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1、一、复合材料的概念一、复合材料的概念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。复合材料船体概述概述第1页/共135页二、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Al2O3片Al2O3纤维增强相三种类型第2页/共135页三、复合材料的命名三、复合材料的命名
2、（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/AlC/Al复合材料复合材料”即为碳纤维增强即为碳纤维增强铝基复合材料。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”即为玻璃纤维增强树脂基复即为玻璃纤维增强树脂基复合材料。合材料。第3页/共135页 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在纤维增强复合材料中，纤维是材料主
3、要承载组分，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、纤维的体积分数、尺寸和分布。碳纤维第4页/共135页弹性模量及强度弹性模量及强度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-纤纤维、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第5页/共135页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
4、机制粒子增强型复合材料按照颗粒尺寸大小和数量多少可分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；颗粒增强的复合材料。为：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将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变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形的位错运动(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用金属或高分子聚合物为粘结剂，把具有耐热性好、硬用金属或高分子聚合物为粘结剂，把具有耐
5、热性好、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在度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材料。一起而行成的材料。第6页/共135页二、复合材料的性能特点二、复合材料的性能特点1、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。2、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。因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。3、破断安全性好、破断安全性好 4、优良的高温性能。、优良的高温性能。5、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
6、面对振动有反射吸收作用，不界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。易产生共振。比强度比较碳纤维 树脂硼纤维 树脂玻璃纤维 树脂钛 钢 铝第7页/共135页 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(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
7、。复合材料。玻璃纤维碳纤维SiC纤维第8页/共135页2、纤维、纤维树脂复合材料树脂复合材料通常用碳纤维、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。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
8、脂环氧树脂/硼纤维硼纤维（70%Vf）1400-2100210-280第9页/共135页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发动机高温构件第10页/共135页3.纤维纤维-金属金属(或合金或合金)复合材料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金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（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。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
9、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。MMCMMC的的SEMSEM照片照片第11页/共135页MMCMMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧虽强度和弹性模量（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性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了了MMCMMC的应用范围。的应用范围。航天飞机内MMC(Al/B纤维)桁架第12页/共135页4.纤维纤维-陶瓷复合材料陶瓷复合材料陶瓷材料耐热、耐磨、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。
10、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。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Si/SiSi/Si复合材料复合材料第13页/共135页用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和用晶须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弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，晶须件上采用。现在发现，晶须 (如如SiC SiC 和和SiS
11、i3 3N N4 4)能起能起到陶瓷材料增韧的作用。到陶瓷材料增韧的作用。ZnO晶须自增韧自增韧Si3N4陶瓷陶瓷第14页/共135页二、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。层状陶瓷复合材料断口形貌三明治复合第15页/共135页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TiN涂层的高尔夫球头层状复合铝合金蜂窝夹层板第16
