复合材料PPT讲稿.ppt

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1、复合材料复合材料第1页，共129页，编辑于2022年，星期六目目 录录第第1 1 章章 绪论绪论 第第2 2 章章 材料的原子结构和原子间结合键材料的原子结构和原子间结合键 第第3 3 章章 无机非金属材料无机非金属材料 第第4 4 章章 金属材料金属材料 第第5 5 章章 高分子材料高分子材料 第第6 6 章章 复合材料复合材料 第第7 7 章章 纳米材料纳米材料第第8 8 章章 生物材料生物材料 第2页，共129页，编辑于2022年，星期六第六章第六章复合材料复合材料第3页，共129页，编辑于2022年，星期六主要内容主要内容1.1.复合材料概述复合材料概述2.2.复合材料的基体材料复合材

2、料的基体材料3.3.复合材料的增强材料复合材料的增强材料4.4.复合材料的界面复合材料的界面5.5.复合材料的结构设计复合材料的结构设计6.6.几种复合材料的简单介绍几种复合材料的简单介绍第4页，共129页，编辑于2022年，星期六复合材料（复合材料（composite material）是指由两种或）是指由两种或两种以上具有不同的物理、化学性质的材料，两种以上具有不同的物理、化学性质的材料，以微观、细观或宏观等不同的结构尺度与层次，以微观、细观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的一个材料系统。经过复杂的空间组合而形成的一个材料系统。1.1.复合材料概述复合材料概述1.1

3、1.1 复合材料的定义复合材料的定义第5页，共129页，编辑于2022年，星期六区别于其他所有材料的最典型的特征是区别于其他所有材料的最典型的特征是1.丰富的多尺度、多层次结构丰富的多尺度、多层次结构2.各尺度、各层次结构之间有丰富的关联性。各尺度、各层次结构之间有丰富的关联性。第6页，共129页，编辑于2022年，星期六在复合材料中，通常有一相为连续相，称为在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基基体体，另一相为分散相，称为，另一相为分散相，称为增强材料增强材料。分散相分散相是以独立形态分布在整个连续相中，两是以独立形态分布在整个连续相中，两相之间存在着界面。相之间存在着界面。分散相可以是分

4、散相可以是增强纤维增强纤维，也可以是，也可以是颗粒状或弥颗粒状或弥散的填料散的填料。第7页，共129页，编辑于2022年，星期六复合材料复合材料可以是一个连续物理相与一个连续分散相的复合，可以是一个连续物理相与一个连续分散相的复合，也可以是两个或者多个连续相与一个或多个分散相在连续相也可以是两个或者多个连续相与一个或多个分散相在连续相中复合，复合后的产物为固体时才称为复合材料中复合，复合后的产物为固体时才称为复合材料。若复合产物为液体或气体时就不称为复合材料。复合材若复合产物为液体或气体时就不称为复合材料。复合材料既可以保持原材料的某些特点，又能发挥组合后的新料既可以保持原材料的某些特点，又能

5、发挥组合后的新特征，它可以根据需要进行设计，从而最合理地达到使特征，它可以根据需要进行设计，从而最合理地达到使用所要求的性能。用所要求的性能。第8页，共129页，编辑于2022年，星期六复合材料不仅是材料，更确切的说是结构，复合材料不仅是材料，更确切的说是结构，从固体力学角度，将其分为三个从固体力学角度，将其分为三个“结构层次结构层次”：一次结构、二次结构、三次结构一次结构、二次结构、三次结构。第9页，共129页，编辑于2022年，星期六一次结构：一次结构：是指由基体和增强材料复合而成的单层材料，是指由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何（各相材其力学性

6、能决定于组分材料的力学性能、相几何（各相材料的形状、分布、含量）和界面区的性能；料的形状、分布、含量）和界面区的性能；二次结构二次结构：是指由单层材料层合而成的层合体，其力学性能：是指由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何（各单层的厚度、铺决定于单层材料的力学性能和铺层几何（各单层的厚度、铺设方向、铺层序列）设方向、铺层序列）三次结构：三次结构：是指通常所说的工程结构或产品结构，其力学是指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。性能决定于层合体的力学性能和结构几何。第10页，共129页，编辑于2022年，星期六材料的复合化是当

7、代材料科学发展和工材料的复合化是当代材料科学发展和工程学科发展的大趋势。程学科发展的大趋势。第一，复合材料向低维化方向发展，因此纳米复合材料第一，复合材料向低维化方向发展，因此纳米复合材料应运而生；应运而生；第二，复合材料向多功能、强功能或结构第二，复合材料向多功能、强功能或结构-功能一体化的方功能一体化的方向发展；向发展；第三，向结构可控制、性能和功能可设计的方向发展第三，向结构可控制、性能和功能可设计的方向发展第四，复合材料向智能化或仿生的方向发展第四，复合材料向智能化或仿生的方向发展。第11页，共129页，编辑于2022年，星期六复复 合合 原原 理理复合材料中基体与增强材料间的相互作用

