復(fù)合材料界面培訓(xùn)課件

第四篇復(fù)合材料界面材料科學(xué)與工程學(xué)院杜江華第一頁，共三十三頁。本章教學(xué)目的：了解界面的基本概念、界面的形成與作用機(jī)理了解界面的破壞機(jī)理掌握纖維的表面處理方法本章重點(diǎn)難點(diǎn)：界面的形成與作用機(jī)理，界面的破壞機(jī)理，纖維的表面處理第二頁，共三十三頁。第四篇復(fù)合材料界面影響復(fù)合材料性能的因素增強(qiáng)材料的性能基體的性能復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和成型技術(shù)復(fù)合材料中纖維和基體界面的結(jié)合狀態(tài)，即界面的性能第三頁，共三十三頁。例子：1cm3玻璃塊，抽成直徑為8μm的纖維時，其總面積由原來的6cm2增加到5000cm2，約增加了800多倍。若在1cm3的復(fù)合材料中，含直徑為8μm的纖維50%時，界面可達(dá)數(shù)千平方厘米。第四頁，共三十三頁。第四篇復(fù)合材料界面復(fù)合材料界面：基體與增強(qiáng)物之間化學(xué)成分沒有顯著變化、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域（界面層厚度從幾微納米到幾微米）。

4.1界面的基本概念1、外力場2、基體3、基體表面區(qū)4、相互滲透區(qū)5、增強(qiáng)劑表面區(qū)6、增強(qiáng)劑圖4－1界面區(qū)域式意圖第五頁，共三十三頁。界面效應(yīng)

（1）傳遞效應(yīng)界面能傳遞外力，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

（2）阻斷效應(yīng)基體和增強(qiáng)相結(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

（3)不連續(xù)效應(yīng)在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的形象，如抗電性、電感應(yīng)性、磁性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等

（4）散射和吸收效應(yīng)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)械沖擊性等。

（5）誘導(dǎo)效應(yīng)一種物質(zhì)（通常是增強(qiáng)物）的表面結(jié)構(gòu)使另一種（通常是聚合物集體）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)的彈性、低的膨脹性、耐沖擊性和耐熱性等。第四篇復(fù)合材料的界面

4.1界面的基本概念第六頁，共三十三頁。第四篇復(fù)合材料的界面1）聚合物基復(fù)合材料界面1.界面的形成基體與纖維的接觸與浸潤過程：聚合物的固化階段

4.2復(fù)合材料的界面δSA：固體表面張δlA:液體表面張力γSL：固－液界面張力θ：浸潤角

0＜θ＜90°，液體完全浸潤固體90°＜θ＜180°,液體不能浸潤固體

θ=0°,液體完全浸潤固體

θ=180°,表面完全不浸潤第一階段：第二階段第七頁，共三十三頁。2、界面的作用機(jī)理

1)、浸潤吸附理論

第一階段:高聚物分子移到被粘物表面極性基團(tuán)靠近

第二階段:發(fā)生吸附作用。被粘體與粘接分子間距小于0.5nm時，范華力開始發(fā)生作用，形成偶極－偶極鍵、偶極－誘導(dǎo)偶極鍵、氫鍵等。該理論不能解釋為什么非極性聚合物間也有粘接力

2)、化學(xué)鍵理論

在復(fù)合材料組分之間發(fā)生化學(xué)作用，在界面上形成共價鍵結(jié)合在理論上可獲得最強(qiáng)的界面粘結(jié)能（210-220J/mol）

理論缺陷：無法解釋未使用偶聯(lián)劑或使用了偶聯(lián)劑但理論上根本不能形成化學(xué)鍵的復(fù)合體系。

第四篇復(fù)合材料的界面

4.2復(fù)合材料的界面宏觀布郎運(yùn)動微觀布郎運(yùn)動圖4－3表面結(jié)合化學(xué)鍵示意圖理論缺陷：第八頁，共三十三頁。

3)、擴(kuò)散理論主要觀點(diǎn)：高聚物之間的粘結(jié)作用與其自粘作用（同種分子間的擴(kuò)散）一樣，也是高聚物分子鏈及鏈段的相互擴(kuò)散（不同種分子）引起的，由此而產(chǎn)生強(qiáng)大的粘接力。

