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1、会计学1材料材料(cilio)表面与界面复合材料表面与界面复合材料(cilio)的界面及界面优化的界面及界面优化第一页，共136页。一、复合材料的一、复合材料的概念概念复合材料是由两复合材料是由两种或两种以上种或两种以上化学性质或组化学性质或组织织(zzh)(zzh)结构结构不同的材料组不同的材料组合而成的材料。合而成的材料。复复合合材材料料船船体体概述概述(i sh)(i sh)第1页/共135页第二页，共136页。二、复合材料二、复合材料(cilio)的分的分类类1、按基体材料、按基体材料(cilio)分分(1)非金属基复合非金属基复合材料材料(cilio)(2)金属基复合材金属基复合材料
2、料(cilio)。2、按增强材料、按增强材料(cilio)分分(1)纤维增强复纤维增强复合材料合材料(cilio)(2)粒子增强复粒子增强复合材料合材料(cilio)(3)叠层复合材料叠层复合材料(cilio)。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第2页/共135页第三页，共136页。三、复合材料三、复合材料三、复合材料三、复合材料(f h ci lio)(f h ci lio)的命名的命名的命名的命名（1 1 1 1）以基体为主来命名）以基体为主来命名）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例如金属基复合材料例如金属基复
3、合材料(cilio)(cilio)(cilio)(cilio)。（2 2 2 2）以增强材料）以增强材料）以增强材料）以增强材料(cilio)(cilio)(cilio)(cilio)来命名来命名来命名来命名 如碳纤维增强复合材料如碳纤维增强复合材料如碳纤维增强复合材料如碳纤维增强复合材料(cilio)(cilio)(cilio)(cilio)。（3 3 3 3）基体与增强相并用）基体与增强相并用）基体与增强相并用）基体与增强相并用 如如如如“C/Al“C/Al“C/Al“C/Al复合材料复合材料复合材料复合材料(cilio)”(cilio)”(cilio)”(cilio)”即为碳纤维即为碳纤
4、维即为碳纤维即为碳纤维增强铝基复合材料增强铝基复合材料增强铝基复合材料增强铝基复合材料(cilio)(cilio)(cilio)(cilio)。（4 4 4 4）商业名称命名）商业名称命名）商业名称命名）商业名称命名 如如如如“玻璃钢玻璃钢玻璃钢玻璃钢”即为玻璃纤维增强树脂基复合材即为玻璃纤维增强树脂基复合材即为玻璃纤维增强树脂基复合材即为玻璃纤维增强树脂基复合材料料料料(cilio)(cilio)(cilio)(cilio)。第3页/共135页第四页，共136页。复合材料的增强机制复合材料的增强机制(jzh)(jzh)及性及性能能1.纤维增强复合材料纤维增强复合材料(f h ci lio)的
5、增强机制的增强机制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(zhyo)承载组分，其增强效果主要承载组分，其增强效果主要(zhyo)取取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。维的体积分数、尺寸和分布。l在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要(zhyo)承载组分，其增强效果主要承载组分，其增强效果主要(zhyo)取取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。维的体积分数、尺寸和分布。碳碳纤纤维
6、维第4页/共135页第五页，共136页。n n弹性模量及强度弹性模量及强度弹性模量及强度弹性模量及强度n n外力方向外力方向外力方向外力方向(fngxing)(fngxing)与纤维轴向相同时，与纤维轴向相同时，与纤维轴向相同时，与纤维轴向相同时，c=c=f=f=m(f-m(f-纤维、纤维、纤维、纤维、m-m-基体、基体、基体、基体、c-c-复合材料复合材料复合材料复合材料)，则，则，则，则当外力当外力(wil)垂直于纤维轴向时，则垂直于纤维轴向时，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页第六页，共136页。2.2.粒子增强型复合材料的增强机粒子增强
7、型复合材料的增强机制制粒子增强型复合材料按照颗粒尺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：弥寸大小和数量多少可分为：弥散强化的复合材料；颗粒增强散强化的复合材料；颗粒增强的复合材料。的复合材料。（1 1）弥散强化的复合材料的增强）弥散强化的复合材料的增强机制机制将粒子高度弥散地分布在基体中，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使其阻碍导致塑性变形的位错运动运动(金属金属(jnsh)(jnsh)基体基体)和分子和分子链运动链运动(聚合物基体聚合物基体)。（2 2）颗粒增强的复合材料的增强）颗粒增强的复合材料的增强机制机制用金属用金属(jnsh)(jnsh)或高分子
8、聚合物为或高分子聚合物为粘结剂，把具有耐热性好、硬粘结剂，把具有耐热性好、硬度高但不耐冲击的金属度高但不耐冲击的金属(jnsh)(jnsh)氧化物、碳化物、氮化物粘结氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起而行成的材料。在一起而行成的材料。第6页/共135页第七页，共136页。二、复合材料的性能特点二、复合材料的性能特点二、复合材料的性能特点二、复合材料的性能特点(tdi(tdi n)n)1 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、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。增强复合材料的最高。增强复合材料的最高。2 2、良好的抗疲