8、是通过所形成界面复合材料中基体与增强材料间的相互作用是通过所形成界面的性质和强度而表现出来的，的性质和强度而表现出来的，界面不仅是两种材料的几何界面不仅是两种材料的几何交界面，而且是具有一定厚度的界面层，交界面，而且是具有一定厚度的界面层，在这一区域化在这一区域化学成分发生急剧的变化，存在着复杂的物理、化学和力学学成分发生急剧的变化，存在着复杂的物理、化学和力学作用。作用。基体和增强材料之间的结合可分为：基体和增强材料之间的结合可分为：机械结合，润湿和机械结合，润湿和扩散，反应结合和混合结合。扩散，反应结合和混合结合。第12页，共129页，编辑于2022年，星期六相相 容容 性性指复合材料在制

9、造和使用过程中各组分之间相互协调、配合的程度。指复合材料在制造和使用过程中各组分之间相互协调、配合的程度。它关系到各组分材料能否有效地发挥作用，也关系到复合材料整体结它关系到各组分材料能否有效地发挥作用，也关系到复合材料整体结构和性能是否稳定。构和性能是否稳定。物理相容性：物理相容性：要求复合材料在承受应力作用和温度变化时，各组分材料要求复合材料在承受应力作用和温度变化时，各组分材料的力学性能和其它的物理性能相互协调，主要包括力学相容和热相容。的力学性能和其它的物理性能相互协调，主要包括力学相容和热相容。化学相容性化学相容性：相对复杂，首先是热力学相容问题，其次是基体与增强材：相对复杂，首先是

10、热力学相容问题，其次是基体与增强材料之间的化学反应，对金属基复合材料来说，这个问题显得尤为重要。料之间的化学反应，对金属基复合材料来说，这个问题显得尤为重要。第13页，共129页，编辑于2022年，星期六1.2.1.2.复合材料的分类复合材料的分类按照基体材料分类按照基体材料分类(1)金属基复合材料；金属基复合材料；(2)陶瓷基复合材料（无机非金属基复合材料）陶瓷基复合材料（无机非金属基复合材料）；(3)聚合物基复合材料（有时也称为树脂基复聚合物基复合材料（有时也称为树脂基复合材料、高分子基复合材料）合材料、高分子基复合材料）。第14页，共129页，编辑于2022年，星期六 按照不同的增强体形

11、式分类(1)纤维增强复合材料；(2)颗粒增强复合材料；(3)片材增强复合材料。按材料作用分类(1)结构复合材料；(2)功能复合材料。第15页，共129页，编辑于2022年，星期六按增强纤维种类分类按增强纤维种类分类(1)玻璃纤维复合材料；玻璃纤维复合材料；(2)碳纤维复合材料；碳纤维复合材料；(3)有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族 聚酯纤维、高强度聚酯纤维、高强度聚丙烯烃纤维等）复合材料聚丙烯烃纤维等）复合材料(4)金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料(5)陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合陶瓷纤维（如

12、氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料等。材料等。第16页，共129页，编辑于2022年，星期六(1)(1)可综合发挥各种组成材料的优点，使一种可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。能。(2)(2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。制造。(3)(3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。次加工工序。1.3 1.3 复合材料的基本性能复合材料的基本性能 共性共性第17页，共129页，编辑于2022年，星期六（1）可设计性（

13、2）材料与结构的统一性（3）发挥复合效应的优越性（4）材料性能对复合工艺的依赖性 复合材料具有一些与单相不同的特有的复合材料具有一些与单相不同的特有的性能性能第18页，共129页，编辑于2022年，星期六A.A.聚合物基复合材料的主要性能聚合物基复合材料的主要性能（1 1）比强度高、比模量大）比强度高、比模量大（2 2）耐磨疲劳性好）耐磨疲劳性好（3 3）减震性好）减震性好（4 4）过载时安全性好）过载时安全性好（5 5）具有多种功能性）具有多种功能性（6 6）有很好的加工工艺性）有很好的加工工艺性第19页，共129页，编辑于2022年，星期六第20页，共129页，编辑于2022年，星期六B.

