界面力學(xué)報(bào)告

1、摘要：通過(guò)對(duì)復(fù)合材料界面力學(xué)問(wèn)題基礎(chǔ)知識(shí)以及基本概念的認(rèn)識(shí)和理解；總結(jié)聚合物/金屬基復(fù)合材料界面的處理方法，并分析處理前后界面力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的變化，并在此基礎(chǔ)上分析是哪些原因?qū)е逻@些復(fù)合材料界面力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的改變，同時(shí)還對(duì)界面性能測(cè)定所要用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及測(cè)試手段進(jìn)行了總結(jié)。關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 界面 力學(xué)性能 導(dǎo)熱性能 一基本概念的介紹：1. 界面及界面相界面是將不同的材料緊密的粘合起來(lái)所產(chǎn)生，并借此傳遞應(yīng)力。把兩種材料結(jié)合在一起的界面力可以是范德華力、化學(xué)鍵、機(jī)械互鎖、靜電吸引或以上力的協(xié)同作用。界面相具有一定的厚度，一般認(rèn)為在幾個(gè)分子層的厚度范圍內(nèi)。界面相雖然很薄，但是其結(jié)構(gòu)是很復(fù)

2、雜的。界面相從結(jié)構(gòu)來(lái)分，這一界面相由個(gè)亞層組成（如圖所示），每一亞層的性能均與基體和增強(qiáng)體的性質(zhì)、偶聯(lián)劑的品種和性質(zhì)、復(fù)合材料的成型方法等密切相關(guān)界面結(jié)構(gòu)主要指界相區(qū)的結(jié)構(gòu)，也包含鄰近界相區(qū)的基體和增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)。而且，隨環(huán)境條件的改變，復(fù)合體系中的界面區(qū)結(jié)構(gòu)可以發(fā)生變化。如溫度的改變，可以改變兩組分間的相互作用，從而導(dǎo)致界面層厚度、化學(xué)結(jié)構(gòu)和界面效應(yīng)（如應(yīng)力傳遞）等的改變。通常復(fù)合材料界面除了在性能和結(jié)構(gòu)上不同于相鄰兩組分外，還具有以下特點(diǎn)：（）具有一定厚度；（）性能在厚度方向上有一定的梯度變化；（）隨環(huán)境條件變化而改變。圖1增強(qiáng)體與基體界面區(qū)示意圖2. 界面粘合理論主要有化學(xué)鍵理論、浸潤(rùn)理論

3、、變形層理論和抑制層理論。2.1 化學(xué)鍵理論認(rèn)為兩種材料在接觸時(shí)，如二者表面的官能團(tuán)能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，就會(huì)生成化學(xué)鍵結(jié)合而形成具有一定結(jié)合強(qiáng)度的界面，從而有效防止裂紋擴(kuò)展，抵抗應(yīng)力破壞。2.2 浸潤(rùn)理論認(rèn)為，兩種材料可以依靠機(jī)械互鎖粘合在一起，即一種材料在固化中浸入到另一材料的空隙和凹凸處形成機(jī)械錨定，從而形成有效界面結(jié)合。但是，如果兩種材料的熱膨脹系數(shù)相差較大，當(dāng)二者粘合連接后，會(huì)在界面上產(chǎn)生使其發(fā)生破壞的附加應(yīng)力，在外載荷作用下還會(huì)在界面上出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致界面成為復(fù)合材料的薄弱環(huán)節(jié)。2.3 變形層理論認(rèn)為，通過(guò)使用處理劑在兩種材料的界面上形成一層熱膨脹系數(shù)與二者都能較好匹配的塑性層

4、，就能夠松弛界面上的附加應(yīng)力，減少界面應(yīng)力集中現(xiàn)象。2.4 抑制層理論則認(rèn)為，處理劑應(yīng)是介于高模量和低模量材料之間的中模量物質(zhì)，它作為界面相的一部分，能夠均勻傳遞應(yīng)力并減小應(yīng)力集中現(xiàn)象。3.界面效應(yīng)可以歸納為類：3.1 分割效應(yīng)，一個(gè)連續(xù)體被分割成許多區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的尺寸、中斷強(qiáng)度、分散情況等會(huì)對(duì)基體的力學(xué)性能產(chǎn)生影響；3.2 不連續(xù)效應(yīng)，在界面上引起物理性質(zhì)的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如電阻、介電特性、磁性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等；3.3 散射和吸收效應(yīng)，光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生的散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐沖擊性及耐熱沖擊性等；3.4 感應(yīng)效應(yīng)，在界面上產(chǎn)生的