9、劳性能。碳纤维增、良好的抗疲劳性能。碳纤维增、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强材料强材料 -1-1可达可达可达可达 b b的的的的7080%7080%。因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。作用。作用。作用。3 3、破断安全性好、破断安全性好、破断安全性好、破断安全性好 4 4、优良的高温性能。、优良的高温性能。、优良的高温性能。、优良的高温性能。5 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、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用
10、，界面对振动有反射吸收作用，界面对振动有反射吸收作用，界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。不易产生共振。不易产生共振。不易产生共振。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 铝铝第7页/共135页第八页，共136页。常用常用(chn yn)(chn yn)的复合的复合材料材料 一、纤维增强一、纤维增强(zngqing)复复合材料合材料1.常用增强常用增强(zngqing)纤纤维维(1)(1)玻璃纤维：用量最大、价格最便宜。玻璃纤维：用量最大、价格最便宜。(2)(2)碳纤维：化学性能与碳相似。碳纤维：化学性能与碳相似。(3)(3)硼
11、纤维：耐高温、强度、弹性模高。硼纤维：耐高温、强度、弹性模高。(4)(4)碳化硅纤维：高熔点碳化硅纤维：高熔点(rngdin)(rngdin)、高硬、高硬度。度。(5)Kevlar(5)Kevlar有机纤维：用于高温、高强复合有机纤维：用于高温、高强复合材料。材料。玻璃纤玻璃纤维维碳纤维碳纤维SiC纤维纤维第8页/共135页第九页，共136页。n n2、纤维、纤维树脂复合材料树脂复合材料n n通常用碳纤维、玻璃纤维通常用碳纤维、玻璃纤维(b lixinwi)和芳纶纤维增强高分子材和芳纶纤维增强高分子材料。料。n n这类复合材料的性能较环氧树脂等这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高，
12、比强度也高基体有大幅度的提高，比强度也高得多。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环氧树脂环氧树脂/硼纤维硼纤维（70%Vf）1400-2100210-280第9页/共135页第十页，共136页。聚合物基纤维聚合物基纤维聚合物基纤维聚合物基纤维(xinwi)(xinwi)增强复合材料零件增强复合材料零件增强复合材料零件增强复合材料零件芳纶刹车片芳纶刹车片
13、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第10页/共135页第十一页，共136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，故高强度纤维增强金属的熔点高，故高强度纤维增强(zngqing)后的金属基复合材料后的金属基复合材料（MMC）可以使用在较高温的工）可以使用在较高温的工作环境之下。作环境之下。常用的基体金属材料有铝合金、钛常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。合金和镁合金。l作为增强作为增强(zngqing)体体的连续纤维主要有硼纤的连续纤维主要有硼纤维、维、SiC和和C纤维；纤维；Al2O3纤维通常以短
14、纤纤维通常以短纤维的形式用于维的形式用于MMC中。中。MMCMMC的的的的SEMSEM照片照片照片照片第11页/共135页第十二页，共136页。n nMMCMMCMMCMMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用(shyng)(shyng)(shyng)(shyng)陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了MMCMMCMMC
15、MMC的的的的应用范围。应用范围。应用范围。应用范围。航天飞机内航天飞机内MMC(Al/B纤维纤维)桁架桁架第12页/共135页第十三页，共136页。4.纤维纤维-陶瓷复合陶瓷复合材料材料陶瓷材料耐热、耐陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧磨、耐蚀、抗氧化，但韧性低、化，但韧性低、难加工。在陶瓷难加工。在陶瓷材料中加入纤维材料中加入纤维增强，能大幅度增强，能大幅度提高强度，改善提高强度，改善韧性，并提高使韧性，并提高使用温度。用温度。陶瓷中增韧纤维受陶瓷中增韧纤维受外力作用外力作用(wi l zu yn)，因拔，因拔出而消耗能量，出而消耗能量，耗能越多材料韧耗能越多材料韧性越好。性越好。C/C复合材
16、复合材料料Si/SiSi/Si复合材料复合材料复合材料复合材料第13页/共135页第十四页，共136页。n n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件上采用。现量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现在在在在(xinzi)(xinzi)(xinzi)(xinzi)发现，晶须发现，晶须发现，
17、晶须发现，晶须(如如如如SiC SiC SiC SiC 和和和和Si3N4)Si3N4)Si3N4)Si3N4)能起到陶瓷材料能起到陶瓷材料能起到陶瓷材料能起到陶瓷材料增韧的作用。增韧的作用。增韧的作用。增韧的作用。ZnO晶须晶须自增韧自增韧Si3N4陶瓷陶瓷第14页/共135页第十五页，共136页。二、叠层复合材料二、叠层复合材料叠层复合材料是指在叠层复合材料是指在基体中含有多重层基体中含有多重层片状高强片状高强(goqing)高模量高模量增强物的复合材料。增强物的复合材料。层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第15页/共135页第十六页，共136页。n双金属