4)、電子靜電理論

第四篇復(fù)合材料的界面

4.2復(fù)合材料的界面當(dāng)復(fù)合材料不同組分表面帶有異性電荷時，將發(fā)生靜電吸引。僅在原子尺度量級內(nèi)靜電作用力才有效圖4-4表面靜電吸引結(jié)合示意圖第九頁，共三十三頁。

5)、機(jī)械聯(lián)接理論當(dāng)兩個表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將發(fā)生機(jī)械互鎖第四篇復(fù)合材料的界面

4.2復(fù)合材料的界面圖4-5表面機(jī)械互鎖結(jié)合示意圖6)、變形層理論

偶聯(lián)劑涂層是一種柔性層，提供具有“自愈能力”的化學(xué)鍵，在外載作用下，處于不斷形成與斷裂的動平衡狀態(tài)。起到均勻傳遞應(yīng)力的作用，從而提高機(jī)體與增強(qiáng)物的粘結(jié)作用第十頁，共三十三頁。

7)、優(yōu)先吸附理論

增強(qiáng)材料優(yōu)先吸附樹脂不同組分（如助劑），使得界面層結(jié)構(gòu)與性能具有梯度變化，從而消除應(yīng)力改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。第四篇復(fù)合材料的界面

4.2復(fù)合材料的界面第十一頁，共三十三頁。第四篇復(fù)合材料的界面2）金屬基復(fù)合材料的界面1、界面的類型

4.2復(fù)合材料的界面類型Ⅰ類型Ⅱ類型Ⅲ纖維與基體互不反應(yīng)亦不溶解纖維與基體不反應(yīng)但相互溶解纖維與基體相互反應(yīng)形成界面反層鎢絲/銅AL2O3纖維/銅AL2O3纖維/銀硼纖維（表面涂BN）/鋁不銹鋼絲/鋁SiC纖維/鋁硼纖維/鋁硼纖維/鎂鍍鉻的鎢絲/銅碳纖維/鎳鎢絲/鎳合金共晶體絲/同一合金鎢絲/銅－鈦合金碳纖維/鋁（>580℃）AL203纖維/鈦硼纖維/鈦硼纖維/Ti-ALSiC纖維/鈦SiO2纖維/鈦表4－1金屬基纖維復(fù)合材料界面的類型第十二頁，共三十三頁。

2）金屬基復(fù)合材料的界面第四篇復(fù)合材料的界面

4.2復(fù)合材料的界面1、界面的類型（1）物理結(jié)合借助材料表面的粗糙形態(tài)而產(chǎn)生的機(jī)械鉸合，以及借助基體收縮應(yīng)包緊纖維時產(chǎn)生的摩擦結(jié)合。

（2）溶解和浸潤結(jié)合與表中的Ⅱ類界面對應(yīng)。纖維與基體的相互作用力是極短的，只有若干原子間距。

（3）反應(yīng)結(jié)合與表中Ⅲ類界面對應(yīng)。其特征是在纖維與基體之間形成新的化合物層，即界面反應(yīng)層第十三頁，共三十三頁。第四篇復(fù)合材料的界面

2）金屬基復(fù)合材料的界面2、影響界面穩(wěn)定的因素

物理方面：高溫條件下增強(qiáng)纖維與基體之間的熔融

化學(xué)方面：復(fù)合材料在加工過程中發(fā)生的界面化學(xué)作用有關(guān)。包括連續(xù)界面反應(yīng)、交換式界面反應(yīng)和暫穩(wěn)定界面變化等幾種現(xiàn)象

界面結(jié)合狀態(tài)：對金屬基復(fù)合材料沿纖維方向的抗張強(qiáng)度有很大影響，對剪切強(qiáng)度、疲勞性能也有不同程度的影響。

表4-2

碳纖維增強(qiáng)鋁的抗張強(qiáng)度和斷口形貌

4.2復(fù)合材料的界面界面結(jié)合狀態(tài)抗張強(qiáng)度，MPa斷口形貌結(jié)合不206纖維大量拔出，長度很長，呈涮子狀結(jié)合適中612有的纖維拔出，有一長度，鋁基體發(fā)生長縮頸，可觀察到劈裂狀結(jié)合稍強(qiáng)470出現(xiàn)不規(guī)則斷面，可觀察到很短的纖維拔出結(jié)合過強(qiáng)224典型的脆性斷裂，平斷口第十四頁，共三十三頁。