5、感應(yīng)效應(yīng)，特別是應(yīng)變、內(nèi)應(yīng)力和由此出現(xiàn)的現(xiàn)象高的彈性、低的熱膨脹性、耐沖擊性和耐熱性等。二界面優(yōu)化方法（碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料界面性能優(yōu)化為例）1碳纖維增強(qiáng)體表面改性1.1 氣相氧化法氣相氧化是采用氧化性氣體或其混合物對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，在碳纖維表面引入極性基團(tuán)，并增加碳纖維表面的粗糙度，從而有效提高碳纖維與環(huán)氧樹脂的界面結(jié)合強(qiáng)度。常用的氧化性氣體有氧氣、空氣、臭氧等。有學(xué)者利用臭氧對(duì)碳纖維進(jìn)行表面氧化處理，結(jié)果表明臭氧氧化后的碳纖維表面羥基和醚基官能團(tuán)含量增加，處理后的碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合，其層間剪切強(qiáng)度較處理前提高了35%。氣相氧化原料易得，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。但是對(duì)碳纖維的拉伸強(qiáng)度

6、有一定損傷，且碳纖維表面處理效果會(huì)隨纖維種類和處理溫度而發(fā)生變化，不易控制表面處理質(zhì)量。1.2 液相氧化法液相氧化是采用液態(tài)氧化劑對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，在碳纖維表面引入羧基、羥基及其他活性基團(tuán)，同時(shí)增加碳纖維表面的溝壑?jǐn)?shù)量和深度，以達(dá)到提高碳纖維與環(huán)氧樹脂界面結(jié)合力的效果。常用的液態(tài)氧化劑主要有硝酸、酸性重鉻酸鉀、酸性高錳酸鉀、次氯酸鈉、過(guò)氧化氫、過(guò)硫酸鉀等。有學(xué)者研究硫酸/硝酸混合液對(duì)碳纖維的影響，結(jié)果表明經(jīng)處理后碳纖維表面活性官能團(tuán)含量增加且表面粗糙度提高，有效改善了碳纖維與樹脂的界面性能。液相氧化法較氣相氧化法溫和，對(duì)碳纖維表面的刻蝕效果較為適當(dāng)。但是氧化工藝較難控制，氧化時(shí)間較長(zhǎng)。1.

7、3 電化學(xué)氧化法電化學(xué)氧化是通過(guò)電解反應(yīng)，利用碳纖維自身的導(dǎo)電特性，在碳纖維表面引入極性基團(tuán)，增加碳纖維表面粗糙度，從而提高碳纖維與樹脂基體的界面結(jié)合強(qiáng)度。在電化學(xué)反應(yīng)中碳纖維一般作為陽(yáng)極使用。電解液的選用范圍較寬，酸、堿和鹽類電解質(zhì)均可采用，但是電解液種類對(duì)碳纖維表面產(chǎn)生的活性基團(tuán)有很大影響。有研究指出，經(jīng)過(guò)電化學(xué)氧化處理，會(huì)使碳纖維表面的溝槽加深變寬，使碳纖維表面粗糙度增加，有利于環(huán)氧樹脂浸潤(rùn)碳纖維。另一方面，碳纖維表面含氧官能團(tuán)數(shù)量大幅增加，提高了碳纖維與環(huán)氧樹脂界面的化學(xué)鍵合能力。從而有效提高了碳纖維與環(huán)氧樹脂的界面結(jié)合強(qiáng)度，宏觀表現(xiàn)為復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度較于處理前提高了31.7%。