14、B.金属基复合材料的主要性能金属基复合材料的主要性能（1 1）高比强度、高比模量）高比强度、高比模量（2 2）导热、导电性能）导热、导电性能（3 3）热膨胀系数小，尺寸稳定性好）热膨胀系数小，尺寸稳定性好（4 4）良好的高温性能）良好的高温性能（5 5）耐磨损性好）耐磨损性好（6 6）良好的疲劳性能和断裂韧性）良好的疲劳性能和断裂韧性（7 7）不吸潮、不老化、气密性好）不吸潮、不老化、气密性好第21页，共129页，编辑于2022年，星期六C.C.陶瓷基复合材料的主要性能陶瓷基复合材料的主要性能陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化

15、学腐蚀性优良，热膨高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和相对密度较小。胀系数和相对密度较小。陶瓷材料抗弯强度不高，断裂韧性低，限制了陶瓷材料抗弯强度不高，断裂韧性低，限制了其作为结构材料使用。当使用高强度、高模量其作为结构材料使用。当使用高强度、高模量的纤维或晶须增强后，其高温强度和韧性可大的纤维或晶须增强后，其高温强度和韧性可大幅度提高。幅度提高。第22页，共129页，编辑于2022年，星期六三种复合材料性能的比较三种复合材料性能的比较材料金属基复合材料陶瓷基复合材料聚合物基复合材料使用温度()400-6001000-150060-250硬度中高低耐老化性中优差导热性（w/m*k）

16、50-650.7-3.50.35-0.45耐化学腐蚀性差优优生产工艺一般复杂成熟生产成本中等最高最低第23页，共129页，编辑于2022年，星期六2.2.复合材料的基体材料复合材料的基体材料2.1 2.1 金属材料金属材料2.2 2.2 无机胶凝材料无机胶凝材料 2.3 2.3 陶瓷材料陶瓷材料2.4 2.4 聚合物材料聚合物材料第24页，共129页，编辑于2022年，星期六2.1 2.1 金属材料金属材料选择金属基体的原则：选择金属基体的原则：（1）金属基复合材料的使用要求）金属基复合材料的使用要求（2）金属基复合材料组成特点）金属基复合材料组成特点（3）基体与增强材料的相容性）基体与增强材

17、料的相容性结构复合材料的金属基体结构复合材料的金属基体 （1）用于）用于450以下的轻金属基体以下的轻金属基体（2）用于）用于450700的复合材料的金属基体的复合材料的金属基体（3）用于）用于1000以上的复合材料的金属基体以上的复合材料的金属基体第25页，共129页，编辑于2022年，星期六功能用金属基复合材料的基体功能用金属基复合材料的基体 目前已有应用的功能金属基复合材料主目前已有应用的功能金属基复合材料主要用于微电子技术的电子封装，用于高导热、耐电要用于微电子技术的电子封装，用于高导热、耐电弧烧蚀的集电材料和触头材料，耐高温摩擦的耐磨弧烧蚀的集电材料和触头材料，耐高温摩擦的耐磨材料，

18、耐腐蚀的电池极板材料等。材料，耐腐蚀的电池极板材料等。主要选用的金属基体是纯铝及铝合金、纯主要选用的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。铜及铜合金、银、铅、锌等金属。第26页，共129页，编辑于2022年，星期六2.2 2.2 无机胶凝材料无机胶凝材料 无机胶凝材料主要包括水泥，石膏，菱无机胶凝材料主要包括水泥，石膏，菱苦土和水玻璃等。苦土和水玻璃等。在无机胶凝材料基增强塑料中，研究和在无机胶凝材料基增强塑料中，研究和应用最多的是纤维增强水泥基增强塑料。它应用最多的是纤维增强水泥基增强塑料。它是以水泥净浆，砂浆或混凝土为基体，以短是以水泥净浆，砂浆或混凝土为基体，以短切纤维

19、或连续纤维为增强材料组成的。切纤维或连续纤维为增强材料组成的。第27页，共129页，编辑于2022年，星期六2.3 2.3 陶瓷材料陶瓷材料 传统的陶瓷是指陶器和瓷器，也包括玻璃，传统的陶瓷是指陶器和瓷器，也包括玻璃，水泥，搪瓷，砖瓦等人造无机非金属材料。水泥，搪瓷，砖瓦等人造无机非金属材料。常用的陶瓷基体主要包括：玻璃、玻璃陶常用的陶瓷基体主要包括：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。第28页，共129页，编辑于2022年，星期六2.4 2.4 聚合物材料聚合物材料聚合物基体主要分为两种：聚合物基体主要分为两种：热固性树脂和热塑性树脂热固性树脂和热塑性

