第4章 复合材料界面.ppt

第4章 复合材料的界面 教学目的及要求 了解：界面的力学和物理化学要求，增强体表面处理的方法。 掌握：界面、润湿性、界面相容性的概念，改善润湿性的途径，增强体表面处理的目的，界面的功能及结合类型。 4.1概述 复合材料的界面是指基体与增强相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。 复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域，此区域的结构与性质都不同于两相中的任何一相。它的厚度呈不均匀分布状态。 4.1概述 界面粘结强度 界面粘结强度的重要性 PMC——高的界面强度，有效地将载荷传递给纤维。 CMC——界面处能量的耗散，以提高韧性。 MMC——强的界面，有益的非弹性过程。 界面结合方式的分类 1)机械结合。基体与增强材料之间不发生化学反应，纯粹靠机械连结，靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。 2)溶解和润湿结合。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶解，形成结合。界面是溶质原子的过渡带。 3)反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，在界面上生成化合物，使基体和增强材料结合在一起。 4)交换反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，生成化合物，且还通过扩散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。 5)混合结合。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组合。 4.2 复合材料的界面效应 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： （1）传递效应：界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。 （2）阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。 阻止裂纹的扩展 4.2 复合材料的界面效应 （3）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出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性和磁场尺寸稳定性等。 4.2 复合材料的界面效应 （4）散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击性等。 4.2 复合材料的界面效应 （5）诱导效应：一种物质（通常是增强剂）的表面结构使另一种（通常是聚合物基体）与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强弹性、低膨胀性、耐热性和冲击性等。 4.2 复合材料的界面效应 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。 例 在粒子弥散强化金属中，微形粒子阻止晶格位错，从而提高复合材料强度； 　 在纤维增强塑料中，纤维与基体界面阻止裂纹进一步扩展等。 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浸润性、相容性、扩散性等密切相关。 4.3复合材料组分的相容性 物理相容性： 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现象。 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。 另一个重要的物理关系是热膨胀系数。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。 4.3复合材料组分的相容性 物理相容性： 例如： 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是将受到张应力； 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。 4.3复合材料组分的相容性 化学相容性： 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。 4.3复合材料组分的相容性 化学相容性： 对复合材料来说， 以下因素与复合材料化学相容性有关的问题则十分重要： 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。 4.4 复合材料的界面理论 由于界面尺寸很小且不均匀、化学成分及结构复杂、力学环境复杂、对于界面的结合强度、界面的厚度、界面的应力状态尚无直接的、准确的定量分析方法； 所以，对于界面结合状态、形态、结构以及它对复合材料性能的影响尚没有适当的试验方法，通常需要借助拉曼光谱、电子质谱、红外扫描、X衍射等试验逐步摸索和统一认识。 4.4 复合材料的界面理论 4.4.1界面润湿理论 ： 界面润湿理论是基于液态树脂对纤维表面的浸润亲和，即物理和化学吸附作用。液态树脂对纤维表面的良好浸润是十分重要的。浸润不良会在界