8、電化學(xué)氧化法的氧化過(guò)程較緩和，易于控制，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化大批量生產(chǎn)。1.4 等離子體接枝法等離子體接枝法是利用等離子體處理碳纖維表面，引發(fā)碳纖維表面的化學(xué)反應(yīng)，在碳纖維表面產(chǎn)生活性基團(tuán)，從而起到改善纖維/樹脂界面性能的作用。等離子體接枝法包括高溫和低溫兩種方式。如采用低溫方式，能夠有效減小纖維的損傷程度，有利于保持碳纖維的高強(qiáng)度性能。但是等離子體接枝法需用的設(shè)備復(fù)雜，不易于實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維進(jìn)行連續(xù)和穩(wěn)定的表面處理。有學(xué)者以馬來(lái)酸酐為接枝單體，采用等離子體接枝法對(duì)碳纖維織物進(jìn)行表面處理，結(jié)果表明碳纖維表面活性基團(tuán)數(shù)量增加，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度顯著提高，其界面性能得到有效改善。1.5 表

9、面涂層處理由于碳纖維與環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)相差較大，在復(fù)合材料固化過(guò)程中，二者界面上會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而降低碳纖維與基體的界面性能。通過(guò)有效的手段在碳纖維表面生成一層與碳纖維和樹脂基體的熱膨脹系數(shù)匹配性好、既能潤(rùn)濕纖維又能潤(rùn)濕基體且具有一定厚度的涂層，就能起到減少界面應(yīng)力的作用，從而達(dá)到改善碳纖維和基體界面性能的目的，此法即為碳纖維表面涂層處理法。此法可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)。如：化學(xué)氣相沉積、表面電聚合、偶聯(lián)劑涂層、聚合物涂層、表面生成晶須、熱解涂層等。1.6 超臨界流體法超臨界流體是存在于氣和液體狀態(tài)以外的第三流體，兼具氣體和液體的特性。超臨界流體法是利用適當(dāng)?shù)某R界流體對(duì)碳纖維表面進(jìn)行物理刻

10、蝕，增加碳纖維表面的粗糙度，通過(guò)增加碳纖維與環(huán)氧樹脂之間的機(jī)械咬合作用以提高二者的界面結(jié)合力。常用的超臨界流體有二氧化碳、水、過(guò)氧化氫等。有學(xué)者采用超臨界二氧化碳對(duì)碳纖維進(jìn)行處理，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)超臨界二氧化碳處理后，碳纖維表面溝槽變得深而寬且數(shù)量增多，表面粗糙度明顯增加。超臨界二氧化碳處理能夠顯著提高碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，其界面剪切強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度分別提高了25.19%和17.11%。有學(xué)者利用超臨界水和含氧超臨界水對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，研究指出兩種處理方法均可增加碳纖維表面粗糙度，并提高碳纖維表面含氧基團(tuán)的含量。經(jīng)超臨界水和含氧超臨界水處理后，碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度

11、較未改性前分別提高10%和75%。超臨界流體法屬于較新的碳纖維表面處理方法，有關(guān)此法的報(bào)道較少，目前尚處于研究階段。1.7 超聲氧化法超聲氧化法是利用超聲波在液體介質(zhì)中產(chǎn)生的“空化作用”對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，增加纖維表面活性基團(tuán)數(shù)量和表面粗糙度。此法通過(guò)改變超聲功率和處理時(shí)間來(lái)控制碳纖維的表面改性效果。介質(zhì)一般可選用酸性液體。有研究表明，碳纖維以混酸為液體介質(zhì)經(jīng)過(guò)超聲氧化處理后，其表面溝槽數(shù)量和酸性官能團(tuán)含量均增加。與未處理的碳纖維相比，經(jīng)超聲處理的碳纖維與環(huán)氧樹脂結(jié)合后，其界面剪切強(qiáng)度顯著提高33%。超聲氧化法設(shè)備簡(jiǎn)單無(wú)污染，但是目前尚屬于實(shí)驗(yàn)研究階段。1.8 -射線輻照法-射線輻照法是利用