20、树脂热固性树脂热固性树脂:(1)不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂(2)环氧树脂环氧树脂(3)酚醛树脂酚醛树脂第29页，共129页，编辑于2022年，星期六热塑性树脂热塑性树脂:属于这类聚合物的有：聚乙烯、聚丙烯、聚属于这类聚合物的有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳树脂、聚甲氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳树脂、聚甲醛、聚砜、聚苯硫等醛、聚砜、聚苯硫等第30页，共129页，编辑于2022年，星期六3.复合材料的增强材料复合材料的增强材料 在复合材料中，凡是能够提高基体材料力学性能的物质，在复合材料中，凡是能够提高基体材料力学性能的物质，均称为增强材料。复合材料的增强材料主要分为纤维、

21、均称为增强材料。复合材料的增强材料主要分为纤维、晶须和颗粒等晶须和颗粒等 。做为增强材料的纤维主要有：玻璃纤维、碳纤维、芳纶做为增强材料的纤维主要有：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维（有机纤维）、碳化硅纤维、硼纤维等。纤维（有机纤维）、碳化硅纤维、硼纤维等。晶须分为陶瓷晶须和金属晶须两类，用作增强材料主要是陶晶须分为陶瓷晶须和金属晶须两类，用作增强材料主要是陶瓷晶须瓷晶须 。第31页，共129页，编辑于2022年，星期六3.1 3.1 玻璃纤维玻璃纤维1)1)概述概述 玻璃纤维是纤维增加复合材料中应用最为玻璃纤维是纤维增加复合材料中应用最为广泛的增强体。可作为有机高聚物基或无机非广泛的增强体。可作为

22、有机高聚物基或无机非金属材料基复合材料的增强体。金属材料基复合材料的增强体。2)2)玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类 从玻璃原料成分、单丝直径、纤维外观及从玻璃原料成分、单丝直径、纤维外观及纤维特性等方面进行分类。纤维特性等方面进行分类。第32页，共129页，编辑于2022年，星期六3)3)玻璃纤维的结构及化学组成玻璃纤维的结构及化学组成 结构：结构：微晶结构假说微晶结构假说 和和 网络结构假说网络结构假说 化学组成：化学组成：二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等等 4)4)玻璃纤维的性能玻璃纤维的性能 优点：优点：拉伸强度高，防火、防霉、防蛀、耐高温

23、和电拉伸强度高，防火、防霉、防蛀、耐高温和电绝缘性能好等绝缘性能好等 缺点：缺点：具有脆性、不耐腐、对人的皮肤有刺激性等具有脆性、不耐腐、对人的皮肤有刺激性等第33页，共129页，编辑于2022年，星期六3.2 3.2 碳纤维碳纤维1 1）分类）分类 根据原丝的类型、碳纤维性能和用途进行分类根据原丝的类型、碳纤维性能和用途进行分类2 2）制造）制造气相法：气相法：在惰性气氛中小分子有机物再高温下沉积成纤维。用这种方法在惰性气氛中小分子有机物再高温下沉积成纤维。用这种方法只能制造晶须或短纤维，不能制造连续长丝。只能制造晶须或短纤维，不能制造连续长丝。有机纤维碳化法：有机纤维碳化法：先将有机纤维经

24、过稳定化处理变成耐焰纤维，先将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中，于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失然后再在惰性气氛中，于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其它非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。去部分碳和其它非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。此法可制造连续长纤维此法可制造连续长纤维。第34页，共129页，编辑于2022年，星期六3 3）碳纤维的结构与性能碳纤维的结构与性能结构：结构：决定于原丝结构与碳化工艺。高模量碳纤维中的碳分决定于原丝结构与碳化工艺。高模量碳纤维中的碳分子平面总是沿纤维轴平行地取向子平面总是沿纤维轴平行地取向 性能：性能：优点：优点：

25、低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高导热、低热膨胀、耐化学辐射等特性，此外低电阻、高导热、低热膨胀、耐化学辐射等特性，此外还具有纤维的柔顺性和可编性，比强度和比模量优于其还具有纤维的柔顺性和可编性，比强度和比模量优于其他无机纤维他无机纤维。缺点：缺点：性脆、抗冲击性和高温抗氧化性差。性脆、抗冲击性和高温抗氧化性差。第35页，共129页，编辑于2022年，星期六3.3 3.3 芳纶纤维（有机纤维）芳纶纤维（有机纤维）芳纶纤维是指目前已工业化生产并广泛应用的芳纶纤维是指目前已工业化生产并广泛应用的聚芳酰胺纤维。国外商品牌号叫凯芙拉聚芳酰

26、胺纤维。国外商品牌号叫凯芙拉（KevlarKevlar）纤维，我国暂命名为芳纶纤维，有）纤维，我国暂命名为芳纶纤维，有时也称有机纤维。时也称有机纤维。第36页，共129页，编辑于2022年，星期六1)1)芳纶纤维的性能特点芳纶纤维的性能特点 （1 1）力学性能）力学性能拉伸强度高。单丝强度可达拉伸强度高。单丝强度可达3773MPa3773MPa，冲击性能好，大约为石墨纤维，冲击性能好，大约为石墨纤维的的6 6倍，硼纤维的倍，硼纤维的3 3倍。芳纶纤维弹性模量高，比玻璃纤维高一倍。倍。芳纶纤维弹性模量高，比玻璃纤维高一倍。芳纶纤维密度小，比重只有铝的一半，具有高的比强度与比模芳纶纤维密度小，比重

