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1、4.复合材料的界面复合材料的界面 及界面优化及界面优化Chapter4.Interfaceofcompositematerialsandoptimizationoftheirinterface为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能一、复合材料的概念一、复合材料的概念n复合材料是由两种或两复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而结构不同的材料组合而成的材料。成的材料。复复合合材材料料船船体体概述概述为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发
2、挥中小学图书室育人功能二、复合材料的分类二、复合材料的分类1、按基体材料分、按基体材料分(1)非金属基复合材料非金属基复合材料(2)金属基复合材料。金属基复合材料。2、按增强材料分、按增强材料分(1)纤维增强复合材料纤维增强复合材料(2)粒子增强复合材料粒子增强复合材料(3)叠层复合材料。叠层复合材料。SiC颗粒颗粒Al2O3片片Al2O3纤维纤维增增强强相相三三种种类类型型为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能三、复合材料的命名三、复合材料的命名（1 1）以基体为主来命名）以基体为主来命名 例如金属基复合材料。例如金属基
3、复合材料。（2 2）以增强材料来命名）以增强材料来命名 如碳纤维增强复合材料。如碳纤维增强复合材料。（3 3）基体与增强相并用）基体与增强相并用 如如“C/Al“C/Al复合材料复合材料”即即为碳纤维增强铝基复合材料。为碳纤维增强铝基复合材料。（4 4）商业名称命名）商业名称命名 如如“玻璃钢玻璃钢”即为玻璃纤维即为玻璃纤维增强树脂基复合材料。增强树脂基复合材料。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 复合材料的增强机制及性能复合材料的增强机制及性能1.纤维增强复合材料的增强机制纤维增强复合材料的增强机制l在纤维增强复合材
4、料中，纤维是材料主要在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要承载组分，其增强效果主要取决于纤维的承载组分，其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。体积分数、尺寸和分布。l在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要承载组分，其增强效果主要取决于纤维的承载组分，其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。体积分数、尺寸和分布。碳碳纤纤维维为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,
5、充分发挥中小学图书室育人功能n弹性模量及强度弹性模量及强度n外力方向与纤维轴向相同时，外力方向与纤维轴向相同时，c=f=m(f-纤维、纤维、m-基体、基体、c-复合材料复合材料)，则，则当外力垂直于纤维轴向时，则当外力垂直于纤维轴向时，则纤维的临界长径比纤维的临界长径比纤维最小体积分数纤维最小体积分数为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.2.粒子增强型复合材料的增强机制粒子增强型复合材料的增强机制n粒子增强型复合材料按照颗粒尺寸大小和数量多少可分为：粒子增强型复合材料按照颗粒尺寸大小和数量多少可分为：弥散强化的复合材料
6、；颗粒增强的复合材料。弥散强化的复合材料；颗粒增强的复合材料。（1 1）弥散强化的复合材料的增强机制）弥散强化的复合材料的增强机制n将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动的位错运动(金属基体金属基体)和分子链运动和分子链运动(聚合物基体聚合物基体)。（2 2）颗粒增强的复合材料的增强机制）颗粒增强的复合材料的增强机制n用金属或高分子聚合物为粘结剂，把具有耐热性好、硬度用金属或高分子聚合物为粘结剂，把具有耐热性好、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起而行成的
7、材料。而行成的材料。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能二、复合材料的性能特点二、复合材料的性能特点n1、比强度和比模量高。其中纤维、比强度和比模量高。其中纤维增强复合材料的最高。增强复合材料的最高。n2、良好的抗疲劳性能。碳纤维增、良好的抗疲劳性能。碳纤维增强材料强材料-1可达可达 b的的7080%。因纤。因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。n3、破断安全性好、破断安全性好 n4、优良的高温性能。、优良的高温性能。n5、减震性好。复合材料中的大量、减震性好。复合材料中的大量界面对振动有反射吸收作