12、-射線高能輻照接枝技術(shù)輔以適當(dāng)?shù)慕又σ簩?duì)碳纖維表面進(jìn)行處理，提高碳纖維表面粗糙度并增加其表面含氧官能團(tuán)數(shù)量，從而改善碳纖維與環(huán)氧樹脂的界面結(jié)合效果。有學(xué)者以環(huán)氧氯丙烷為接枝液，對(duì)碳纖維進(jìn)行-射線輻照處理，結(jié)果表明-射線輻照法能夠?qū)h(huán)氧氯丙烷分子有效地接枝于碳纖維表面上，使碳纖維表面粗糙度和含氧官能團(tuán)數(shù)量均有所增加，經(jīng)處理后碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度可提高29.5%。同時(shí)研究也指出，-射線輻照劑量對(duì)碳纖維表面處理效果有很大影響，如過(guò)度輻照會(huì)降低碳纖維和環(huán)氧樹脂的界面結(jié)合強(qiáng)度。值得一提的是，從研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)適當(dāng)輻照處理，不但可以使碳纖維表面粗糙度和活性基團(tuán)數(shù)量增加，而且碳纖維自身的抗拉強(qiáng)

13、度也會(huì)隨之明顯提高。相較于會(huì)損傷碳纖維的表面處理方法，這是此表面處理方法的一大優(yōu)勢(shì)。-射線輻照法效率高和節(jié)能環(huán)保，且在室溫下無(wú)需催化劑即可引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，目前已廣泛應(yīng)用于聚合物和復(fù)合材料領(lǐng)域。1.9 分子自主裝法分子自主裝法是將碳纖維表面金屬化后，利用化學(xué)吸附作用在其表面形成二維有序和緊密排列的納米超薄膜，在碳纖維表面引入能與環(huán)氧樹脂有效結(jié)合的活性基團(tuán)，從而提高碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的界面性能。有學(xué)者利用分子自主裝法改性碳纖維，在碳纖維表面吸附帶不同末端官能團(tuán)的芳基硫醇，結(jié)果表明碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度較未處理的分別提高14.49%和19.63%，碳纖維和環(huán)氧樹脂的界面結(jié)合性能得到有效提

14、高。研究還表明，芳基硫醇的分子鏈越長(zhǎng)，芳基分子在碳纖維表面排列越緊密，活性官能團(tuán)含量越高，碳纖維與環(huán)氧樹脂的界面性能越好。1.10 碳納米管涂層法碳納米管因其優(yōu)異性能和小尺寸效應(yīng)，在科學(xué)界一直備受關(guān)注。近年來(lái)，很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試?yán)没瘜W(xué)沉積法、電泳沉積法或其它有效方法在碳纖維表面沉積或生長(zhǎng)碳納米管，以此改善碳纖維與環(huán)氧樹脂的界面性能。有學(xué)者采用電泳沉積法在碳纖維表面形成均勻的碳納米管膜層，結(jié)果表明利用碳納米管改性碳纖維表面，能夠降低碳纖維的表面能，改善碳纖維對(duì)環(huán)氧樹脂的浸潤(rùn)性，從而有效改善碳纖維/環(huán)氧樹脂界面性能，其界面剪切強(qiáng)度較未性碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料提高68.8%。另外值得注意的是，經(jīng)此法

15、處理的碳纖維，不但沒(méi)有發(fā)生強(qiáng)度損失，還進(jìn)一步提高了碳纖維的拉伸強(qiáng)度和模量。Toshiya Kamae等利用碳納米管對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，將碳纖維浸入良好分散的碳納米管水溶液中，在碳纖維表面沉積碳納米管涂層。結(jié)果表明碳纖維表面的碳納米管能夠提高碳纖維與環(huán)氧樹脂之間的應(yīng)力傳遞，有效改善復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度。1.11 高溫高壓氨溶液法高溫高壓氨溶液法是將碳纖維浸入氨溶液并在高溫高壓條件下進(jìn)行處理，為碳纖維表面引入活性官能團(tuán)并增加其表面粗糙度的一種改性方法。L. H. Meng等采用高溫高壓氨溶液法對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性處理，結(jié)果表明經(jīng)處理后碳纖維表面發(fā)生物理刻蝕，羰基和羧基等活性官能團(tuán)含量增加。經(jīng)不