18、、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结构层状材料根据材质(ci zh)不同，分别用于飞机制不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。造、运输及包装等。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第16页/共135页第十七页，共136页。三、粒子三、粒子(lz)增强增强型复合材料型复合材料聚合物基粒子聚合物基粒子(lz)复合材料如酚醛复合材料如酚醛树脂中掺入木粉树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙的电木、碳酸钙粒子粒子(lz)改性热改性热塑性塑料的钙塑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
19、陶瓷基粒子(lz)复复合材料如氧化锆合材料如氧化锆增韧陶瓷等。增韧陶瓷等。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第17页/共135页第十八页，共136页。n n金属基粒子复合材料金属基粒子复合材料金属基粒子复合材料金属基粒子复合材料(f h(f h ci lio)ci lio)又称金属陶瓷，是由又称金属陶瓷，是由又称金属陶瓷，是由又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳钛、镍、钴、铬等金属与碳钛、镍、钴、铬等金属与碳钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、氮化物、氧化物、硼化物、氮化物、氧化物、
20、硼化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。化物等组成的非均质材料。化物等组成的非均质材料。化物等组成的非均质材料。n 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。硬质合金通常以合金。硬质合金通常以合金。硬质合金通常以CoCo、NiNi作为粘结剂，作为粘结剂，作为粘结剂，作为粘结剂，WCWC、TiCTiC等等等等作为强化相。作为强化相。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
21、金铣刀硬质合金铣刀硬质合金铣刀第18页/共135页第十九页，共136页。复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。的微小区域。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
22、与基体和增强相的性质、复合材料成型方法型方法(fngf)有关。有关。4.1 复合材料复合材料(f h ci lio)的界面的界面第19页/共135页第二十页，共136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、相互(xingh)(xingh)渗渗透区透区 5 5、增强剂表面区、增强剂表面区 6 6、增强剂、增强剂 复合材料复合材料(f h ci lio)的界面示的界面示意图意图第20页/共135页第二十一页，共136页。界面通常包含以下几个部分：界面通常包含以下几个部分：基体和增强基体和增强(zngqing)物的部分原始接触物的部分原始接触面；面；基
23、体与增强基体与增强(zngqing)物相互作用生成的物相互作用生成的反应产物，此产物与基体及增强反应产物，此产物与基体及增强(zngqing)物物的接触面；的接触面；第21页/共135页第二十二页，共136页。界面界面界面界面(jimin)(jimin)特点特点特点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连接基体与增强体材料连接基体与增强体材料能够能够能够能够(nnggu)(nnggu)传递载荷传递载荷传递载
24、荷传递载荷第22页/共135页第二十三页，共136页。(1)传递效应传递效应(xioyng)：界面能传递力，即将外力传递给：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。(2)阻断效应阻断效应(xioyng)：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。中断材料破坏、减缓应力集中的作用。4.2 界面界面(jimin)的效应（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(yxi)几种效应：第23页/共135页第二十四页，共136页。阻止裂纹阻止裂纹(li wn)的扩展的
25、扩展第24页/共135页第二十五页，共136页。4.2 4.2 界面界面界面界面(jimin)(jimin)的效应（的效应（的效应（的效应（2 2）(3)不连续效应：在界面上产生物不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象出现的现象(xinxing)，如抗电，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。尺寸稳定性等。第25页/共135页第二十六页，共136页。不连续不连续(linx)效应效应电阻(dinz)R1电阻(dinz)R1电阻R2第26页/共135页第二十七页，共136页。4.2 4.2 界面界面界面界面(j
26、imin)(jimin)的效应（的效应（的效应（的效应（3 3）(4)(4)散射散射(snsh)(snsh)和吸收效应：光和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射等在界面产生散射(snsh)(snsh)和和吸收，如透光性、隔热性、隔吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。性等。第27页/共135页第二十八页，共136页。散射散射(snsh)和吸收效应和吸收效应第28页/共135页第二十九页，共136页。4.2 4.2 界面界面界面界面(jimin)(jimin)的效应（的效应（的效应（的效应（4 4）(5)(