8、用，不易界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。产生共振。比比强强度度比比较较碳碳纤纤维维 树树脂脂硼硼纤纤维维 树树脂脂玻玻璃璃纤纤维维 树树脂脂钛钛钢钢 铝铝为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 常用的复合材料常用的复合材料一、纤维增强复合材料一、纤维增强复合材料1.常用增强纤维常用增强纤维(1)(1)玻璃纤维：玻璃纤维：用量最大、价格最便宜。用量最大、价格最便宜。(2)(2)碳纤维：碳纤维：化学性能与碳相似。化学性能与碳相似。(3)(3)硼纤维：硼纤维：耐高温、强度、弹性模高。耐高温、强度、弹性模高。(4)(4)碳
9、化硅纤维：碳化硅纤维：高熔点、高硬度。高熔点、高硬度。(5)Kevlar有机纤维：有机纤维：用于高温、高强用于高温、高强复合材料。复合材料。玻璃纤玻璃纤维维碳纤维碳纤维SiC纤维纤维为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n2、纤维、纤维树脂复合材料树脂复合材料n通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。n这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高，这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高，比强度也高得多。比强度也高得多。材料种类材料种类纵向抗拉强度纵向抗拉
10、强度MPa纵向弹性模量纵向弹性模量GPa环氧树脂环氧树脂696.9环氧树脂环氧树脂/E级玻璃纤维级玻璃纤维102045环氧树脂环氧树脂/碳纤维（高弹性）碳纤维（高弹性）1240145环氧树脂环氧树脂/芳纶纤维（芳纶纤维（49）138076环氧树脂环氧树脂/硼纤维硼纤维（70%Vf）1400-2100210-280为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能聚合物基纤维增强复合材料零件聚合物基纤维增强复合材料零件芳纶刹车片芳纶刹车片碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空发动机高温构件发动机高温构件为深入学
11、习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.纤维纤维-金属金属(或合金或合金)复合材料复合材料n金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（MMCMMC）可以使用在较高温的工作环境之下。）可以使用在较高温的工作环境之下。n常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。l作为增强体的连续纤作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、维主要有硼纤维、SiC和和C纤维；纤维；Al2O3纤维纤维通常以短纤维的形式通常以短纤维的形式用于用于MMC中。中。MM
12、CMMC的的的的SEMSEM照片照片照片照片为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能nMMCMMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了MMCMMC的应用范围。的应用范围。航天飞机内航天飞机内MMC(Al/B纤维纤维)桁架桁架为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.纤维纤维-陶瓷复合材料陶瓷复合材料n陶瓷材料耐热、耐
13、磨、耐蚀、陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化，但韧性低、难加工。抗氧化，但韧性低、难加工。在陶瓷材料中加入纤维增强，在陶瓷材料中加入纤维增强，能大幅度提高强度，改善韧能大幅度提高强度，改善韧性，并提高使用温度。性，并提高使用温度。n陶瓷中增韧纤维受外力作用，陶瓷中增韧纤维受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越因拔出而消耗能量，耗能越多材料韧性越好。多材料韧性越好。C/C复合材料复合材料Si/SiSi/Si复合材料复合材料复合材料复合材料为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹用晶须
14、作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，晶须采用。现在发现，晶须(如如SiC SiC 和和SiSi3 3N N4 4)能起到陶瓷材能起到陶瓷材料增韧的作用。料增韧的作用。ZnO晶须晶须自增韧自增韧Si3N4陶瓷陶瓷为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能二、叠层复合材料二、叠层复合材料n叠层复合材料是指在基叠层复合材料是指在基体中含有多重层片状高体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合强高模量增强物的复合材料。材料。层
15、状陶瓷复合材料断口形貌层状陶瓷复合材料断口形貌三明治复合三明治复合为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n双金属、表面涂层等也是层状复合材料。双金属、表面涂层等也是层状复合材料。n结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。及包装等。有有TiN涂层的涂层的高尔夫球头高尔夫球头层层状状复复合合铝铝合合金金蜂蜂窝窝夹夹层层板板为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能三、粒子增强型复合材料三、粒子增