16、同溫度和時(shí)間處理后，碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度提高程度可分別達(dá)66.61%和16.93%。但是由于此法使碳纖維表面被刻蝕，隨處理?xiàng)l件不同，其單絲強(qiáng)度會(huì)有不同程度的下降。2環(huán)氧樹脂基體改性環(huán)氧樹脂是具有良好粘接性、耐熱性、耐腐蝕性、強(qiáng)度高、加工性能好、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)的一種熱固性樹脂，在航空航天、建筑、機(jī)械、電子儀表等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。但是環(huán)氧樹脂固化后脆性大、易開裂和對(duì)纖維增強(qiáng)體浸潤(rùn)性差，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂與纖維界面性能薄弱，因此環(huán)氧樹脂增韌改性一直都是學(xué)者們的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)階段主要是通過(guò)在環(huán)氧樹脂中引入各類填充物，以達(dá)到增韌環(huán)氧樹脂的目的，進(jìn)而改善環(huán)氧樹脂與纖維的界面性能。傳

17、統(tǒng)手段是在環(huán)氧樹脂中引入橡膠彈性體、熱塑性樹脂或熱固性樹脂，使之在環(huán)氧樹脂的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中以“海島”結(jié)構(gòu)存在，形成互穿或半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以耗散應(yīng)力；也可引入帶有柔性鏈段的活性官能團(tuán)，使之與環(huán)氧樹脂發(fā)生反應(yīng)而提高網(wǎng)鏈分子的柔順性。近年來(lái)，采用納米材料來(lái)增韌環(huán)氧樹脂引起了越來(lái)越多研究學(xué)者的關(guān)注。利用納米材料的表面活性基團(tuán)和小尺寸效應(yīng)，可與環(huán)氧樹脂發(fā)生物理或化學(xué)結(jié)合，使納米材料在碳纖維和環(huán)氧樹脂的界面區(qū)形成貫穿纏結(jié)，在碳纖維和環(huán)氧基體之間起到橋接作用，從而達(dá)到提高界面粘接力和改善界面性能的目的。三幾種復(fù)合材料的界面改性（案例分析含樹脂基和金屬基）1. 界面改性劑對(duì)聚苯硫醚/碳纖維復(fù)合材料力學(xué)和和熱力學(xué)性能

18、的影響1.1 實(shí)驗(yàn)材料：耐高溫環(huán)氧樹脂四縮水甘油基4，4二氨基二苯醚為改性劑，碳纖維，聚苯硫醚。注：將經(jīng)過(guò)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%、1%、2%、5%的環(huán)氧丙酮溶液處理的CF 制備而成的CF /PPS 復(fù)合材料分別記為: 樣品1#、2#、3#和4#。1.2 處理方法：通過(guò)熔融共混制備界面性能得到改善的碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚復(fù)合材料。用不同濃度的環(huán)氧丙酮溶液浸泡處理碳纖維，并對(duì)制得的復(fù)合材料力學(xué)性能和斷面形貌進(jìn)行表征。1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1.3.1 在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，2%的環(huán)氧丙酮溶液處理碳纖維后，材料的沖擊強(qiáng)度得到了很大的提高，如圖2為 PPS /CF復(fù)合材料沖擊斷面的SEM 照片，主要是因?yàn)闃悠?# 和2# 斷面上

19、的纖維表面附著的PPS 樹脂較少，表明樹脂與纖維的結(jié)合并不理想;而樣品3#中可以看到，大量的PPS 樹脂黏附在CF表面上，這直觀地說(shuō)明了PPS 樹脂和CF 之間產(chǎn)生了良好的結(jié)合，使復(fù)合材料的沖擊性能得到明顯提高; 同時(shí)，在樣品4#中可以明顯地看到，在CF 表面上拉絲狀樹脂，這主要可能是環(huán)氧樹脂較多地包覆在纖維表面上形成了弱界面層，降低了界面結(jié)合強(qiáng)度，纖維在受到?jīng)_擊時(shí)更容易被拔出，影響了材料的力學(xué)性能。1.3.2 如圖3 PPS /CF復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量曲線及圖4 PPS /CF復(fù)合材料DSC結(jié)晶曲線，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，2% 的環(huán)氧溶液處理碳纖維制得的復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量和結(jié)晶溫度均最高。圖3 PPS