27、5)诱导效应：一种物质诱导效应：一种物质(通常是通常是增强物增强物)的表面结构使另一种与的表面结构使另一种与之接触的物质之接触的物质(通常是聚合物基通常是聚合物基体体)的结构由于诱导作用而发生的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象改变，由此产生一些现象(xinxing)(xinxing)，如强的弹性、低，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。等。第29页/共135页第三十页，共136页。诱导诱导(yudo)(yudo)效应效应ROM HOHOHOHM HOOHSiRSiH2ORM HOOHSi无机(wj)表面聚合物表面(biomin)第30页/共135页
28、第三十一页，共136页。界面效应界面效应界面效应界面效应(xioyng)(xioyng)(xioyng)(xioyng)是任何一种是任何一种是任何一种是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合单一材料所没有的特性，它对复合单一材料所没有的特性，它对复合单一材料所没有的特性，它对复合材料具有重要的作用。界面效应材料具有重要的作用。界面效应材料具有重要的作用。界面效应材料具有重要的作用。界面效应(xioyng)(xioyng)(xioyng)(xioyng)既与界面结合状态、形既与界面结合状态、形既与界面结合状态、形既与界面结合状态、形态和物理态和物理态和物理态和物理-化学性质有关，也与复合化学性质
29、有关，也与复合化学性质有关，也与复合化学性质有关，也与复合材料各组分的浸润性、相容性、扩材料各组分的浸润性、相容性、扩材料各组分的浸润性、相容性、扩材料各组分的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。散性等密切相关。散性等密切相关。散性等密切相关。第31页/共135页第三十二页，共136页。界面结合较差，增强体不能发挥作用；界面结合过强，界面结合较差，增强体不能发挥作用；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，裂纹沿界面扩展形成曲折的路径耗最佳状态的界面，裂纹沿界面扩展形成曲折的路径耗散
30、较多的能量散较多的能量(nngling)(nngling)，即这时的复合材料具有最大，即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。断裂能和一定的韧性。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页第三十三页，共136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(mxng)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.界面结合过强界面结合过强状况状况第33页/共135页第三十四页，共136页。界面剪切强度太低：
31、界面剪切强度太低：表明界面结合过弱。在拉伸时纤维与基体脱粘、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，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而且界面上没有任何曾经(cngjng)有过强有过强烈相互作用的迹象。在这种状况下，纤维高烈相互作用的迹象。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。材料得不到有效增强。第34页/共135页第三十五页，共136页。界面剪切强度过高：界面剪切强度过高：界面剪切强度过高：界面剪切强度过高：纤维断裂，应力集中纤维断裂，应力集中纤
32、维断裂，应力集中纤维断裂，应力集中(jzhng)(jzhng)到断口周围基体上；到断口周围基体上；到断口周围基体上；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。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。界面结合过强时复合材料呈脆性断裂。界面结合过强时复合材料呈脆性断裂。界面结合过强时复合材料呈脆性断裂。界面结合过强时复合材料呈脆性断裂。第35页/共135
33、页第三十六页，共136页。界面剪切强度适中：界面剪切强度适中：应力分布的区域化，没有在某点处因应力集中而造应力分布的区域化，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。保护了基体不在纤维断口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，而且能够处产生破坏和裂缝，而且能够(nnggu)通过很微通过很微小的脱粘和滑移吸收一定的能量，从而提高了材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。料整体的力学性
34、能。第36页/共135页第三十七页，共136页。许多因素影响着界面结合强度，如表面几何形状、许多因素影响着界面结合强度，如表面几何形状、分布状况、纹理结构、表面杂质、吸附气体程度、吸水分布状况、纹理结构、表面杂质、吸附气体程度、吸水情况、表面形态、在界面的溶解、扩散情况、表面形态、在界面的溶解、扩散(kusn)(kusn)和化学和化学反应、表面层的力学特性、润湿速度等。反应、表面层的力学特性、润湿速度等。第37页/共135页第三十八页，共136页。4.3 4.3 复合材料复合材料复合材料复合材料(f h ci lio)(f h ci lio)组分的相容性组分的相容性组分的相容性组分的相容性1.