16、强型复合材料n聚合物基粒子复合材料如酚醛树聚合物基粒子复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料子改性热塑性塑料的钙塑材料(合成木材合成木材)等。等。n陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。韧陶瓷等。粒子增强粒子增强SiC陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料碳黑增强橡胶碳黑增强橡胶为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能n金属基粒子复合材料又称金金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、属陶瓷，是
17、由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非氧化物、硼化物等组成的非均质材料。均质材料。n碳化物金属陶瓷作为工具材碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常以合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，作为粘结剂，WC、TiC等等作为强化相。作为强化相。硬质合金组织硬质合金组织(Co+WC)硬质合金铣刀硬质合金铣刀硬质合金铣刀硬质合金铣刀为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 复合材料的界面复合材料的界面是指是指基体与增强物之间基体
18、与增强物之间化学成分化学成分有显著变化的、有显著变化的、构成构成彼此结合的、能起彼此结合的、能起载荷传递作用载荷传递作用的微小的微小区域区域。复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域，约复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域，约几个纳米到几个微米。此区域的结构与性质都不同于几个纳米到几个微米。此区域的结构与性质都不同于两相中的任何一相。这一界面区由五个亚层组成，每两相中的任何一相。这一界面区由五个亚层组成，每一亚层的性能都与基体和增强相的性质、复合材料成一亚层的性能都与基体和增强相的性质、复合材料成型方法有关。型方法有关。4.1 复合材料的界面复合材料的界面为深入学习习近平新时代中国特色社会主义
19、思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1 1、外力场、外力场2 2、基体、基体3 3、基体表面区、基体表面区4 4、相互渗透区、相互渗透区 5 5、增强剂表面区、增强剂表面区 6 6、增强剂、增强剂 复合材料的界面示意图复合材料的界面示意图为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能界面通常界面通常界面通常界面通常包含以下几个部分：包含以下几个部分：基体和增强物的部分基体和增强物的部分原始接触面原始接触面原始接触面原始接触面；基体与增强物相互作用基体与增强物相互作用生成的反应产物生成的反应产物生
20、成的反应产物生成的反应产物，此，此产产产产物与基体及增强物物与基体及增强物物与基体及增强物物与基体及增强物的接触面；的接触面；为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能界面特点界面特点性能和结构上不同于基体和增强材料性能和结构上不同于基体和增强材料具有一定的厚度具有一定的厚度连接基体与增强体材料连接基体与增强体材料能够传递载荷能够传递载荷为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能(1)传递效应：传递效应：传递效应：传递效应：界面能传递力，即界面能传递力，即将外
21、力传递给增强物将外力传递给增强物将外力传递给增强物将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。起到基体和增强物之间的桥梁作用。(2)阻断效应：阻断效应：阻断效应：阻断效应：结合适当的界面有结合适当的界面有阻止裂纹扩展阻止裂纹扩展阻止裂纹扩展阻止裂纹扩展、中断材中断材中断材中断材料破坏料破坏料破坏料破坏、减缓应力集中减缓应力集中减缓应力集中减缓应力集中的作用。的作用。4.2 界面的效应（界面的效应（1）界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种效应：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能阻止裂纹的扩展阻止裂纹
22、的扩展为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.2 界面的效应（界面的效应（2）(3)不连续效应：不连续效应：在界面上产生在界面上产生物理性能的不物理性能的不连续性连续性和和界面摩擦出现界面摩擦出现的现象，如抗电性、的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能不连续效应不连续效应电阻R1电阻R1电阻R2为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻
