復合材料第十五章復合材料的界面及界面優(yōu)化設計

1、 #第三部今復金材料的幡無材料第十玉十女停材対的界而&界而優(yōu)也徴針教學目的:通過本章的學習,掌握復合材料的界面及作用，聚合物基復合材料的界面及改性方法，幾種聚合物基復合材料的形成和改善界面的途徑，界面表征的方式.置點內(nèi)容：1、復合材料的界面及界面改性方法.2、復合材料改善界面的途徑.難區(qū)復合材料界面與性能的關系。熟悉內(nèi)容:復合材料界面的研究內(nèi)容及方法. # #主要英文詞匯：Compositematerial袁合材料Compositeinterface復合材料界面Residualstressofcompositeinterface材料界面殘余應力Reactionofcompositeinterf

2、ace復合材料界面Modificationofcompositeinterface復合材料的界面改性MechanicsofcompositeintErfa復合材料界面力學Bondingstrengthofcompositeintgrface復合材料界面黏結強度Optimumdesignofcompositeinterface復合材料界面優(yōu)化設計CompatibilityofcompositeintErfaw復合材料界面相容性Mechanicsofcomposite復合材料力學Micromechanicsofcomposite復合材料鈿觀力學 # 參考教材或資料：復合材料學周祖福（武漢理工大學出

3、版社，2004年）現(xiàn)代復合材料陳華輝鄧海金李明（中國輸質(zhì)出心.1998）復合材料概論王榮國丸衛(wèi)莉（哈爾濱工業(yè)大學出XM1.1999）復合材科吳人潔（天津大學出版社2000）復合材料科學與工殺血禮*陳埶科學出版社20026復合材料及其應用一尹洪峰任襖（陜西科學技術出版社.2003）高性能復合材料學壽元也肖加余（化學工業(yè)出版社2004）新材料概論譚教.李我鋒（冶金工業(yè)出版社.2004）先進復合材料魯云來世杰馬鳴圖（機械工業(yè)已出版社.2004）JL合材料周吸亞（化學工業(yè)出2005）15、復合材料的界面及界面優(yōu)化設計前言：21世紀對材料的要求多樣化，復合材料開發(fā)有很大的發(fā)展，復合材料整體性能的優(yōu)劣與界

4、面結構和性能關系密切.15.1復合材料的界面概念復合材料的界面是指基體與增強相之間化學成分有顯著變化的、構成彼此結合的、能起栽荷傳遞作用的從小區(qū)域.復合材料的界面是一個多層結構的過渡區(qū)域，約幾個納米到幾個微米.大量審實證明，復合材料的界面實質(zhì)上是納來級以上盡度的界面層（Intcrkiyer）或稱界面4S（Interphase）ek外力場2s基體3、基體表面區(qū)4、相互滲透區(qū)5、增強劑表面區(qū)6、增強劑界面特征:必然性:復合材料是兩種或兩種以上材料組成的新型材料，就具有界面的存在斗復合材料的關鍵/首先界面是基體和增冬材料的結合處，即二者的分子在界面形成原子作用力.“其次，界面又作為基體和增冬材料之間

5、傳遞栽荷的媒介或過M.界面：增強體和基體接觸而構成。是一層具有一定厚度（納米以上）、結構隨基體和增強體而異的，與基體有明顯差別的新相（界面相.界面層）界面的作用：是增強相和基體連接的紐帶，也是應力及其它信息傳遞的橋梁.界面為復合材料極為重要的微結構.其結構與性能直接彩響了復合材料的性能.增冬體（殲維.微纖、晶須.顆粒）與基體在成型過程中發(fā)生不同相互作用和界面反應，形成了各種界面結構.界面的研究內(nèi)容：界面的形成過程，界面的性質(zhì)，界面的粘合，應力傳遞行為對宏觀力學性能影響規(guī)律. # #界面在復合材料中的必然性與重要性硬化、強彳一跨越界面的載荷傳遞韌性一裂紋的偏轉，纖維的拔出塑性一界面附近峰值應力的

