之一是由于它們的生產(chǎn)制備過(guò)程不可避免地涉及到高溫。在高溫下，由于它們的生產(chǎn)制備過(guò)程不可避免地涉及到高溫。

33、在高溫下，擴(kuò)散極易進(jìn)行，擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散極易進(jìn)行，擴(kuò)散系數(shù)D D隨溫度呈指數(shù)關(guān)系增加。隨溫度呈指數(shù)關(guān)系增加。l 互擴(kuò)散層的程度即反應(yīng)層的厚度取決于時(shí)間和溫度?；U(kuò)散層的程度即反應(yīng)層的厚度取決于時(shí)間和溫度。)/exp(0RTQDD Q一擴(kuò)散激活能一擴(kuò)散激活能D一常數(shù)，一常數(shù)，R一氣體常數(shù)一氣體常數(shù)T一溫度。一溫度。 溫度明顯影響著擴(kuò)散系數(shù)，若溫度明顯影響著擴(kuò)散系數(shù)，若Q250kJmol，則在，則在10000C時(shí)擴(kuò)散系時(shí)擴(kuò)散系數(shù)數(shù)D=21034要比室溫大得多。要比室溫大得多。27聚合物基復(fù)合材料界面聚合物基復(fù)合材料界面l 大多數(shù)界面為物理粘接，粘接強(qiáng)度較低。大多數(shù)界面為物理粘接，粘接強(qiáng)度較低。l PM

34、C PMC 一般在較低溫度下使用，故界面可保持相對(duì)穩(wěn)定。一般在較低溫度下使用，故界面可保持相對(duì)穩(wěn)定。l PMCPMC界面增強(qiáng)體一般不與基體發(fā)生反應(yīng)。界面增強(qiáng)體一般不與基體發(fā)生反應(yīng)。v聚合物基復(fù)合材料界面的特點(diǎn)聚合物基復(fù)合材料界面的特點(diǎn)界面層結(jié)構(gòu)：界面層結(jié)構(gòu)： 主要包括增強(qiáng)材料表面、與基體的反應(yīng)層或與偶聯(lián)劑的反應(yīng)主要包括增強(qiáng)材料表面、與基體的反應(yīng)層或與偶聯(lián)劑的反應(yīng)層，以及接近反應(yīng)層的基體抑制層。層，以及接近反應(yīng)層的基體抑制層。界面表征的目的：界面表征的目的： 了解增強(qiáng)材料表面的組成、結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)性質(zhì)、基體與增了解增強(qiáng)材料表面的組成、結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)性質(zhì)、基體與增強(qiáng)材料表面的作用、偶聯(lián)劑與增強(qiáng)材料

35、及基體的作用、界強(qiáng)材料表面的作用、偶聯(lián)劑與增強(qiáng)材料及基體的作用、界面層性質(zhì)、界面粘接強(qiáng)度的大小、殘余應(yīng)力的大小與作用面層性質(zhì)、界面粘接強(qiáng)度的大小、殘余應(yīng)力的大小與作用等。等。28 界面區(qū)域的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)都不界面區(qū)域的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)都不同于兩相中的任一相。從結(jié)構(gòu)同于兩相中的任一相。從結(jié)構(gòu)上來(lái)分，這一界面區(qū)由五個(gè)亞上來(lái)分，這一界面區(qū)由五個(gè)亞層組成：層組成：聚合物基復(fù)合材料的界面聚合物基復(fù)合材料的界面v聚合物基復(fù)合材料的構(gòu)成聚合物基復(fù)合材料的構(gòu)成1一外力場(chǎng)；一外力場(chǎng)； 2-樹(shù)脂基體；樹(shù)脂基體；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)；5一增強(qiáng)劑表面；一增強(qiáng)劑表面；6-增強(qiáng)劑增強(qiáng)劑每一亞層的性