23、全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.2 界面的效应（界面的效应（3）(4)(4)散射和吸收效应：散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面冲击波等在界面产生散射和吸收产生散射和吸收，如透光，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。冲击性等。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能散射和吸收效应散射和吸收效应为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.2 界面的效应
24、（界面的效应（4）(5)(5)诱导效应：诱导效应：一种一种物质物质(通常是增强物通常是增强物)的表的表面结构面结构使另一种与之接触的物质使另一种与之接触的物质(通常是聚通常是聚合物基体合物基体)的结构的结构由于诱导作用而发生改变由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。胀性、耐冲击性和耐热性等。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能诱导效应诱导效应ROM HOHOHOHM HOOHSiRSiH2ORM HOOHSi无机表面聚合物表面为深入学习习
25、近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 界面效应是任何一种单一材料所没有的界面效应是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合材料具有重要的作用。界面特性，它对复合材料具有重要的作用。界面效应既与界面结合状态、形态和物理效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性化学性质有关，也与复合材料各组分的浸润性、相质有关，也与复合材料各组分的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。容性、扩散性等密切相关。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 界面结合较差界面结合较差，增强体不能发挥作
26、用；，增强体不能发挥作用；界面结合过强界面结合过强，材料破坏过程的裂纹容易扩展到界面，直接冲击增强体则材料破坏过程的裂纹容易扩展到界面，直接冲击增强体则呈脆性断裂。呈脆性断裂。最佳状态的界面，最佳状态的界面，裂纹沿界面扩展形成曲折的路径耗裂纹沿界面扩展形成曲折的路径耗散较多的能量，即这时的复合材料具有最大断裂能和一定散较多的能量，即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。的韧性。研究和设计界面时，不应只追求界面结合强度而应考研究和设计界面时，不应只追求界面结合强度而应考虑到复合材料综合力学性能。虑到复合材料综合力学性能。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育
27、大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能不同界面结合强度断裂纤维周围基体形态模型不同界面结合强度断裂纤维周围基体形态模型 a.弱界面结合状况弱界面结合状况 b.界面结合适中状况界面结合适中状况 c.界面结合过强状况界面结合过强状况为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能界面剪切强度太低：界面剪切强度太低：n表明界面结合过弱。在拉伸时纤维与基体脱粘、滑移，表明界面结合过弱。在拉伸时纤维与基体脱粘、滑移，纤维断裂点周围基体的形态呈空管状，而且界面上没纤维断裂点周围基体的形态呈空管状，而且界面上没有任何曾经有过强烈相互作用的迹象。在
28、这种状况下，有任何曾经有过强烈相互作用的迹象。在这种状况下，纤维高强度和高模量的优势得不到充分发挥，复合材纤维高强度和高模量的优势得不到充分发挥，复合材料得不到有效增强。料得不到有效增强。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能界面剪切强度过高：界面剪切强度过高：n纤维断裂，应力集中到断口周围基体上；纤维断裂，应力集中到断口周围基体上；n界面结合强度大于基体强度，应力不能松弛，裂缝沿着界面结合强度大于基体强度，应力不能松弛，裂缝沿着垂直于纤维方向向基体内部发展。垂直于纤维方向向基体内部发展。n界面结合过强时复合材料呈脆性断裂
29、。界面结合过强时复合材料呈脆性断裂。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能界面剪切强度适中：界面剪切强度适中：n应力分布的区域化，没有在某点处因应力集中而造成破坏应力分布的区域化，没有在某点处因应力集中而造成破坏并产生裂缝。因为纤维断裂时，相邻界面处可以适当脱粘并产生裂缝。因为纤维断裂时，相邻界面处可以适当脱粘或滑移很小的一部分，分散了集中于断口处的应力点。保或滑移很小的一部分，分散了集中于断口处的应力点。保护了基体不在纤维断口处产生破坏和裂缝，而且能够通过护了基体不在纤维断口处产生破坏和裂缝，而且能够通过很微小的脱粘和滑