6、松弛界面的性能研究：聚合物基復合材料：涉及化學反應，比較復雜；界面的要求：高粘結歿度（可有效把栽荷傳遞給幷維），對環(huán)境破壞具有良好的抵抗能力.金屬基復合材料：通常需要有適中的粘結界面；界面處的塑性行為可能是有益的.控制組元之間在成型時或在高溫工作條件下的化學反應；控制組元之間化學反應要比避免環(huán)境破壞更為重要.界面效應彩響因素：增強體與基體兩相材料之間的濕潤、吸附.相容等熱力學問題；兩相材料自身的結構.形態(tài)及物理.化學等性質(zhì)有關；界面形成過程中的誘導發(fā)生的界面附加應力有關;復合材料成型時兩相材料相互作用和界面的反應程度有關 # 界面黏結強度的重要性：PMC遞給纖維CMCMMC-高的界面強度，有效

7、地將載荷傳界面處能量的耗散一強的界面，有益的非彈性過程1115.2界面效應及界面結合強度15.2.1面效應界面是復合材料的特征.可將界面的機能歸納為以下幾種效應:（1）傳遞效應：界面可將復合材料體系中基體承受的外力傳遞給增冬相，起到基體和增張相之間的橋梁作用.（2）阻斷效應：基體和增後相之間結合力適蛋的界面有阻止裂紋擴展、減緩應力集中的作用.（3）不連續(xù)效應：在界面上產(chǎn)生物理性能的不連埃性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性.電感應性、磁性、耐熱性和碓場尺寸穩(wěn)定性竽.1：散射和吸收效應：光矢聲波、熱彈性法沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如透光性.隔熱性、陋音性.耐機械沖擊性等.講導效應：一種物度(通常

8、是增冬劑)的表面結構使另一種(通常是聚合物基體)與之接舷的物質(zhì)的結構由于誘導作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如茲彈性.低膨脹性.耐熱性和沖擊性等.界面效應是一種單一材料所沒有的轎性，它對復合材料具有重要的作用.15.2.2界面的結合狀態(tài)和強度界面的結合狀態(tài)和冬度對復合材料的性能有重要形響.對于毎一種復合材料都要求有合適的界面結合企度.界面姑合校差的復合材料大多呈剪切破壞,且在材料的斷面可觀察到脫粘.殲維拔出、殲維應力松弛等現(xiàn)象.界面結合過強的復合材料則呈脆牲斷裂,也降低了復合材料的整體性能.晁面敢佳態(tài)的衡量是當受力發(fā)生開裂時,裂紋能轉化為區(qū)域化而不進一步界面脫粘；即這時的復合材料具有最大斷數(shù)

9、能和一定的初性. # #13 # #由于界面區(qū)相對于螯體材料所占比重甚擻,欲單躲對某一竝進行度量有很大困難.因此常借于整體材料的力學性能來表征界面性能,如層間剪切強度(ILSS)就是研究界面粘結的良好辦法；如再能配合斷裂形貌分析等即可對界面的其他社能作校深入的研究.通過力學分析可看出，界面性能校差的材料大多呈剪切破坯，且在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出.纖維應力松弛備現(xiàn)象但界面間粘結過強的材料呈竝也降低了材料的復合性能.界面豪佳態(tài)的衡量是當受力發(fā)生開裂時,這一裂紋能轉為區(qū)城化而不產(chǎn)生近一步界面脫粘.即這時的復合材料具有敢大斷裂能和一定的韌牲由此可見.在研究和設計界面時，不應只追求界面粘結而應