36、能均與樹(shù)脂每一亞層的性能均與樹(shù)脂基體和增強(qiáng)劑的性質(zhì)、偶聯(lián)劑基體和增強(qiáng)劑的性質(zhì)、偶聯(lián)劑的品種和性質(zhì)、復(fù)合材料的成的品種和性質(zhì)、復(fù)合材料的成型方法等密切有關(guān)。型方法等密切有關(guān)。29聚合物基復(fù)合材料界面聚合物基復(fù)合材料界面l 在聚合物基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)中，首先考慮如何改善增強(qiáng)材在聚合物基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)中，首先考慮如何改善增強(qiáng)材料與基體間的浸潤(rùn)性。浸潤(rùn)不良將會(huì)在界面產(chǎn)生空隙，易使料與基體間的浸潤(rùn)性。浸潤(rùn)不良將會(huì)在界面產(chǎn)生空隙，易使應(yīng)力集中而使復(fù)合材料發(fā)生開(kāi)裂。應(yīng)力集中而使復(fù)合材料發(fā)生開(kāi)裂。 l 選擇合適的偶聯(lián)劑也很重要。如玻璃纖維使用硅烷作為偶選擇合適的偶聯(lián)劑也很重要。如玻璃纖維使用硅烷作為偶聯(lián)劑可使復(fù)

37、合材料的性能大大改善，碳纖維經(jīng)氧化處理或等聯(lián)劑可使復(fù)合材料的性能大大改善，碳纖維經(jīng)氧化處理或等離子體處理以及適當(dāng)?shù)耐繉佣伎梢允盏胶芎玫男Ч?。離子體處理以及適當(dāng)?shù)耐繉佣伎梢允盏胶芎玫男Ч?。v聚合物基復(fù)合材料界面的設(shè)計(jì)聚合物基復(fù)合材料界面的設(shè)計(jì)30 基體和增強(qiáng)物通過(guò)界面結(jié)合在一起，構(gòu)成復(fù)合材料整體，基體和增強(qiáng)物通過(guò)界面結(jié)合在一起，構(gòu)成復(fù)合材料整體，界面結(jié)合的狀態(tài)和強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料的性能有重要影響。界面結(jié)合的狀態(tài)和強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料的性能有重要影響。 各種復(fù)合材料都要求有合適的界面結(jié)合強(qiáng)度。界面的結(jié)合各種復(fù)合材料都要求有合適的界面結(jié)合強(qiáng)度。界面的結(jié)合強(qiáng)度一般是以分子間力、表面張力強(qiáng)度一般是以分子間力、表面

38、張力(表面自由能表面自由能)等表示。等表示。l影響界面結(jié)合強(qiáng)度的因素。影響界面結(jié)合強(qiáng)度的因素。R 表面幾何形狀、分布狀況、紋理結(jié)構(gòu)；表面幾何形狀、分布狀況、紋理結(jié)構(gòu)；R 表面吸附氣體和蒸氣程度；表面吸附氣體和蒸氣程度；R 表面吸水情況，雜質(zhì)存在；表面吸水情況，雜質(zhì)存在；R 表面形態(tài)在界面的溶解、浸透、擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)；表面形態(tài)在界面的溶解、浸透、擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)；R 表面層的力學(xué)特性，潤(rùn)濕速度等。表面層的力學(xué)特性，潤(rùn)濕速度等。聚合物基復(fù)合材料的界面聚合物基復(fù)合材料的界面v界面的結(jié)合強(qiáng)度界面的結(jié)合強(qiáng)度31 界面區(qū)相對(duì)于整體材料所占比重很小，單獨(dú)對(duì)某一性能進(jìn)界面區(qū)相對(duì)于整體材料所占比重很小，單獨(dú)對(duì)某一

39、性能進(jìn)行度量有很大困難。行度量有很大困難。 常利用整體材料的力學(xué)性能來(lái)表征界面性能，如層間剪切常利用整體材料的力學(xué)性能來(lái)表征界面性能，如層間剪切強(qiáng)度強(qiáng)度(ILSS)就是研究界面粘結(jié)的有效方法；配合斷裂形貌分就是研究界面粘結(jié)的有效方法；配合斷裂形貌分析等可對(duì)界面的其他性能作較深入的研究。析等可對(duì)界面的其他性能作較深入的研究。 復(fù)合材料的破壞形式隨作用力的類(lèi)型、原材料結(jié)構(gòu)組成不復(fù)合材料的破壞形式隨作用力的類(lèi)型、原材料結(jié)構(gòu)組成不同而異，破壞可開(kāi)始在樹(shù)脂基體或增強(qiáng)劑，也可開(kāi)始在界面。同而異，破壞可開(kāi)始在樹(shù)脂基體或增強(qiáng)劑，也可開(kāi)始在界面。 力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，界面性能較差的材料多呈剪切破壞，在斷力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，