20、 /CF復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量曲線圖4 PPS /CF復(fù)合材料DSC結(jié)晶曲線圖2 PPS /CF復(fù)合材料沖擊斷面的SEM 照片2. 聚合物基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱性能2.1 實(shí)驗(yàn)材料：對(duì)苯二異氰酸酯，硅烷，環(huán)氧樹脂，苯并噁嗪樹脂，BN 2.2 實(shí)驗(yàn)處理方法：2.2.1 利用陽(yáng)離子型表面活性劑對(duì)BN進(jìn)行表面功能化處理, 2.2.2 使用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)BN進(jìn)行表面功能化處理。2.2.3 填充環(huán)氧樹脂和苯并噁嗪樹脂。2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：如圖5為填充未處理及處理后的BN復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，利用陽(yáng)離子型表面活性劑對(duì)BN進(jìn)行表面功能化處理，改善了復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料熱導(dǎo)率有了明顯提高，由原來(lái)的1.9W/(

21、m·K)提高到3.4W/(m·K)，增加了75%；使用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)BN進(jìn)行表面功能化處理，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率同樣得到了提高，當(dāng)BN填充量為57%（體積分?jǐn)?shù)）時(shí)，復(fù)合材料熱導(dǎo)率從5.27W/(m·K)提高到10.31W/(m·K)。另外，利用BN 作填料，分別填充環(huán)氧樹脂和苯并噁嗪樹脂。前者未對(duì)BN作任何處理，在填充量為80% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為3.35W/(m·K)；后者使用對(duì)苯二異氰酸酯表面功能化處理BN粒子填料，當(dāng)填充量達(dá)到88%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率高達(dá)32.5W/(m·K)。與前者相比，后者的導(dǎo)熱性能提高

22、了將近10倍，而填充量只是略有增加。圖5 填充未處理及處理后的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率3. 界面設(shè)計(jì)對(duì)Sip/Al復(fù)合材料組織和性能的影響3.1 實(shí)驗(yàn)材料：硅，鋁，碳 3.2 實(shí)驗(yàn)處理方法：表面炭化處理選用真空條件下1300分別處理1,2,3，碳的來(lái)源是造粒過(guò)程中添加的淀粉裂解后產(chǎn)生的碳，硅與碳反應(yīng)生成碳化硅。表面氮化處理選用氮?dú)鈿夥障?200分別處理1,2,3，硅與氮?dú)夥磻?yīng)得到氮化硅。采用干法模壓成型制備預(yù)制件。其中，硅粉選用400目工業(yè)硅粉，黏結(jié)劑為石蠟和聚碳硅烷，模壓成型壓制壓力80MPa，生坯按預(yù)定程序燒結(jié)制得預(yù)制件。選用4047鋁合金作基體，采用真空氣壓浸滲工藝制備Sip/Al復(fù)合材料，浸滲

23、溫度700，浸滲壓力10MPa，浸滲時(shí)間3-5Min。3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：3.3.1 圖6為不同表面處理工藝處理前后硅顆粒表面形貌電鏡照片。可以看出，原始預(yù)制件中硅顆粒表面除吸附少量細(xì)小顆粒外，基本保持光滑整潔、棱角分明的狀態(tài)，硅顆粒基本保持了原始顆粒的形狀（圖6（a）。經(jīng)1300炭化后（圖6（b），預(yù)制件中硅顆粒表面變得平緩圓滑，并且有較均勻致密的薄膜狀結(jié)構(gòu)包覆在整個(gè)顆粒表面。經(jīng)1200氮化處理1h后（圖6（c），雖然XRD分析有氮化硅生成，但因處理時(shí)間短，氮化硅生成量較少，所以顆粒表面形貌變化并不明顯，硅顆粒依然保持明顯的棱角；但是隨氮化處理時(shí)間的延長(zhǎng)，1200氮化處理后（圖6（d），硅顆粒