10、考慮到最優(yōu)化和聶佳綜合性能.例如，在某些應用中，如果要求能童吸收或纖維應力很大時，控制界面的部分脫粘也許是所期塑的,用淀粉或明膠作為增強玻璃纖維表而浸潤劑的E粗紗已用于制冬具右ife沖擊強度的避彈衣. # #由于界面尺寸很小且不均勻、化學成分及結構復雜、力學環(huán)境復雜.對于界面的結合強度.界面的莊譽尿面的應力狀態(tài)謝無直接的.準確的定量分析方法;所以，對于界面結合狀態(tài)、形態(tài)、結構以及它對復合材料性能的影響離沒有適當?shù)脑嚹樂椒?通常需要借助拉曼光譜.電子質(zhì)譜、紅外掃描、x衍射等試臉逐步摸索和統(tǒng)一認識；另外，對于成分和相結構也很難作出全面的分析因此，這今為止，對復合材料界面的認識還是很不充分的,不能以

11、一個通用的模型來建立完整的理論.盡管存在很大的困難，但由于界面的重要性.所以吸引著大量研究者致力于認識界面的工作,以便掌根其規(guī)律15.3復合材料組分的相容性和界面理論153.1復合材料的相容性(1)物理相容性：基體應具有足夠的韌性和強度，能夠?qū)⑼獠枯d荷均勻地傳遞到增冬劑上，而不會有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象.由于裂紋戎位錯移動，在基體上產(chǎn)生的局部應力不應在增強劑上形成高的局部應力.基體與增E相熱腹版系數(shù)的差異貳/秋氓的於面結合及各類性能產(chǎn)生重要的彩響. 對于韌性基體材料，最好具有較高的熱膨脹系數(shù)這是因為熱膨脹系數(shù)校高的相，從校高的加工溫度冷卻時將受到張應力；對于腌性材料的增殛相，一般弄是抗壓強度大于抗拉

12、冬度，處于壓縮狀態(tài)比較有利.而對于像鈦這類離屈服強度的基體，一般卻要求避免高的殘余熱應力，因此熱戲脹系數(shù)不應相差太大.（2）化學相容性：對原生復合材料，在制造過程是熱力學平衡的,其兩相化學勢相等，比表面能效應也最小對非平衡態(tài)復合材料，化學相容性要嚴重得多.1）相反應的自由ttAF：土2）化學勢U：相近3）表面能T：憊4）晶界擴散系數(shù)1）: # #15.3.2復合材料的界面理論粘結（或稱粘合、來Uh粘接）是指不同科類的兩種材料相互接觸并皓合在一起的一種現(xiàn)象.當基體沒潤增強材料后，緊接著便發(fā)生基體與增強材料的粘姑（Bonding）.界面潤濕理論界面潤混理論是基于液態(tài)樹脂對殲堆表面的浸潤親和，即揚理

13、和化學吸附作用沒潤不良會在界面上產(chǎn)生空隙,導致并面缺陷和應力集中，使晁面強度卞降.英好的或丸全沒那空島面強廢大大甚至優(yōu)于基體本身的內(nèi)聚強度.在制備聚合物基復合材料時，_般是把聚合物（液態(tài)樹脂）均勻地澆漬或涂劇在堆強材料上樹脂對增冬材料的沒潤性是指樹脂能否均勻地分布在增冬材科的禺圍,這是樹脂與增愛材料能否形成良好粘結的重耍前提.在制備金屬基復合材料時，液態(tài)金屬對增冬材料的浸潤性,則直接形響到界面粘結強度.凌潤性是表示液體在固體表面上鋪展的程度. # #好的浸潤性意味舟液體（基體）將在增冬材料上鋪展開來，并擔蓋整個堆張材料表面.假如基體的粘度不是太高，沒潤后導致體系自由能降低的話，就會發(fā)生基體對增

14、毬材料的浸潤.一滴液體滴落在一固體表面時，原來固氣接觸界面將被液固界面和液氣界面所代替，用丫“、YssYsi.分別代表液氣、固氣和固液的比表面能或稱表面張力（即單位面積的能量）.按照熱力學條件，只有體系自由能減少時,液體才能鋪展開來,即忽+%G0時，才能發(fā)生浸潤。不完全浸潤的情況如下圖所示，根據(jù)力平衡,可得：ysgysl+ylgCoso式中e稱為接觸角.0=COSl(ySG-ySL)/yLG # #由e可知沒潤的程度.6()咄液體完全浸潤固體;e-180。時，不浸潤:0690。時常認為不發(fā)生液體浸潤。對于一個站定的體系,接畑角隨著溫度、保持時間、吸附氣體等而變化浸潤性僅僅表示了液體與固體發(fā)生接