12、页/共135页三、粒子增强型复合材料三、粒子增强型复合材料聚合物基粒子复合材料如酚醛聚合物基粒子复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料材料(合成木材合成木材)等。等。陶瓷基粒子复合材料如氧化锆陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。增韧陶瓷等。粒子增强SiC陶瓷基复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料碳黑增强橡胶第17页/共135页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
13、成的非均质材料。均质材料。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等作为强化相。等作为强化相。硬质合金组织(Co+WC)硬质合金铣刀硬质合金铣刀第18页/共135页 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
14、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第19页/共135页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第20页/共135页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
15、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；第21页/共135页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第22页/共135页(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，即将外力传递给增强物将
16、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，起到基体和增强物之间的桥梁作用。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、中断材料中断材料中断材料中断材料破坏破坏破坏破坏、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：第23页/共135页阻止裂纹的扩展阻止裂纹的扩展第24页/共135页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
17、物理性能的不连续性物理性能的不连续性和界面摩擦出现界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。第25页/共135页不连续效应不连续效应电阻R1电阻R1电阻R2第26页/共135页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：散射和吸收效应：散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收产生散射和吸收产生散射和吸收产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。第27页/共135页散射和吸收效应散射和吸收效应第2
18、8页/共135页4.2 界面的效应（界面的效应（4）(5)(5)诱导效应：诱导效应：诱导效应：诱导效应：一种一种物质物质物质物质(通常是增强物通常是增强物)的表面结构的表面结构的表面结构的表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(通通常是聚合物基体常是聚合物基体)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，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。弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。第29页/共135页诱导效应诱导效应ROM HOHOHOHM HOOHSiRSiH2ORM HO
19、OHSi无机表面聚合物表面第30页/共135页 界面效应是任何一种单一材料所没有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。的特性，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、形态和物理界面效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性质有关，也与复合材料各组分的化学性质有关，也与复合材料各组分的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。浸润性、相容性、扩散性等密切相关。第31页/共135页 界面结合较差界面结合较差，增强体不能发挥作用；，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
20、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。第32页/共135页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第3
21、3页/共135页界面剪切强度太低：n表明界面结合过弱。在拉伸时纤维与基体脱粘、滑移，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，复合材料得不到有效增强。第34页/共135页界面剪切强度过高：纤维断裂，应力集中到断口周围基体上；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。界面结合过强时复合材料呈脆性断裂。第35页/共135页界面剪切强度适中：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
22、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。第36页/共135页 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。第37页/共135页4.3 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，能够将外部是指基体应具有足够的韧性和强度
23、，能够将外部载荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不载荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。连续现象。2.2.由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力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。不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面结合产生重要的影响，从而影响材料的各类性能。能。物理相容性：第38页/共135页思考：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