24、表面不再層次分明，而是棱角鈍化，表面變得較為平緩圓滑，并且有較均勻的殼狀保護(hù)層包覆在整個(gè)顆粒表面，結(jié)合XRD分析證明硅顆粒表面生成氮化硅層。4. 大麻纖維處理對(duì)增強(qiáng)聚乳酸和不飽和聚酯復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的影響4.1 實(shí)驗(yàn)材料：硅橡膠模具，大麻，聚乳酸，不飽和聚酯，氫氧化鈉，乙酸酐，馬來(lái)酸酐，硅烷。4.2 實(shí)驗(yàn)處理方法：分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的氫氧化鈉，乙酸酐，馬來(lái)酸酐及硅烷處理大麻纖維增強(qiáng)聚乳酸和不飽和聚酯復(fù)合材料，并在65下保持保溫3h。4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：如圖7大麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的FT-IR光譜圖，可以看出氫氧化鈉處理之后由FT-IR測(cè)得的透光率最大，證明該處理方法的化學(xué)鍵結(jié)合最好

25、，即界面結(jié)合相對(duì)較好。同樣，大麻纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料具有類似的現(xiàn)象這里就不在贅述。圖6為不同表面處理工藝處理前后硅顆粒表面形貌電鏡照片圖7 大麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的FT-IR光譜圖四收獲：1. 對(duì)什么是復(fù)合材料界面層，以及界面層所研究的界面力學(xué)性能和實(shí)驗(yàn)方法有了較為全面的認(rèn)識(shí)。2. 大體上對(duì)材料測(cè)試儀器，如：原子顯微，傅立葉變換紅外光譜，核磁共振，透射電子顯微鏡，示差掃描量熱法，熱重分析，光學(xué)顯微鏡，動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀，MTS拉扭試驗(yàn)機(jī)，有了一定程度的了解，大體上知道這些儀器是用來(lái)做哪些材料性能的測(cè)試；部分儀器，如：光學(xué)顯微鏡， MTS拉扭試驗(yàn)機(jī)，我還了解了它的測(cè)試原理，工作條件以及測(cè)試

26、過(guò)程中需要注意的事項(xiàng)。3. 認(rèn)識(shí)到界面改性不單單對(duì)纖維增強(qiáng)體表面進(jìn)行改性，還可以對(duì)其基體進(jìn)行改性以達(dá)到復(fù)合材料強(qiáng)度，硬度以及導(dǎo)熱性等力學(xué)性能有所提高。4. 對(duì)界面粘結(jié)層理論，如：化學(xué)鍵理論，浸潤(rùn)理論、變形層理論和抑制層理論有了初步的了解。5. 對(duì)界面改性方法的優(yōu)劣有了一定程度的認(rèn)識(shí)。其中，改性方法主要有：纖維表面涂層，纖維表面包覆，等離子體接枝法，電化學(xué)氧化法，超聲氧化法， -射線輻照法，氣相氧化法，液相氧化法等。6. 復(fù)合材料界面改性之后和改性之前需要對(duì)哪些力學(xué)參數(shù)進(jìn)行比較以判斷其改性前后的優(yōu)劣；另外就是怎么對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，也即需要通過(guò)哪些實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段來(lái)獲取這些實(shí)驗(yàn)參數(shù)的。如：通過(guò)拉伸實(shí)

27、驗(yàn)機(jī)對(duì)纖維拔出獲得材料的最大力值，然后通過(guò)之前提到的公式進(jìn)行換算，進(jìn)而測(cè)定材料的界面強(qiáng)度。7. 復(fù)合材料界面改性之后力學(xué)特性提高的本質(zhì)是什么，以及研究手段有哪些等也有了一定程度的掌握。如：界面強(qiáng)度提高了，那么我們可以可通過(guò)傅立葉變換紅外光譜測(cè)試它的化學(xué)鍵結(jié)合強(qiáng)弱進(jìn)行分析（最為有效的方法），也通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察纖維增強(qiáng)體表面是否有較好的界面包覆或者結(jié)合等等。8. 對(duì)于碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料不僅要考慮碳納米管的含量（含量太高會(huì)生成聚集在一起的碳納米管，不能與基體很好的結(jié)合），更重要的是在熱處理的過(guò)程中需要控制好溫度和時(shí)間，不然會(huì)使碳納米管表面出現(xiàn)燒結(jié)等情況，降低界面結(jié)合，從而導(dǎo)致力學(xué)性能的下降