15、觸時的惰況，而并不能表示界面的粘結性能.一種體系的兩個組元可能有極好的沒潤性，但它們之間的鯊合可能很弱,如范德華物理鍵合形式.因此良好的汲潤性.只是兩個組元間可達到良好粘結的必要條件，并非充分條件. # #(2)機械作用理論：當兩個表面相互接觸后，由于表面粗粒不平將發(fā)生機械互傾interlocking). #根據(jù)力的合成：rLcose=rs-ySL粘合功可表示為：wa=Ys+Yi-Ysi=rL(i+cose)粘合功大時：coSe=i,ppe=o,液體完全平鋪在固體表面.同時：Y=TsiYs=Yl潤混是組分良好粘結的必要條件，并非充分條件.盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中有相當多的孔穴，粘

16、稠的液體是無法流入的.無法流入液體的孔不僅造成界面脫粘的缺陷，而且也形成了應力集中點. 靜電理論：當復合材料不同組分表面帶有異性電荷時，將發(fā)生軫電吸引僅在原子尺度量級內(nèi)靜電作用力才有效化學健理論：在復合材料組分之間發(fā)生化學作用(chemicalbonding),在界面上形成共價鍵結合.在理論上可荻得最強的界面粘結能(210-220J/mol).界面反應或界面擴散理論在復合材料組分之間發(fā)生原子或分于間的擴散或反應，從而形成反應結合或擴散結合界面粘結機理示意圖聚合物的反應粘結(wictionbonding) # #1533界面殘余應力及其表征(1)界面殘余應力復合材料成型后，由于基體的固化或凝圉發(fā)

17、生體積收縮或膨脹(通常為收縮)，而增強體則體積相對穂定使界面產(chǎn)生內(nèi)應力，同時又因堆強體與基體之間存在熱膨脹系數(shù)的圣異，在不同環(huán)境溫度下界面產(chǎn)生熱應力.這兩種應力的加和總稱為界面殘余應力.界面殘余應力可以通過對復合材料進行熱處理，使界面松尅而降低，但受界面姑合在度的控制，在界面結合很注的惜況下效果不明顯界面殘余應力的存在對復合材料的力學性能有彩響，其利弊與加栽方向和復合材料殘余應力的狀態(tài)有關.巳經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于復合材料界面存在殘余應力使之拉伸與壓縮性能有明顯差異. # (2)尿面殘余應力的測走主要方法X射線衍射法和中子衍射法.中于的穿遶能力校X射線礙，可用來測走界面內(nèi)應力；其姑果是很大區(qū)城的應力平均

18、值.X射線衍射法只能測定樣品表面的殘余應力.目甫，應用最廣泛的仍是傳統(tǒng)的X射錢衍射法.15.4復合材料的增強機制和復合規(guī)律15.4.1復合材料增強機制(1)顆粒增強復合材料增強機制基體和顆粒共同承受外來栽荷；顆粒起著阻礙基體位錯運動的作用，從而降低了位錯的移動性.另外，復合材料中的裂紋的擴展在顆粒前受阻，發(fā)生應力飩化或擴展路徑發(fā)生偏轉，同樣可以消耗較多的斷裂能,提高材料的強度.顆粒增強復合材料的屈服強度可有下式表示：b_I鳳QpbVfy*邁d（/-vpC式中：j復合材料屈服強度；om基體的切變模量;b-為柏氏矢量；d-顆粒直徑；C-常數(shù)Vp-顆粒體積分數(shù);Gp-顆粒的切變模量.彌散增強復合材料