27、只有铝的一半，具有高的比强度与比模量。量。（2 2）热稳定性）热稳定性（3 3）化学性能）化学性能第37页，共129页，编辑于2022年，星期六2)2)芳纶纤维的结构芳纶纤维的结构 芳纶纤维材料的结构是长链装聚酰胺，即结构中含有酰氨芳纶纤维材料的结构是长链装聚酰胺，即结构中含有酰氨键，其中至少键，其中至少85%85%的酰氨直接键合在芳香环上，这种刚硬的的酰氨直接键合在芳香环上，这种刚硬的直线状分子键在纤维轴向是高度定向的，各聚合物链是由直线状分子键在纤维轴向是高度定向的，各聚合物链是由氢键作横向连接。这种在沿纤维方向的强共价键和横向弱氢键作横向连接。这种在沿纤维方向的强共价键和横向弱的氢键，将

28、是造成芳纶纤维力学性能各向异性的原因，即的氢键，将是造成芳纶纤维力学性能各向异性的原因，即纤维的纵向强度高，而横向强度低。纤维的纵向强度高，而横向强度低。第38页，共129页，编辑于2022年，星期六3.4 3.4 碳化硅纤维碳化硅纤维（1 1）力学性能）力学性能（2 2）热性能）热性能（3 3）耐化学性能）耐化学性能第39页，共129页，编辑于2022年，星期六3.5 3.5 硼纤维硼纤维将硼元素通过高温化学气相法沉积在钨丝表面制成的高性将硼元素通过高温化学气相法沉积在钨丝表面制成的高性能增强纤维，具有很高的比强度和比模量，能增强纤维，具有很高的比强度和比模量，良好的力学性能、强度高、模量高

29、、密度小。硼纤维的弯曲良好的力学性能、强度高、模量高、密度小。硼纤维的弯曲强度比拉伸强度高，其平均拉伸强度为强度比拉伸强度高，其平均拉伸强度为310MPa310MPa，拉伸模量为，拉伸模量为420GPa420GPa。硼纤维在空气中的拉伸强度随温度升高而降。硼纤维在空气中的拉伸强度随温度升高而降低。低。在室温下，硼纤维的化学稳定性好，但表面具有活性，在室温下，硼纤维的化学稳定性好，但表面具有活性，不需要处理就能与树脂进行复合，而且所制得的复合材不需要处理就能与树脂进行复合，而且所制得的复合材料具有较高的层间剪切料具有较高的层间剪切 强度。强度。第40页，共129页，编辑于2022年，星期六3.6

30、 3.6 晶须晶须目前已知纤维中强度最高的一种，其机械强度目前已知纤维中强度最高的一种，其机械强度几乎等于相邻原子间的作用力几乎等于相邻原子间的作用力。高强的原因，高强的原因，主要由于它的直径非常小，容纳主要由于它的直径非常小，容纳不下能使晶体削弱的空隙、位错和不完整等缺不下能使晶体削弱的空隙、位错和不完整等缺陷。晶须材料的内部结构完整，使它的强度不陷。晶须材料的内部结构完整，使它的强度不受表面完整性的严格限制受表面完整性的严格限制。晶须分为晶须分为陶瓷晶须和金属晶须陶瓷晶须和金属晶须两类，两类，第41页，共129页，编辑于2022年，星期六4.4.复合材料的界面复合材料的界面4.1 4.1

31、复合材料的界面结构复合材料的界面结构界面界面：指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结：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、能起载荷传递作用的微小区域。合的、能起载荷传递作用的微小区域。包含了基体和增强物的部分原始接触面、基体与增强物相互作用生成的包含了基体和增强物的部分原始接触面、基体与增强物相互作用生成的反应产物、此产物与基体及增强物的接触面，基体和增强物的互扩散层，反应产物、此产物与基体及增强物的接触面，基体和增强物的互扩散层，增强物上的表面涂层、基体和增强物上的氧化物及它们的反应产物等。增强物上的表面涂层、基体和增强物上的氧化物及它们的反应产物等。第42页