30、移吸收一定的能量，从而提高了材料整很微小的脱粘和滑移吸收一定的能量，从而提高了材料整体的力学性能。体的力学性能。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 许多因素影响着界面结合强度，如许多因素影响着界面结合强度，如表面几何形状表面几何形状、分布状况分布状况、纹理结构纹理结构、表面杂质表面杂质、吸附气体程度吸附气体程度、吸吸水情况水情况、表面形态表面形态、在界面的溶解、扩散和化学反应在界面的溶解、扩散和化学反应、表面层的力学特性表面层的力学特性、润湿速度润湿速度等。等。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神
31、,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.3 复合材料组分的相容性复合材料组分的相容性1.1.是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。现象。2.2.由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增强剂上形成高的局部应力。应在增强剂上形成高的局部应力。3.3.基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面结合产生重要的影响，从而影响材料的各类性能。结合产生
32、重要的影响，从而影响材料的各类性能。物理相容性物理相容性：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能思考：思考：当复合材料使用条件要求基体韧性好而增强材当复合材料使用条件要求基体韧性好而增强材料是脆性材料时，该如何考虑基体材料的热膨胀系料是脆性材料时，该如何考虑基体材料的热膨胀系数？数？为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.3 复合材料组分的相容性复合材料组分的相容性n对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨
33、胀系数。这是因为热膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却时将受因为热膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却时将受到张应力；到张应力；n对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于抗拉强对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于抗拉强度，处于压缩状态比较有利。度，处于压缩状态比较有利。n对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求避免高的对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求避免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差太大。残余热应力，因此热膨胀系数不应相差太大。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.3 复合材料组分的相容性复合材
34、料组分的相容性 化学相容性是一个复杂的问题：对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两相化学势相等，比表面能效应也最小。对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。纤维和基体间的直接反应则是更重要的相容性问题。化学相容性：化学相容性：指组成材料的各组元（基体与增强体）之间有无化学反应及反应速度的快慢。包括热力学相容性和动力学相容性。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.3 复合材料组分的相容性复合材料组分的相容性对复合材料来说，对复合材料来说，以下与其化学相容性有关的问题十分重要：以下与其化学相容性有关的问题十分重要
35、：1）相反应的自由能）相反应的自由能 F：代表该反应的驱动力。设计复合：代表该反应的驱动力。设计复合材料时，应确定所选体系可能发生反应的自由能的变化。材料时，应确定所选体系可能发生反应的自由能的变化。2）化学势）化学势U：各组分的化学势不等，常会导致界面的不：各组分的化学势不等，常会导致界面的不稳定。稳定。3）表面能）表面能T：各组分的表面能很高，导致界面的不稳定。：各组分的表面能很高，导致界面的不稳定。4）晶界扩散系数）晶界扩散系数D：由晶界或表面扩散系数控制的二次：由晶界或表面扩散系数控制的二次扩散效应常使复合体系中组分相的关系发生很大变化。扩散效应常使复合体系中组分相的关系发生很大变化。
36、为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.4 界面理论界面理论(1)机械结合机械结合 基体与增强材料之间不发生化学反应，靠纤维的基体与增强材料之间不发生化学反应，靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。在钢筋与混凝土之间的界面上会产生剪应力，为此，在预在钢筋与混凝土之间的界面上会产生剪应力，为此，在预应力钢筋的表面带有螺纹状突起。应力钢筋的表面带有螺纹状突起。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 表面越粗糙，互锁作