2）金屬基復(fù)合材料的界面3、殘余應(yīng)力

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（通常為收縮），而增強(qiáng)體則體積相對穩(wěn)定使界面產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同時又因增強(qiáng)體與基體之間存在熱膨脹系數(shù)的差異，在不同環(huán)境溫度下界面產(chǎn)生熱應(yīng)力。這兩種應(yīng)力的加和總稱為界面殘余應(yīng)力。前一種情況下，如果基體發(fā)生收縮，則復(fù)合材料基體受拉應(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，熱應(yīng)力向反方向變化

基體與增強(qiáng)材料的物理相容性

金屬基體足夠的韌性合強(qiáng)度、局部應(yīng)力不應(yīng)在增強(qiáng)纖維上形成高應(yīng)力

基體與纖維的熱膨脹系數(shù)的匹配第四篇復(fù)合材料的界面

4.2復(fù)合材料的界面第十五頁，共三十三頁。第十六頁，共三十三頁。2）陶瓷基復(fù)合材料的界面

界面層狀態(tài)：空心圓筒狀，厚度可以控制

第一臨界層厚度：反應(yīng)達(dá)到某一厚度時，復(fù)合材料抗張強(qiáng)度開始降低的厚度

第二臨界層厚度：反應(yīng)厚度繼續(xù)增大，材料強(qiáng)度亦隨之降低，直至某一強(qiáng)度時，不在降低的界面厚度

影響界面的主要因素：成型工藝

第四篇復(fù)合材料的界面

4.2復(fù)合材料的界面第十七頁，共三十三頁。4.3界面破環(huán)機(jī)理1、微裂紋破壞機(jī)理第十八頁，共三十三頁。在復(fù)合材料中，受外力作用時，基體中會產(chǎn)生微裂紋，并由基體逐漸擴(kuò)展到纖維表面，使纖維脫粘（或拔出），甚至斷裂。界面存在物理鍵（即范德華力）和化學(xué)鍵。其中化學(xué)鍵是主要的，界面破壞時，二種鍵均受到破壞。弱界面：韌性破壞（纖維脫粘或拔出）強(qiáng)界面：脆性破壞（纖維斷裂）第十九頁，共三十三頁。2、水對復(fù)合材料及界面的破環(huán)作用水的浸入、水對玻璃纖維的腐蝕作用、水對樹脂的降解作用、水溶脹樹脂導(dǎo)致界面破環(huán)、水促使裂紋擴(kuò)展現(xiàn)有解釋界面破壞的三大理論：微裂紋理論、界面破環(huán)理論、化學(xué)結(jié)構(gòu)破環(huán)理論第二十頁，共三十三頁。水的浸入（通過擴(kuò)散作用進(jìn)入界面）水對玻纖的腐蝕水溶解玻纖表面堿金屬氧化物，溶液呈堿性，并加劇玻纖表面腐蝕破壞，最后導(dǎo)致玻纖SiO2骨架破壞，玻纖強(qiáng)度降低，復(fù)合材料性能下降。從樹脂宏觀裂紋進(jìn)入（有化學(xué)應(yīng)力和熱應(yīng)力產(chǎn)生裂紋）；樹脂內(nèi)存在的雜質(zhì)（水溶性雜質(zhì)）；復(fù)合材料成型中在材料內(nèi)部產(chǎn)生的氣泡第二十一頁，共三十三頁。水對樹脂的降解物理效應(yīng)（可逆）：破壞樹脂內(nèi)氫鍵或其他次價鍵，使樹脂增塑，熱機(jī)械性能下降；化學(xué)效應(yīng)（不可逆）：與樹脂內(nèi)化學(xué)鍵發(fā)生化學(xué)作用，樹脂降解水溶脹樹脂導(dǎo)致界面破壞樹脂溶脹，在界面上產(chǎn)生剪應(yīng)力。當(dāng)剪應(yīng)力大于界面粘接力時，界面破壞。第二十二頁，共三十三頁。水進(jìn)入孔隙產(chǎn)生滲透壓導(dǎo)致界面破壞水進(jìn)入孔隙，溶解雜質(zhì)，濃度增加，滲透壓增加，一定溫度、時間時，滲透壓大于粘接力，導(dǎo)致界面破壞水促使破壞裂紋的擴(kuò)展水降低了纖維的內(nèi)聚能，脆化纖維；水的表面腐蝕作用，使纖維表面形成了新的缺陷；凝集在裂紋尖端的水能產(chǎn)生很大的毛細(xì)壓力第二十三頁，共三十三頁。復(fù)合材料界面的研究表面浸潤性的測定1.接觸角的測定：①單絲浸潤法；②單絲接觸角測定法；③傾瀉法；④測單絲浸潤力法；⑤動態(tài)毛吸法2.動態(tài)浸潤速率的測定3.樹脂固化體系臨界表面張力的測定顯微鏡觀察法（形貌）紅外光譜法及拉曼光譜法（成分、結(jié)構(gòu)）界面力（強(qiáng)度）的測定方法第二十四頁，共三十三頁。第4章聚合物基復(fù)合材料的界面4.4纖維的表面處理增強(qiáng)材料的表面特性表面物理特性（表面微結(jié)構(gòu)、比表面積、形態(tài)結(jié)構(gòu)）表面化學(xué)特性（表面化學(xué)組成、官能團(tuán)、反應(yīng)性）表面吉布斯自由能（表面張力）增強(qiáng)材料表面處理目的是增加增強(qiáng)材料與基體材料界面粘接強(qiáng)度。主要是通過改變增強(qiáng)材料的表面特性，具體為：①增加增強(qiáng)材料的比表面積（m2/g）②增強(qiáng)纖維與基體的反應(yīng)活性③提高纖維表面張力（大于樹脂表面張力，有利于浸潤）第二十五頁，共三十三頁。1）玻璃纖維表面的處理第四篇復(fù)合材料的界面