32、，共129页，编辑于2022年，星期六1 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 第43页，共129页，编辑于2022年，星期六界面效应界面效应（1 1）传递效应）传递效应（2 2）阻断效应）阻断效应（3 3）不连续效应）不连续效应（4 4）散热和吸收效应）散热和吸收效应（5 5）诱导效应）诱导效应 第44页，共129页，编辑于2022年，星期六 润湿性润湿性是表示是表示液体在固体表面上铺展的程度液体在固体表面上铺展的程度液体在固体表面上铺展的程度液体在固体表面上铺展的程度

33、。好的润湿性好的润湿性意味着意味着液体液体(基体基体)将在增强材料上铺展开将在增强材料上铺展开来来，并，并覆盖整个增强材料表面覆盖整个增强材料表面。假如假如基体的粘度基体的粘度不是太高，不是太高，润湿后导致体系自由能降低润湿后导致体系自由能降低的话，就会发生的话，就会发生基体对增强材料的浸润基体对增强材料的浸润。1 1）界面的润湿和粘结）界面的润湿和粘结润湿性润湿性4.2 4.2 复合材料的界面理论复合材料的界面理论第45页，共129页，编辑于2022年，星期六 粘结粘结(或称或称粘合粘合、粘着粘着、粘接粘接)是指是指不同不同种类的两种材料相互接触并结合在一起种类的两种材料相互接触并结合在一起

34、的的一种现象。一种现象。界面的粘结强度界面的粘结强度直接影响着复合材料的直接影响着复合材料的力力学性能学性能以及以及其它物理、化学性能其它物理、化学性能，如耐热，如耐热性、耐蚀性、耐磨性等。性、耐蚀性、耐磨性等。粘粘 结结第46页，共129页，编辑于2022年，星期六因此自因此自5050年代以来，复合材料的年代以来，复合材料的界面粘结机界面粘结机理理一直是人们致力研究的内容一直是人们致力研究的内容。界面粘结机理界面粘结机理主要有主要有界面反应理论界面反应理论、浸润浸润理论理论、可变形层理论可变形层理论、约束层理论约束层理论、静电作静电作用理论用理论、机械作用理论机械作用理论等等。第47页，共1

35、29页，编辑于2022年，星期六rSL rSA rLA 液滴液滴(1)(1)界面润湿理论界面润湿理论rSA固体表面张力；固体表面张力；rLA液体表面张力；液体表面张力；rSL固固-液界面张力液界面张力液（液（L）-固（固（S）浸润）浸润复合材料界面复合材料界面复合材料性能复合材料性能改变改变rSA、rLA或或rSL可改善界面浸可改善界面浸润状况；润状况；通常情况下，提高通常情况下，提高rSA即对纤维即对纤维表面进行处理表面进行处理2）界面理论）界面理论第48页，共129页，编辑于2022年，星期六当当 90，液体不润湿固体；液体不润湿固体；=180,固体表面完全固体表面完全不能被液体润湿；不能

36、被液体润湿；当当 90，液体润湿固体；，液体润湿固体；=0，液体完全平铺在固，液体完全平铺在固体表面。接触角随温度、保持时间、吸附气体等而变体表面。接触角随温度、保持时间、吸附气体等而变化。化。粘合功粘合功 W WA A=SASA+LALA-SLSL=LALA（1+cos1+cos）第49页，共129页，编辑于2022年，星期六粘合功粘合功WAWA最大时，最大时，cos cos =1 =1，即，即 =0=0，液体完全平铺在固体表面液体完全平铺在固体表面。同时同时 S A=S A=LA,LA,S=S=L L。热力学说明两个表面结合的内在因素，热力学说明两个表面结合的内在因素，表示结合的可能性；动

37、力学反映实际产生表示结合的可能性；动力学反映实际产生界面结合的外界条件，如温度、压力等的界面结合的外界条件，如温度、压力等的影响，表示结合过程的速度问题。影响，表示结合过程的速度问题。第50页，共129页，编辑于2022年，星期六产产生良好生良好结结合的条件合的条件：1 1）液体粘度尽量低；）液体粘度尽量低；2 2）固体表面）固体表面张张力力 SASA 略大于液体表面略大于液体表面张张力力 LALA 浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触时的浸润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。一种体情况，而并不能表示界面的粘结性能。一种体系的两个组元可能有极好的浸润性，但它们之

38、系的两个组元可能有极好的浸润性，但它们之间的结合可能很弱，如范德华物理键合。因此间的结合可能很弱，如范德华物理键合。因此润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条件件。第51页，共129页，编辑于2022年，星期六 为了提高复合材料为了提高复合材料组元间的浸润组元间的浸润性性，常常通过，常常通过对增强材料进行表面处理的对增强材料进行表面处理的方法方法来改善润湿条件，有时也可通过来改善润湿条件，有时也可通过改变改变基体成分基体成分来实现来实现。第52页，共129页，编辑于2022年，星期六(2)(2)机械作用理论机械作用理论在受到平行于界面的作用力时，机械粘