28、。五想法：1. 對(duì)于搞研究的科研人員一般很少顧及合成一種性能較為優(yōu)異的材料所需要的生產(chǎn)成本以及生產(chǎn)流程工業(yè)化程度的難度，簡(jiǎn)而言之，就是很少考慮它的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性；當(dāng)然對(duì)于高精尖的軍工，航天，國(guó)防行業(yè)，是可以不考慮經(jīng)濟(jì)成本，也就是說(shuō)科研人員要認(rèn)清自己所服務(wù)的對(duì)象來(lái)開展研究，只有這樣才能讓研究更有價(jià)值，更有意義。2. 復(fù)合材料界面的改性從材料學(xué)的角度看就是要多去嘗試一些新的方法，只有這樣做才能得到相對(duì)較優(yōu)的結(jié)果。(當(dāng)然這是要基于前人總結(jié)的一些經(jīng)驗(yàn)性的方法還有物理化學(xué)相關(guān)方面的知識(shí)，即知道它的反應(yīng)機(jī)理)。總之，就是要耐得住枯燥重復(fù)性的嘗試。3. 復(fù)合材料的界面改性在實(shí)驗(yàn)和理論方面得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但

29、是運(yùn)用到工程實(shí)際的數(shù)值方法及有限元方法還有待進(jìn)一步完善；為此，這一方面還有很大的發(fā)展空間。4. 界面改性的目的不一樣，如提高熱傳導(dǎo)，或者是提高韌性，亦或是提高強(qiáng)度，硬度。耐腐蝕性等等。這就要求我們可以以目的為出發(fā)點(diǎn)一定程度上忽略其它性能的弱化，也就只有這樣才能較為有效的合成出這樣的復(fù)合材料（同樣要基于前人總結(jié)的一些經(jīng)驗(yàn)性的方法，還有物理，化學(xué)，力學(xué)等方面的知識(shí)）。六額外收獲：1. 線彈性斷裂力學(xué)適用范圍：脆性材料定義：彈性力學(xué)的線性理論對(duì)裂紋體進(jìn)行力學(xué)分析，并采用由此求得的某些特征參量（如應(yīng)力強(qiáng)度因子、能量釋放率）作為判斷裂紋擴(kuò)展的準(zhǔn)則測(cè)試手段：張開型、剪切型和撕開型2. 界面強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)方法主

30、要有三種：2.1 纖維拔出方法纖維拔出實(shí)驗(yàn)方法如圖2.a，其計(jì)算公式：其中F為最大拔出力，d為纖維直徑，l為纖維嵌入基體的長(zhǎng)度2.2纖維擠出纖維拔出實(shí)驗(yàn)方法如圖2.b，其計(jì)算公式：其中F為最大擠出力，d為纖維直徑，l為試樣厚度2.3纖維的破碎實(shí)驗(yàn)如圖2.c。我覺(jué)得三種方法各有優(yōu)劣，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件以及實(shí)驗(yàn)材料選擇最佳的實(shí)驗(yàn)方法。圖2.a 纖維拔出方法圖2.b 纖維擠出方法圖2.c纖維的破碎實(shí)驗(yàn)七參考文獻(xiàn)1 張坤, 龔躍武, 張守玉, 等. 界面改性劑對(duì)聚苯硫醚/碳纖維復(fù)合材料力學(xué)和熱力學(xué)性能的影響J. 塑料工業(yè), 2013 (1): 100-103.2 楊玲. 碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料界面優(yōu)化研究進(jìn)

31、展J. 高科技纖維與應(yīng)用, 2013 (3): 39-45.3 趙維維, 傅仁利, 顧席光, 等. 聚合物基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱性能J. 材料導(dǎo)報(bào), 2013 (5): 76-79.4 劉猛, 白書欣, 李順, 等. 界面設(shè)計(jì)對(duì) Sip/Al 復(fù)合材料組織和性能的影響J. 材料工程, 2014 (8): 61-66.5 Yu J, Huang X, Wu C, et al. Interfacial modification of boron nitride nanoplatelets for epoxy composites with improved thermal properties

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