24、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？第39页/共135页4.3 复合材料组分的相容性对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。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到张应力；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。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。第40页/共135页4.3 复合材料组分的相容性 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
25、体间的直接反应则是更重要的相容性问题。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。第41页/共135页4.3 复合材料组分的相容性对复合材料来说，以下与其化学相容性有关的问题十分重要：1）相反应的自由能 F：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。2）化学势U：各组分的化学势不等，常会导致界面的不稳定。3）表面能T：各组分的表面能很高，导致界面的不稳定。4）晶界扩散系数D：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。第42页/共135页4.4 界面理论界面
26、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。维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。第43页/共135页 表面越粗糙，互锁作用越强，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，
27、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作用。第44页/共135页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
28、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。第45页/共135页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
29、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。第46页/共135页 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、
30、BN/ZrO2的复合体系。的复合体系。第47页/共135页 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)第48页/共135页 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，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
31、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。第49页/共135页 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
32、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。第50页/共135页 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，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
33、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)第51页/共135页 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
34、数；常数；T为绝对温度为绝对温度。第52页/共135页 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、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)第53页/共135页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
35、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。第54页/共135页(2)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）适度的界面结合强度。）适度的界面结合
36、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）第55页/共135页)、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
37、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)界面改性方法第56页/共135页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，
38、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。第57页/共135页B.金属基复合材料的界面金属基复合材料的界面a.界面的结合机制界面的结合机制机械结合机械结合也就是摩擦力，决定于增强体的比表面和表面粗也就是摩擦力，决定于增强体的比表面和表面粗糙度以及基体的收缩。糙度以及基体的收缩。物理结合物理结合包括范德华力和
39、氢键，存在于所有复合材料中，包括范德华力和氢键，存在于所有复合材料中，但在聚合物基复合材料中占有很重要的比重但在聚合物基复合材料中占有很重要的比重化学结合化学结合就是化学键，在金属基复合材料中占有重要作用。就是化学键，在金属基复合材料中占有重要作用。化学结合、物理结合、扩散结合、机械结合化学结合、物理结合、扩散结合、机械结合。以化学结合为主，有时也会出现几种界面结合方式共存。以化学结合为主，有时也会出现几种界面结合方式共存。界面结合形式界面结合形式:界面的结合力界面的结合力:第58页/共135页界面类界面类型型类型类型类型类型类型类型界面特界面特征征增强材料与基体增强材料与基体互不溶解、互不互