39、结作用可达到最佳在受到平行于界面的作用力时，机械粘结作用可达到最佳效果，获得较高的剪切强度。但若界面受拉力作用时，除非效果，获得较高的剪切强度。但若界面受拉力作用时，除非界面有如图中界面有如图中A A处所示的处所示的锚固锚固形态，否则拉伸强度会形态，否则拉伸强度会很低。很低。在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很难遇到，往往是在大多数情况下，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。机械粘结作用与其它粘结机理共同起作用。第53页，共129页，编辑于2022年，星期六(3)(3)静电理论静电理论 当复合材料的基体及增强材料的表面带有异当复合材料的基体及增强材料的表面带有异

40、性电荷时，在基体与增强材料之间将发生静电性电荷时，在基体与增强材料之间将发生静电吸引力，如图所示。静电相互作用的距离很短，吸引力，如图所示。静电相互作用的距离很短，仅在仅在原子尺度量级内静电作用力原子尺度量级内静电作用力才有效。因此才有效。因此表面的污染等将大大减弱这种粘结作用。表面的污染等将大大减弱这种粘结作用。第54页，共129页，编辑于2022年，星期六(4)化学键理论化学键理论化学作用化学作用是指增强材料表面的化学基是指增强材料表面的化学基(B(B面面)与与基体表面的相容基基体表面的相容基(A(A面面)之间的化学粘结之间的化学粘结。（应。（应用最广，也最成功。偶联剂用最广，也最成功。偶

41、联剂-）第55页，共129页，编辑于2022年，星期六(5)(5)界面反应或界面扩散理论界面反应或界面扩散理论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，从而形成反应结合或互扩散结的互扩散或发生反应，从而形成反应结合或互扩散结合。合。（有很大的局限性，因聚合物与无机物之间不会发（有很大的局限性，因聚合物与无机物之间不会发生界面扩散、互溶现象）生界面扩散、互溶现象）D=DD=D0 0 exp exp（-Q/RT-Q/RT）D D：扩散系数；：扩散系数；Q Q：扩散激活能。：扩散激活能。X=k t X=k t 1/21/2 X X：反

42、应层厚度；：反应层厚度；k k：反应速度常数。：反应速度常数。第56页，共129页，编辑于2022年，星期六对于聚合物来说，这种粘结机理可看作为分子链对于聚合物来说，这种粘结机理可看作为分子链的缠结的缠结.聚合物的粘结作用正如它的自粘作用聚合物的粘结作用正如它的自粘作用一样是由于长链分子及其各链段的扩散作用所一样是由于长链分子及其各链段的扩散作用所致。致。界面粘结机理示意图界面粘结机理示意图聚合物的反应粘结聚合物的反应粘结第57页，共129页，编辑于2022年，星期六界面粘结机理示意图界面粘结机理示意图界面扩散形成的界面层界面扩散形成的界面层 对于金属和陶瓷基复合材料，两组元的互扩对于金属和陶

43、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散可产生完全不同于任一原组元成分及结构的界面层。界面层。第58页，共129页，编辑于2022年，星期六(6)(6)变形层理论变形层理论材料成型时，由于基体与增强体的膨胀系数相差较大，材料成型时，由于基体与增强体的膨胀系数相差较大，因此在固化过程中，增强体与基体界面上会存在残余应因此在固化过程中，增强体与基体界面上会存在残余应力。为了消除这种内应力，使基体与增强体之间的界面力。为了消除这种内应力，使基体与增强体之间的界面区存在一个过渡层，可以起到应力松弛作用。增强体经区存在一个过渡层，可以起到应力松弛作用。增强体经表面处理后，在界

44、面上形成一层塑性层，可以松弛并减表面处理后，在界面上形成一层塑性层，可以松弛并减小界面应力。小界面应力。-变形层理论变形层理论第59页，共129页，编辑于2022年，星期六但是不能解释传统方法使用硅烷偶联剂处理的增强体，但是不能解释传统方法使用硅烷偶联剂处理的增强体，其界面上的偶联剂数量不足以满足应力松弛的要求，其界面上的偶联剂数量不足以满足应力松弛的要求，因此在变形层理论的基础上提出了因此在变形层理论的基础上提出了“优先吸附优先吸附”理论理论和和“柔性层柔性层”理论。理论。即，认为塑性层即，认为塑性层不仅由偶联剂而且不仅由偶联剂而且是由偶联剂和优先吸附形成的柔性层组成，柔性层的厚是由偶联剂和