19、增強機制基體是承受外來載荷的主要相；顆粒起著阻礙基體位錯運動的作用，從而降低了錯的流動性.另外，復合材料中的裂紋的擴展在顆粒前受阻，發(fā)生應力鈍化或擴展路徑發(fā)生偏轉，同樣可以消耗校多的斷裂能，提高材料的強度. # #彌散增強復合材料的屈服強度可由下式表示:式中：J-復合材料屈服強度；G,-基體的切變模量;b-為柏氏矢量；d-顆粒直徑；Vp-顆粒體積分數(shù)纖維（包括晶須、短纖維）復合材料增強機制基體逋過界面將栽荷有效地傳遞到增強相（晶須、纖維等），不是主承力相.纖維承受由基體傳遞來的有效載荷，主承力相.受力分析如下：假定：纖維、基體理想結合，且松泊比相同；在外力作用下，由于組分模量的不同產(chǎn)生了不同形

20、變（位移），在基體上產(chǎn)生了剪切應變，通過界面將外力傳遞到纖維上。 # 短纖維增強復合材料的拉伸強度可由下式表示：b；=bfF（l-專U/+q：（l_vJ式中：與殲維的屈服應變同時發(fā)生的基體應力；Sf纖維的平均拉伸應力；Vf-殲維的體積分數(shù)；I殲維的長度；lc-最大拉應力等于殲維斷裂役度時纖維的袋度,殲維的臨界長度.分析上式可得：/f愈大，復合材料的拉伸強度愈大.當/r-l()0t,增強效果可達連續(xù)纖維的95%.引入殲維直徑，裂紋擴展時界面剝離的機理裂紋向界面接近主裂紋尖端的界面剝離主裂紋與剝離界面的合體(l/d)c為纖維臨界長徑比，當(l/d10時，復合材料可獲得理想的增強效果。 # #裂紋擴

21、展a.無界面剝離與滑動b界面滑動C.界面剝離15.4.2復合材料的復合法則一混合定律.混合定律(不考慮界面效應時)當復合材料滿足以下條件：(連續(xù)纖堆增冬)復合材料宏觀上是均廈的，不存在內(nèi)應力；各蛆分材料是均質(zhì)的各向同性及錢彈性材料；各組分之間粘結牢策，無空隙，不產(chǎn)生相對滑移.復合材料力學性能同組分之間的關系=Xmvm+xfvfAxc=xfvf+Xra(i.vf)式中：X：材料的性能，如強度、彈性模童、密度等;V：材料的體積百分比；下腳標C.OKf分別代表復合材料、基體和纖雄. # 連續(xù)纖維單向增強復合材料彈性模量、抗張強度、泊松比、剪切強度等性能均符合混合定律.如果考慮界面效應，通常是在纖維的

22、形響因子前面來以一個系數(shù)在平行于纖維長度方向的強度計算，主要考慮基體的強度和纖維與基體的結合強度短殲維增強復合材料短纖維復合材料的強度與纖維長度的關系示意圖,0_一09Oft/.W斡左AM04C20f一610IS4S15.5聚合物基復合材料的界面及改性方法15.5.1改善聚合物基復合材料的原則：1、改善基體對增強材料的浸潤程度；熱塑性基：癟體與增強材料之間的接觸和潤濕；復合材料體系冷卻凝固成型.問題：熔體粘度高，很難通過殲維束中的單根纖維之間的狹小縫隙而滲透到所用的單根纖維的表面.改善：延長浸漬時間，加大壓力，降低熔體粘度，改善增強材料織物結構等熱固性基復合材料：基體樹脂粘度低，又可溶于溶劑中