35、1.1.1.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。现象。现象。2.2.2.2.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应应应(b yn)
36、(b yn)(b yn)(b yn)在增强剂上形成高的局部应力。在增强剂上形成高的局部应力。在增强剂上形成高的局部应力。在增强剂上形成高的局部应力。3.3.3.3.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。结合产生重要的影响，从而影响材料的各类性能。结合产生重要的影响，从而影响材料的各类性能。结合产生重要的影响，从而影响材料的各类性能。物理物理(wl)(wl)相相容性：容性：第38页/共135页第三十九页，共136页。
37、思考：思考：当复合材料使用条件要求基体韧性好而增强材料是脆性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，该如何考虑材料时，该如何考虑(kol)(kol)基体材料的热膨胀系数？基体材料的热膨胀系数？第39页/共135页第四十页，共136页。4.3 4.3 复合材料复合材料复合材料复合材料(f h ci lio)(f h ci lio)组分的相容性组分的相容性组分的相容性组分的相容性n n对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因
38、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；应力；应力；应力；n n对于脆性材料的增强相，一般对于脆性材料的增强相，一般对于脆性材料的增强相，一般对于脆性材料的增强相，一般(ybn)(ybn)都是抗压强度大于都是抗压强度大于都是抗压强度大于都是抗压强度大于抗拉强度，处于压缩状态比较有利。抗拉强度，处于压缩状态比较有利。抗拉强度，处于压缩状态比较有利。抗拉强度，处于压缩状态比较有利。n n对于像钛这类高屈服强度的基体，一般对于像钛这类高
39、屈服强度的基体，一般对于像钛这类高屈服强度的基体，一般对于像钛这类高屈服强度的基体，一般(ybn)(ybn)却要求避却要求避却要求避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。免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差太大。免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差太大。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页第四十一页，共136页。4.3 4.3 复合材料复合材料复合材料复合材料(f h ci lio)(f h ci lio)组分的相容性组分的相容性组分的相容性组分的相容性 化学相容性是一个复杂的问题：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
40、力学平衡的，其两相化学势相等，比对原生复合材料，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。表面能效应也最小。对非平衡态复合材料，化学相容性要严重对非平衡态复合材料，化学相容性要严重(ynzhng)(ynzhng)得多。得多。纤维和基体间的直接反应则是更重要的相容性问题。纤维和基体间的直接反应则是更重要的相容性问题。化学化学(huxu)(huxu)相相容性：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页第四十二页，共136页。4.3 4.3 复合材料复合材料复合材料复合材料(f h ci lio
41、)(f h ci lio)组分的相容性组分的相容性组分的相容性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以下与其化学相容性有关的问题(wnt)十十分重要：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(jimin)的不稳定。3）表面能T：各组分的表面能很高，导致界面(jimin)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页第四十三页，共136页。4.4 4.4 界面界面界面界
42、面(jimin)(jimin)理论理论理论理论(1)(1)机械结合机械结合机械结合机械结合 基体与增强材料之间不发生基体与增强材料之间不发生基体与增强材料之间不发生基体与增强材料之间不发生(fshng)(fshng)(fshng)(fshng)化学反应，靠化学反应，靠化学反应，靠化学反应，靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。纤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在钢筋与混凝土之间的界面(jimin)上会产生剪应力，为此，在上会产生剪应力，为此，在预应力钢筋的表面带有螺纹状突起。预应力
43、钢筋的表面带有螺纹状突起。第43页/共135页第四十四页，共136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，而且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，影响界面结合也形成了应力集中点，影响界面结合(jih)。金属基体复合材料和陶瓷复合材料有这类结合金属基体复合材料和陶瓷复合材料有这类结合(jih)方方式。式。在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很难遇到，往往在大多数情况下