45、优先吸附形成的柔性层组成，柔性层的厚度与偶联剂本身在界面区的数量有关度与偶联剂本身在界面区的数量有关。此理论对石墨纤。此理论对石墨纤维增强聚合物复合材料比较适应。维增强聚合物复合材料比较适应。第60页，共129页，编辑于2022年，星期六(7)(7)拘束层理论拘束层理论该理论认为界面区的弹性模量介于基体与增强该理论认为界面区的弹性模量介于基体与增强体之间，则可以很均匀的传递应力。体之间，则可以很均匀的传递应力。基体基体-增强体（模量低增强体（模量低-高）高）但该理论缺乏必要的实验依据但该理论缺乏必要的实验依据第61页，共129页，编辑于2022年，星期六（8 8）减弱界面局部应力作用理论减弱界

46、面局部应力作用理论 该理论认为基体与增强体之间的处理剂提供了一种该理论认为基体与增强体之间的处理剂提供了一种具有具有“自愈能力自愈能力”的化学键。在载荷作用时，它处于不的化学键。在载荷作用时，它处于不断形成与断裂的动态平衡状态。低分子物质（主要是断形成与断裂的动态平衡状态。低分子物质（主要是水）的水）的应力侵蚀使界面化学键断裂应力侵蚀使界面化学键断裂，而而处理剂处理剂在应力作用在应力作用下能下能沿增强体表面滑移沿增强体表面滑移，使已断裂的化学键重新结合使已断裂的化学键重新结合。这样，应力得到松弛，减缓界面的应力集中。这样，应力得到松弛，减缓界面的应力集中。第62页，共129页，编辑于2022年

47、，星期六4.3 4.3 复合材料的界面类型复合材料的界面类型 要形成复合材料、必须在界面上建立一定的结合力。要形成复合材料、必须在界面上建立一定的结合力。界面结合力界面结合力大致可分为大致可分为物理结合力物理结合力和和化学结合力化学结合力。物理结物理结合力一般指合力一般指范德华力范德华力；化学结合力是在界面上产生化学结合力是在界面上产生共价键共价键和金属键和金属键。根据界面形成中物理和化学形式进行分类。陶瓷基和根据界面形成中物理和化学形式进行分类。陶瓷基和金属基复合材料分类情况类似，树脂基复合材料与前者有金属基复合材料分类情况类似，树脂基复合材料与前者有一定差别。一定差别。第63页，共129页

48、，编辑于2022年，星期六(1)(1)树脂基复合材料的界面类型树脂基复合材料的界面类型a)a)化学结合化学结合：基体表面上的官能团与增强物表面上的基体表面上的官能团与增强物表面上的官能团发生化学反应，形成共价链结合的界面区。官能团发生化学反应，形成共价链结合的界面区。b)b)浸润浸润-吸附结合吸附结合：增强材料被基体浸润，即物理吸增强材料被基体浸润，即物理吸附所产生的界面结合。附所产生的界面结合。d)d)扩散结合：扩散结合：界面扩散作用使原有清晰的状态破坏，界面扩散作用使原有清晰的状态破坏，形成界面模糊区。形成界面模糊区。第64页，共129页，编辑于2022年，星期六d)d)静电结合：静电结合

49、：两相物质对电子的亲和力相差较大时，在两相物质对电子的亲和力相差较大时，在界面区产生接触电势形成双电层。界面区产生接触电势形成双电层。e)e)机械结合：机械结合：基体与增强物的粘接为机械粘接作用。首基体与增强物的粘接为机械粘接作用。首先液态基体渗入增强物的空隙中，然后基体凝固或固化先液态基体渗入增强物的空隙中，然后基体凝固或固化而机械的镶嵌在增强物表面，产生机械结合力。而机械的镶嵌在增强物表面，产生机械结合力。第65页，共129页，编辑于2022年，星期六界面化学、扩散效应界面化学、扩散效应M O Si M O Si M O Si M O Si M O Si M O Si 无机介质扩散界面层扩

50、散界面层偶联剂偶联剂高聚物高聚物化学键连接界面化学键连接界面第66页，共129页，编辑于2022年，星期六(2)(2)金属基和陶瓷基复合材料的界面类型金属基和陶瓷基复合材料的界面类型a.a.物理结合：物理结合：由于材料表面的粗糙形态产生的由于材料表面的粗糙形态产生的机械咬机械咬合合，再加上热膨胀系数不同，基体收缩抱住纤维产生再加上热膨胀系数不同，基体收缩抱住纤维产生的的摩擦结合摩擦结合。说明：此时粗糙度起决定作用。说明：此时粗糙度起决定作用。(要求润湿要求润湿 )钨丝/Al（Vf=12%）界面状况结合类型性能（拉伸）1.0.2mm光滑化学反应95%2.0.2mm表面有C形成光滑表面没有反应35