23、，有利于相互浸潤，常用的改善工藝：預先形成預浸料.浸潤要求：基體對增強材料充分沒潤，使界面不出現(xiàn)空隙和缺陷，如界面不完整會導致界面應力集中及傳遞栽荷能力降低，彩響復合材料的力學性能.2、適度的界面粘結界面粘結方式：物理機械結合，通過等離子刻蝕或化學腐蝕，使增強體表面凹凸不平，基體擴散嵌入凹坑，縫隙，微孔中,起錨固作用。 # #化學結合，即基體與增強體之間形成化學鍵，方法：設法使增強體表面帶有極性基團，使之與基體間形成化學鍵或其它作用力（如氫鍵）界面的粘結，形響了應力傳遞效果，并形響了材料的性能.如果界面粘結太弱，復合材料在應力作用下，容易發(fā)生界面的脫粘破壞，纖維不能很好的發(fā)揮增強作用.纖維增強

24、體的表面處理后，可以提高材料的層間的剪切強度，改善拉伸強度和模量，但會導致材料的沖擊韌性下降.沖擊能量的耗散通過以下方式：界面脫粘；纖維的撥出；增強體與基體之間的磨察；界面的可塑性形變。如果界面粘結太強，在應力作用下，材料破壞過程中正增長的裂紋容易擴散到界面，直接沖擊材料而發(fā)生腌性斷裂.如果界面的粘結強度適當，使增強材料的裂紋沿著界面擴展，形成了曲折的路徑，耗散較多的能量，則可提離韌性.結論：不能因為了提高材料的拉伸、抗彎曲強度而片面的提高界面的粘結強度，因從綜合的性能出發(fā)，設計適度的界面粘結. # 減少成型時形成的殘余應力.形成原因：兩相的熱導率，熱膨脹系數(shù)，彈性模童,泊松比等差異，造成成型

25、時界面處形成了熱應力，成型時如果得不到松弛，成為界面殘留應力.界面處的殘余應力：使傳遞應力能力下降，性能下改善：如果兩相引入可產(chǎn)生形變的界面層，界面層在應力的作用下可吸收導致微小裂紋增長的能量，抑制裂縫沿著尖端擴展，可形變界面層能有效地松弛界面殘余應力.4、調(diào)節(jié)界面內(nèi)應力.減緩應力集中.復合材料受力時，產(chǎn)生的應力在材料中分布是不均勻的，界面某些較強的部位常聚集比平均應力高得多的應力.界面不完整性和缺陷也會引起界面處的應力集中。應力集中的結果：首先會引起集中點的破壞，形成新裂紋，并引起新的應力集中，使界面?zhèn)鬟f應力的能力下降改善：引入柔性的界面層，可使集中于界面處的應力得到分散，使應力均勻地傳遞.

26、15.5.2幾種聚合物基復合材料的形成和改善界面途徑K原位復合界面加入兩性相容劑（增容劑）如在液晶/PA基體，加入相容劑，與兩相分別構成接枝共聚物，并成為相間界面.相容劑的作用：降了界面張力，優(yōu)化了界面的粘結性能，改善了應力的傳遞.2、剛性粒子增韌聚合物需聚合物對剛性粒子有良好的浸潤性，有利于提高剛性粒子在熔體中的分散速度和分散能量；要具備適應的界面粘附強度，界面層有一定的厚度和形變能力，當受到外力作用時，界面層自身可以形變和誘導基體產(chǎn)生形變，以耗散有效斷裂能.例如：改善PP/離嶺土復合體系加入柔性分子鏈改性劑，沖擊強度提高很大.例如：硬性粒子增韌環(huán)氧樹脂時，加入二乙烯基苯交聯(lián)劑，機理：先發(fā)生塑性形變，而后脫粘 # #玻璃纖維增強復合材料的界面該復合材料中起承擔載荷作用的主要是殲維，為發(fā)揮作用，界面改善.A:纖維表面的偶聯(lián)劑改性處理目前玻璃纖維是復合材料中用量最大的增強體，界面改溥一般采用硅烷偶聯(lián)劑，偶聯(lián)的機理為：R-（CHJiSiX3R有機官能團，根據(jù)基體而確定.R有機官能團，根據(jù)基體而確定.n=（）-3X可水解的基團，-gOlOCHj-ORKCHj,B：在纖維表面涂覆界面層.4、增強體的表面改性處理原因：增強體的表面由于界面能低，呈