40、界面性能較差的材料多呈剪切破壞，在斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象；界面間面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象；界面間粘結(jié)過(guò)強(qiáng)的材料呈脆性，也降低了材料的復(fù)合性能。粘結(jié)過(guò)強(qiáng)的材料呈脆性，也降低了材料的復(fù)合性能。 界面的最佳狀態(tài)是當(dāng)受力發(fā)生開(kāi)裂時(shí)，裂紋能轉(zhuǎn)為區(qū)域化界面的最佳狀態(tài)是當(dāng)受力發(fā)生開(kāi)裂時(shí)，裂紋能轉(zhuǎn)為區(qū)域化而不產(chǎn)生進(jìn)一步界面脫粘，具有最大斷裂能和一定的韌性。而不產(chǎn)生進(jìn)一步界面脫粘，具有最大斷裂能和一定的韌性。聚合物基復(fù)合材料的界面聚合物基復(fù)合材料的界面v界面的結(jié)合強(qiáng)度的表征界面的結(jié)合強(qiáng)度的表征32 研究和設(shè)計(jì)界面時(shí)，不應(yīng)只追求界面粘結(jié)，而應(yīng)考慮到最研究和設(shè)計(jì)界面時(shí)，不

41、應(yīng)只追求界面粘結(jié)，而應(yīng)考慮到最優(yōu)化和最佳綜合性能。優(yōu)化和最佳綜合性能。 例如，在某些應(yīng)用中，如果要求能量吸收或纖維應(yīng)力很大時(shí)，控制界面例如，在某些應(yīng)用中，如果要求能量吸收或纖維應(yīng)力很大時(shí)，控制界面的部分脫粘也許是所期望的，用淀粉或明膠作為增強(qiáng)玻璃纖維表面浸潤(rùn)劑的部分脫粘也許是所期望的，用淀粉或明膠作為增強(qiáng)玻璃纖維表面浸潤(rùn)劑的的E E粗紗已用于制備具有高沖擊強(qiáng)度的避彈衣。粗紗已用于制備具有高沖擊強(qiáng)度的避彈衣。 界面尺寸很小且不均勻、化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、力學(xué)環(huán)境界面尺寸很小且不均勻、化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、力學(xué)環(huán)境復(fù)雜、對(duì)于界面的結(jié)合強(qiáng)度、界面的厚度、界面的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜、對(duì)于界面的結(jié)合強(qiáng)度、界面的厚度

42、、界面的應(yīng)力狀態(tài)尚無(wú)直接的、準(zhǔn)確的定量分析方法；另外，對(duì)于成分和相結(jié)尚無(wú)直接的、準(zhǔn)確的定量分析方法；另外，對(duì)于成分和相結(jié)構(gòu)也很難作出全面的分析。構(gòu)也很難作出全面的分析。 對(duì)復(fù)合材料界面的認(rèn)識(shí)還很不充分，尚沒(méi)有通用的模型來(lái)對(duì)復(fù)合材料界面的認(rèn)識(shí)還很不充分，尚沒(méi)有通用的模型來(lái)建立完整的理論。通常需要借助拉曼光譜、電子質(zhì)譜、紅外建立完整的理論。通常需要借助拉曼光譜、電子質(zhì)譜、紅外掃描、掃描、X射線衍射等試驗(yàn)逐步摸索和統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。射線衍射等試驗(yàn)逐步摸索和統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。聚合物基復(fù)合材料的界面聚合物基復(fù)合材料的界面v界面的結(jié)合強(qiáng)度的表征界面的結(jié)合強(qiáng)度的表征33v界面強(qiáng)度的測(cè)量方法有兩種界面強(qiáng)度的測(cè)量方法有兩種：?jiǎn)?/p>