37、用越强，机械粘结作用越有效。表面越粗糙，互锁作用越强，机械粘结作用越有效。但表面积随着粗糙度增大而增大，其中有相当多的孔穴，但表面积随着粗糙度增大而增大，其中有相当多的孔穴，粘度大的液体是无法流入的。造成界面脱粘的缺陷，而粘度大的液体是无法流入的。造成界面脱粘的缺陷，而且也形成了应力集中点，影响界面结合。且也形成了应力集中点，影响界面结合。金属基体复合材料金属基体复合材料和和陶瓷复合材料陶瓷复合材料有这类结合方式。有这类结合方式。在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很难遇到，往在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很难遇到，往往是机械粘结作用与其它粘结机理共同起作用。往是机械粘结作用与其它粘结机理共同起
38、作用。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.4 界面理论界面理论(2)溶解和润湿结合溶解和润湿结合主要是聚合物基体复合材料的结合主要是聚合物基体复合材料的结合形式。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶形式。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶解，即物理和化学吸附作用。界面是溶质原子的过渡带。解，即物理和化学吸附作用。界面是溶质原子的过渡带。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能浸润性浸润性是表示液体在固体表面上铺展的程度。是表示液体在固
39、体表面上铺展的程度。浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润将使应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润将使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触时的情况，浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触时的情况，而而并不能表示界面的粘结性能并不能表示界面的粘结性能。润湿是组分良好粘结。润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条件。的必要条件，并非充分条件。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神
40、,充分发挥中小学图书室育人功能 在制备在制备聚合物基复合材料聚合物基复合材料时，时，树脂对增强材料的浸润树脂对增强材料的浸润性性是指树脂能否均匀地分布在增强材料的周围，这是树脂是指树脂能否均匀地分布在增强材料的周围，这是树脂与增强材料能否形成良好粘结的重要前提。与增强材料能否形成良好粘结的重要前提。在制备在制备金属基复合材料金属基复合材料时，时，液态金属对增强材料的浸液态金属对增强材料的浸润性，润性，则直接影响到界面则直接影响到界面粘结强度。粘结强度。如如W/Cu、W/Ni、C/Ni、BN/ZrO2的复合体系。的复合体系。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育
41、大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 化学结合化学结合是指增强材料表面与基体表面发生化学反是指增强材料表面与基体表面发生化学反应，以化学键连接基体和增强体。从理论上可以获得较应，以化学键连接基体和增强体。从理论上可以获得较强的界面粘结。强的界面粘结。4.4 界面理论界面理论(3)为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 化学作用理论最成功的应用是化学作用理论最成功的应用是偶联剂偶联剂用于增强材料表面用于增强材料表面与聚合物基体的粘结。与聚合物基体的粘结。如硅烷偶联型具有两种性质不同的官如硅烷偶联型具有两种性质不同的官能团，
42、一端为亲玻璃纤维的官能团能团，一端为亲玻璃纤维的官能团(X)，一端为亲树脂的官，一端为亲树脂的官能团能团(R)，将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面上形成共价，将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面上形成共价键结合。键结合。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 多数金属基复合材料多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度的在制备过程中发生不同程度的界面反应。轻微的界面反应能有效的改善金属基体与增界面反应。轻微的界面反应能有效的改善金属基体与增强体的浸润和结合，严重的界面反应将造成增强体的损强体的浸润和结合，严重的界面反应将造成增强