40、不溶解、互不反应反应增强材料与基体不增强材料与基体不反应，但能相互溶反应，但能相互溶解解增强材料与基体相增强材料与基体相互反应，生成界面互反应，生成界面反应产物反应产物典型的典型的MMCW丝丝/CuAl2O3f/CuBf/AlAl2O3/AlSiCf/AlBf/Mg镀镀Cr的的W丝丝/CuCf/NiW丝丝/NiCf/AlBf/TiSiCf/TiW丝丝/Cu-Ti合金合金Al2O3f/Tib.界面的类型及界面模型界面的类型及界面模型第59页/共135页类界面相对而言是类界面相对而言是比较平整比较平整的，而且只有分的，而且只有分子层厚度。子层厚度。界面上除了原组成物质外，基本上不会有其他界面上除了
41、原组成物质外，基本上不会有其他物质。物质。第60页/共135页第61页/共135页类界面为原组成物质构成的犬牙交错的类界面为原组成物质构成的犬牙交错的溶解溶解扩散界面扩散界面，基体中的合金元素和杂质可能在界，基体中的合金元素和杂质可能在界面上面上富集或贫化富集或贫化。例如：例如：Cf/Ni复合材料的界面形态复合材料的界面形态 基体基体Ni渗透到碳纤维中形成镍环。渗透到碳纤维中形成镍环。第62页/共135页Ni基体基体CfCf 中渗中渗Ni，形成，形成Ni环环Cf/Ni复合材料的界面形态复合材料的界面形态第63页/共135页第64页/共135页类界面有类界面有微米或亚微米级微米或亚微米级厚度的界
42、面反应产物，反应厚度的界面反应产物，反应层一般不均匀。层一般不均匀。例如：例如：Bf/TC4 在高温下发生反应，形成在高温下发生反应，形成TiB2化合物，形成完整的界化合物，形成完整的界面层。面层。也可以不是一个完整的界面层，而是在界面上存在多也可以不是一个完整的界面层，而是在界面上存在多种反应产物。种反应产物。SiCW/Al-Mg的界面上就存在的界面上就存在Al2O3、SiO2、MgO等产等产物在界面析出。物在界面析出。第65页/共135页SiCf/Ti-6Al-4V 复合材料界面复合材料界面第66页/共135页对于三类界面，各类界面间没有严格的界限，在对于三类界面，各类界面间没有严格的界限
43、，在不同的条件下，同样组成的物质，或在相同条件不同的条件下，同样组成的物质，或在相同条件下不同组成的物质可以构成不同类型的界面。下不同组成的物质可以构成不同类型的界面。例如：相同或相近材料在不同工艺下，可能界面例如：相同或相近材料在不同工艺下，可能界面类型不同；类型不同；基体中添加的合金元素不同，界面类型也不同。基体中添加的合金元素不同，界面类型也不同。第67页/共135页以以W/Cu复合材料的界面研究结果为例复合材料的界面研究结果为例1.Wf/Cu系系 在在W丝周围丝周围未发生未发生W与与Cu的相互溶解的相互溶解，也，也未发未发生相互间的化学反应生相互间的化学反应。2.Wf/Cu（Co、Al
44、、Ni）系）系 由于基体中的由于基体中的合金元素（合金元素（Co、Al、Ni）向）向W丝中扩散导致其再结晶温度下降，使丝中扩散导致其再结晶温度下降，使W丝外丝外表面晶粒因再结晶而粗大，结果导致表面晶粒因再结晶而粗大，结果导致W丝变脆丝变脆。3.Wf/Cu（Cr、Nb）系）系 合金元素（合金元素（Cr、Nb）向）向W丝中扩散、丝中扩散、溶解并合金化，形成溶解并合金化，形成W（Cr、Nb）固溶体）固溶体。此种情况对。此种情况对复合材料性能影响不大。复合材料性能影响不大。4.Wf/Cu（Ti、Zr）系）系 W元素与元素与Ti与与Zr均发生反应，并形成均发生反应，并形成化合物化合物。使复合材料的强度与
45、塑性均下降。使复合材料的强度与塑性均下降。第68页/共135页界面模型界面模型由由Cooper等人（等人（1968年）提出，认为界面存在年）提出，认为界面存在机械互锁机械互锁，且且界面性能与增强体和基体均不相同界面性能与增强体和基体均不相同；复合材料性能受；复合材料性能受界面性能的影响，其程度取决于界面性能的影响，其程度取决于界面性能与基体、增强界面性能与基体、增强体性能差异大小体性能差异大小。型界面模型控制复合材料的两类性型界面模型控制复合材料的两类性能：能：界面抗拉强度界面抗拉强度和和界面剪切强度界面剪切强度。I型复合材料界面模型型复合材料界面模型第69页/共135页、型界面模型型界面模型
46、复合材料的界面具有复合材料的界面具有既不同于基体也不同于增强体既不同于基体也不同于增强体的性能的性能，它是具有一定厚度的界面层，界面层可能，它是具有一定厚度的界面层，界面层可能是由于是由于元素扩散、溶解造成元素扩散、溶解造成，也可能是由于，也可能是由于反应造反应造成成。该界面模型认为。该界面模型认为反应物抗拉强度是最重要的界反应物抗拉强度是最重要的界面性能面性能。第70页/共135页l脆性界面层脆性界面层在受到外力的作用时将成为在受到外力的作用时将成为新的裂纹源新的裂纹源，并与并与纤维中原有的裂纹一起作用纤维中原有的裂纹一起作用。l如果脆性界面层诱发产生的裂纹尺寸如果脆性界面层诱发产生的裂纹尺
47、寸小于小于原有的裂纹，原有的裂纹，复合材料的强度复合材料的强度不会因为界面裂纹源而受到损害不会因为界面裂纹源而受到损害，此，此时复合材料的破坏时复合材料的破坏仍由纤维中原有的裂纹所决定仍由纤维中原有的裂纹所决定。l如果因脆性界面层断裂伸长小而产生的裂纹如果因脆性界面层断裂伸长小而产生的裂纹大于大于原有原有裂纹，裂纹形成后将裂纹，裂纹形成后将向四周纤维扩展向四周纤维扩展，使纤维断裂，使纤维断裂，并最终导致复合材料整体破坏。并最终导致复合材料整体破坏。脆性脆性界面层界面层对对复合材料复合材料性能的影响性能的影响在在、型界面的复合材料中，反应物裂纹是否对复合材料的性能型界面的复合材料中，反应物裂纹是
48、否对复合材料的性能发生影响，取决于反应物厚度。发生影响，取决于反应物厚度。第71页/共135页复合材料强度与界面层厚度的关系复合材料强度与界面层厚度的关系第72页/共135页反应物临界厚度的影响因素反应物临界厚度的影响因素基体的弹性极限。若基体弹性极限高，则基体的弹性极限。若基体弹性极限高，则裂裂纹开口困难纹开口困难，此时反应物临界厚度大，即允，此时反应物临界厚度大，即允许裂纹长一些。许裂纹长一些。纤维的塑性。如果纤维具有一定程度的塑性，纤维的塑性。如果纤维具有一定程度的塑性，则则反应物裂纹尖端引起的应力集中将使纤维反应物裂纹尖端引起的应力集中将使纤维发生塑性变形发生塑性变形，从而使应力集中程
49、度降低而，从而使应力集中程度降低而不致引起纤维断裂。不致引起纤维断裂。第73页/共135页临界厚度的确定临界厚度的确定化合物层的临界厚度化合物层的临界厚度已知平均强度已知平均强度的化合物层的厚度的化合物层的厚度分别为纤维及化合物层的平均抗拉强度分别为纤维及化合物层的平均抗拉强度第74页/共135页 金属基复合材料一般是在熔点附近或固相金属基复合材料一般是在熔点附近或固相线和液相线之间的高温下制备，界面化学反应线和液相线之间的高温下制备，界面化学反应通常不可避免。通常不可避免。界面反应及其控制界面反应及其控制第75页/共135页促进液态金属基体对增强材料的润湿，提高界促进液态金属基体对增强材料的
50、润湿，提高界面结合强度；面结合强度；生成各种类型的脆性化合物；生成各种类型的脆性化合物；造成增强材料损伤和基体成分改变。造成增强材料损伤和基体成分改变。界面反应的作用界面反应的作用第76页/共135页 一般说来，基体与增强材料之间相互作用不足或过量都一般说来，基体与增强材料之间相互作用不足或过量都不利。不利。反应不足：反应不足：复合材料的强度低复合材料的强度低；过量：过量：可以引起界面脆化可以引起界面脆化。对于界面反应，应根据具体情况，采取：对于界面反应，应根据具体情况，采取：促进反应以增进结合促进反应以增进结合；抑制反应抑制反应。第77页/共135页第一类界面反应：第一类界面反应：有利于有利