43、纖維測(cè)試方法單纖維測(cè)試方法基于實(shí)際復(fù)合材料的測(cè)試技術(shù)基于實(shí)際復(fù)合材料的測(cè)試技術(shù)聚合物基復(fù)合材料的界面聚合物基復(fù)合材料的界面v界面的結(jié)合強(qiáng)度的表征界面的結(jié)合強(qiáng)度的表征34v 界面設(shè)計(jì)的基本原則：改善浸潤(rùn)性，提高界面的粘接強(qiáng)度。界面設(shè)計(jì)的基本原則：改善浸潤(rùn)性，提高界面的粘接強(qiáng)度。v提高提高PMCPMC界面粘接強(qiáng)度的措施界面粘接強(qiáng)度的措施： (1) (1) 使用偶聯(lián)劑使用偶聯(lián)劑 偶聯(lián)劑：也稱(chēng)活性浸潤(rùn)劑，它既與增強(qiáng)用玻璃纖維表面形偶聯(lián)劑：也稱(chēng)活性浸潤(rùn)劑，它既與增強(qiáng)用玻璃纖維表面形成化學(xué)鍵，又與基體具有良好的相容性或與基體反應(yīng)的化學(xué)試成化學(xué)鍵，又與基體具有良好的相容性或與基體反應(yīng)的化學(xué)試劑。劑。常用的偶

44、聯(lián)劑：有機(jī)硅、有機(jī)鉻、鈦酸酯等。常用的偶聯(lián)劑：有機(jī)硅、有機(jī)鉻、鈦酸酯等。有機(jī)硅偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)通式為有機(jī)硅偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)通式為：R-Si-(OR)R-Si-(OR)3 3 聚合物基復(fù)合材料的界面聚合物基復(fù)合材料的界面v 界面的設(shè)計(jì)與改善界面的設(shè)計(jì)與改善35聚合物基復(fù)合材料的界面聚合物基復(fù)合材料的界面v 界面的設(shè)計(jì)與改善界面的設(shè)計(jì)與改善36 有機(jī)硅偶聯(lián)劑對(duì)玻璃纖維的作用機(jī)制：偶聯(lián)劑在玻璃纖維有機(jī)硅偶聯(lián)劑對(duì)玻璃纖維的作用機(jī)制：偶聯(lián)劑在玻璃纖維表面上的水解、吸附、自聚及偶聯(lián)等。表面上的水解、吸附、自聚及偶聯(lián)等。聚合物基復(fù)合材料的界面聚合物基復(fù)合材料的界面v 界面的設(shè)計(jì)與改善界面的設(shè)計(jì)與改善37 (2) (

45、2) 增強(qiáng)纖維表面活化增強(qiáng)纖維表面活化通過(guò)各種表面處理方法，如表面通過(guò)各種表面處理方法，如表面氧化、等離子處理，可在惰性的碳氧化、等離子處理，可在惰性的碳纖維或玻璃纖維表面上引入活性官纖維或玻璃纖維表面上引入活性官能團(tuán)。能團(tuán)。這些官能團(tuán)一方面與基體中活性這些官能團(tuán)一方面與基體中活性基團(tuán)反應(yīng)，另一方面也可提高纖維基團(tuán)反應(yīng)，另一方面也可提高纖維與基體相容性，從而提高強(qiáng)度。與基體相容性，從而提高強(qiáng)度。 (3) (3) 使用聚合物涂層使用聚合物涂層 聚合物涂層與增強(qiáng)纖維和基體都有良好的浸潤(rùn)性，所以能有聚合物涂層與增強(qiáng)纖維和基體都有良好的浸潤(rùn)性，所以能有效地改善效地改善PMCPMC界面粘接狀況。界面粘接狀況。 聚合物涂層的另一個(gè)作用是改善界面的應(yīng)力狀態(tài)，降低界面聚合物涂層的另一個(gè)作用是改善界面的應(yīng)力狀態(tài)，降低界面的殘余應(yīng)力改善聚合物基復(fù)合材料的沖擊韌性和疲勞性能。的殘余應(yīng)力改善聚合物基復(fù)合材料的沖擊韌性和疲勞性能。聚合物基復(fù)合材料的界面聚合物基復(fù)合材料的界面v 界面的設(shè)計(jì)與改善界面的設(shè)計(jì)與改善38 金屬基復(fù)合材料的特點(diǎn)是容易發(fā)生界面反應(yīng)而生成脆性界金屬基復(fù)合材料的特點(diǎn)是容易發(fā)生界面反應(yīng)而生成脆性界面?；w為合金，還易出現(xiàn)某元素在界面上富集的現(xiàn)象。面?；w為合金，還易出現(xiàn)某元素在界面上富集的現(xiàn)象。 金屬基