43、体的损伤和形成脆性界面相等十分有害。碳纤维伤和形成脆性界面相等十分有害。碳纤维/铝钛铜合金复铝钛铜合金复合材料中，生成合材料中，生成TiC，使界面附近的铝、铜富集。，使界面附近的铝、铜富集。500时，在时，在C纤维纤维/铝材料界面生成铝材料界面生成Al4C3脆性层。脆性层。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 复合材料的基体与增强材料间可以发生原子或分子复合材料的基体与增强材料间可以发生原子或分子的互扩散或发生反应，从而形成的互扩散或发生反应，从而形成反应结合反应结合或或互扩散结合互扩散结合。对于聚合物基体复合材料来说，
44、这种粘结机理可看作为分对于聚合物基体复合材料来说，这种粘结机理可看作为分子链的缠结。而对于金属和陶瓷基复合材料，两组元的互子链的缠结。而对于金属和陶瓷基复合材料，两组元的互扩散可产生完全不同于任一原组元成分及结构的界面层。扩散可产生完全不同于任一原组元成分及结构的界面层。金属基复合材料中界面层常常是金属基复合材料中界面层常常是AB、AB2、A3B类型的脆类型的脆性的金属间化合物性的金属间化合物。4.4 界面理论界面理论(4)为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 金属基和陶瓷基复合材料金属基和陶瓷基复合材料，形成界面层的主
45、要原因之，形成界面层的主要原因之一是生产制备过程要经历高温。在高温下扩散极易进行，一是生产制备过程要经历高温。在高温下扩散极易进行，扩散系数扩散系数 D 随温度呈指数关系增加，按照随温度呈指数关系增加，按照Arrhenius方程方程 D=D0 exp（-Q/RT）D：扩散系数；扩散系数；Q：扩散激活能。扩散激活能。R为玻尔兹曼为玻尔兹曼常数；常数；T为绝对温度为绝对温度。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 其他结合其他结合:聚合物复合材料还有物理吸附理聚合物复合材料还有物理吸附理论、过渡层理论；金属基体和陶瓷基体复合论
46、、过渡层理论；金属基体和陶瓷基体复合材料还有物理结合理论。材料还有物理结合理论。混合结合混合结合:这种结合较普遍，是最重要的一这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。是以上几种结合方式中几个的种结合方式。是以上几种结合方式中几个的组合。组合。4.4 界面理论界面理论(5)为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.5 界面及界面改性方法界面及界面改性方法A.聚合物基复合材料的界面聚合物基复合材料的界面(1)界面的形成界面的形成第一阶段：基体与增强纤维的接触与浸润过程第一阶段：基体与增强纤维的接触与浸润过程 增强增强纤维优先吸
47、附能够降低其表面能的物质。纤维优先吸附能够降低其表面能的物质。第二阶段：聚合物的固化阶段第二阶段：聚合物的固化阶段 聚合物通过物理或化聚合物通过物理或化学的变化而固化形成固定的界面层。学的变化而固化形成固定的界面层。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能(2)界面改善原则界面改善原则1）改善增强材料与基体间的浸润性。）改善增强材料与基体间的浸润性。(一般可采取延长一般可采取延长浸渍时间，增大体系压力、降低熔体粘度以及改变增强浸渍时间，增大体系压力、降低熔体粘度以及改变增强体织物结构等措施体织物结构等措施)2）适度的界面结合
48、强度。）适度的界面结合强度。3）减少复合材料中产生的残余应力。）减少复合材料中产生的残余应力。(引入可形变的界引入可形变的界面层）面层）4）调节界面内应力和减缓应力集中。（引入柔性的界）调节界面内应力和减缓应力集中。（引入柔性的界面层）面层）为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能)、在热塑性聚合物基体加入两性相溶剂、在热塑性聚合物基体加入两性相溶剂(增溶增溶剂剂)，使增强体与基体间形成结合良好的界面。如：，使增强体与基体间形成结合良好的界面。如：液相液相/PA/PA基体，加入相溶剂，与两相分别构成接枝基体，加入相溶剂，与两
49、相分别构成接枝共聚物，并成为相间界面。共聚物，并成为相间界面。相溶剂的作用：降低界面张力、优化界面粘结性能，相溶剂的作用：降低界面张力、优化界面粘结性能，改善应力传递。改善应力传递。)、纤维增强体复合材料界面改善、纤维增强体复合材料界面改善 a)a)纤维表面偶联剂纤维表面偶联剂 b)b)涂覆界面层涂覆界面层 (3)界面界面改性方法改性方法为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3)3)、增强体的表面改性、增强体的表面改性 a)a)等离子改性。被改性的表面等离子改性。被改性的表面5-105-10纳米薄层发生物纳米薄层发生物理或
50、化学变化，不影响基体的性能；理或化学变化，不影响基体的性能；b)b)电化学改性（电解氧化，电聚合改性）；电化学改性（电解氧化，电聚合改性）；c)c)辐射改性（高能射线：高能电子束，辐射改性（高能射线：高能电子束，X X射线等）；射线等）；d)d)光化学改性（如玻璃纤维光化学改性（如玻璃纤维/PP,PP+/PP,PP+顺丁烯酸酐，通顺丁烯酸酐，通过紫外光，形成接枝聚合物）；过紫外光，形成接枝聚合物）；f)f)超声波表面改性；超声波表面改性；g)g)臭氧氧化法：活性氧与碳纤维表面不饱和碳发生臭氧氧化法：活性氧与碳纤维表面不饱和碳发生反应。反应。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大