44、，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。是机械粘结作用与其它粘结机理共同起作用。第44页/共135页第四十五页，共136页。4.4 界面界面(jimin)理论理论(2)溶解和润湿结合溶解和润湿结合(jih)(jih)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(jih)(jih)形式。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和形式。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。溶解，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页第四十六页，共136页。浸润浸润(jnrn)(jnrn)
45、性是表示液体在固体表面上铺展的程度。性是表示液体在固体表面上铺展的程度。浸润浸润(jnrn)(jnrn)不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷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。良好的或完全浸润和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润(jnrn)(jnrn)将使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。将使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。浸润浸润(jnrn)(jnrn)性仅仅表示了液体与固体发生接触时的情性仅仅表示了液体与固体发生接触时的情况，而并不能表示界面的粘结性能。润湿是组分良好粘结的况，而并不能表示界面的粘结性能。润湿是组分良好粘结的必要
46、条件，并非充分条件。必要条件，并非充分条件。第46页/共135页第四十七页，共136页。在制备聚合物基复合材料时，树脂对增强材料的浸润性是指在制备聚合物基复合材料时，树脂对增强材料的浸润性是指树脂能否树脂能否(nn fu)均匀地分布在增强材料的周围，这是树脂与增均匀地分布在增强材料的周围，这是树脂与增强材料能否强材料能否(nn fu)形成良好粘结的重要前提。形成良好粘结的重要前提。在制备金属基复合材料时，液态金属对增强材料的浸润性，则在制备金属基复合材料时，液态金属对增强材料的浸润性，则直接影响到界面粘结强度。如直接影响到界面粘结强度。如W/Cu、W/Ni、C/Ni、BN/ZrO2的的复合体系
47、。复合体系。第47页/共135页第四十八页，共136页。化学结合是指增强材料表面与基体表面发生化学反化学结合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。从理论上可以应，以化学键连接基体和增强体。从理论上可以(ky)获获得较强的界面粘结。得较强的界面粘结。4.4 界面界面(jimin)理论理论(3)第48页/共135页第四十九页，共136页。化学作用理论最成功的应用化学作用理论最成功的应用(yngyng)是偶联剂用于增强材料是偶联剂用于增强材料表面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能表面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能团，一端为亲玻璃
48、纤维的官能团团，一端为亲玻璃纤维的官能团(X)，一端为亲树脂的官能团，一端为亲树脂的官能团(R)，将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面上形成共价键结合。将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面上形成共价键结合。第49页/共135页第五十页，共136页。多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度(chngd)(chngd)的的界面反应。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伤和形成脆性界面相等和结合，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
49、纤维十分有害。碳纤维/铝钛铜合金复合材料中，生成铝钛铜合金复合材料中，生成TiCTiC，使界面附近，使界面附近的铝、铜富集。的铝、铜富集。500500时，在时，在C C纤维纤维/铝材料界面生成铝材料界面生成Al4C3Al4C3脆性层。脆性层。第50页/共135页第五十一页，共136页。复合材料的基体与增强材料间可以发生原子或分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，从而形成反应结合或互扩散子的互扩散或发生反应，从而形成反应结合或互扩散结合。对于聚合物基体复合材料来说，这种粘结机理结合。对于聚合物基体复合材料来说，这种粘结机理可看作为分子链的缠结可看作为分子链的缠结(ch
50、n ji)。而对于金属和陶瓷。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。金属基复合材料中界面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层常常是AB、AB2、A3B类型的脆性的金属间化合物类型的脆性的金属间化合物。4.4 界面界面(jimin)理论理论(4)第51页/共135页第五十二页，共136页。金属基和陶瓷基复合材料，形成界面层的主要金属基和陶瓷基复合材料，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散极易进行(jnx