4.4復(fù)合材料的界面處理有機(jī)硅烷類偶聯(lián)劑有機(jī)酸氯化鉻絡(luò)合物偶聯(lián)劑偶聯(lián)劑的作用(functionsofcouplingagent)：

①在兩相界面形成化學(xué)鍵，大幅度提高界面粘接強(qiáng)度②改善了界面對應(yīng)力的傳遞效果③提供了一個可塑界面層，可部分消除界面殘余應(yīng)力④提供了一個防水層，保護(hù)了界面，阻止了脫粘和腐蝕的發(fā)生偶聯(lián)劑對不同復(fù)合體系具有較強(qiáng)的選擇性第二十六頁，共三十三頁。1）玻璃纖維表面的處理第四篇復(fù)合材料的界面

4.4復(fù)合材料的界面處理偶聯(lián)劑的功能：（a）有機(jī)硅烷水解形成硅醇；（b）硅醇的羥基與玻璃表面之間的氫鍵合；（c）結(jié)在玻璃表面的聚硅氧烷；（d）與聚合物反應(yīng)的官能R基團(tuán)第二十七頁，共三十三頁。

2）碳纖維表面的處理第四篇復(fù)合材料的界面

4.3復(fù)合材料的界面處理

碳纖維處理

氧化處理①

氧等離子氣體的干法氧化②

化學(xué)或電解進(jìn)行的濕法氧化

非氧化處理①

表面沉積無是型碳②化學(xué)氣相沉積（CVD）法加涂碳化硅、碳化硼、碳化鉻等③

等離子體氣體聚合及共聚涂層改性④

高效晶須化

碳纖維氧化處理后：①能改善碳纖維表面與基體的浸潤性、相容性②能在表面形成許多活性官能團(tuán)，這些官能團(tuán)能與樹脂基體形成化學(xué)鍵合非氧化處理，主要用于C/C復(fù)合、CMC、MMC復(fù)合體系第二十八頁，共三十三頁。碳纖維表面官能團(tuán)與樹脂之間相互作用示意圖

第四篇復(fù)合材料的界面

4.3復(fù)合材料的界面處理2）碳纖維表面的處理第二十九頁，共三十三頁。第四篇復(fù)合材料的界面

4.4復(fù)合材料的界面處理3）有機(jī)纖維表面的處理

kevlar纖維各向異性和“皮-芯”結(jié)構(gòu)特征，使對其進(jìn)行表面處理的效果不明顯。即使能有效改善界面的浸潤和粘接強(qiáng)度，但其復(fù)合材料的宏觀破壞強(qiáng)度難有大幅度提高，除非改善纖維