復合材料的界面

1、吉林化工學院材料科學與工程學院電子課件課程名稱：復合材料教師姓名：陳連發(fā) 授課對象：材料化學 授課學時：32 選用教材：復合材料概論-哈工大 2是指是指基體與增強物之間基體與增強物之間有顯著變化有顯著變化的、的、構成構成彼此結合的、能起彼此結合的、能起的微小區(qū)域。的微小區(qū)域。 界面界面，約，約，是一個區(qū)域或一個帶、，是一個區(qū)域或一個帶、或一層，它的厚度呈或一層，它的厚度呈不均勻分布狀態(tài)不均勻分布狀態(tài)。復合材料是由兩種及以上材料復合而成的，必然存在界面；復合材料是由兩種及以上材料復合而成的，必然存在界面；界面是基體和增強材料的結合處，即二者的分子在界面形成原界面是基體和增強材料的結合處，即二者的

2、分子在界面形成原子作用力，起到橋梁作用；子作用力，起到橋梁作用；界面又作為基體和增強材料之間傳遞載荷的媒介或過渡帶。界面又作為基體和增強材料之間傳遞載荷的媒介或過渡帶。3包含以下幾個部分：包含以下幾個部分：基體和增強物的部分基體和增強物的部分；基體與增強物相互作用基體與增強物相互作用，此，此的接觸面；的接觸面； 基體和增強物基體和增強物的的；增強物上的增強物上的；基體和增強物上基體和增強物上的的等。等。41一外力場；一外力場； 2-樹脂基體；樹脂基體；3-基體表面區(qū)；基體表面區(qū)；4-相互滲透區(qū)相互滲透區(qū) 5一增強劑表面；一增強劑表面；6-增強體增強體每一亞層的性能均與每一亞層的性能均與樹脂基體

3、樹脂基體和和增強劑增強劑的性質、的性質、偶聯劑偶聯劑的品種和性質、的品種和性質、復合材料的復合材料的成型方法成型方法等密切有關。等密切有關。五個亞層：五個亞層：并不是一個單純的幾何面，而是一個并不是一個單純的幾何面，而是一個，界面區(qū)是從，界面區(qū)是從與增強劑內部性質不同的某一點開始與增強劑內部性質不同的某一點開始，直到，直到與樹脂基體內整體性質相一致的點與樹脂基體內整體性質相一致的點間的區(qū)域。間的區(qū)域。5是是復合材料的特征復合材料的特征，歸納為以下幾種：歸納為以下幾種： (1) 界面能傳遞力，即界面能傳遞力，即，起，起到基體和增強物之間的橋梁作用。到基體和增強物之間的橋梁作用。 (2) 結合適當

4、的界面有結合適當的界面有、的作用。的作用。 (3) 在界面上產生在界面上產生和和的現象，如的現象，如抗電性抗電性、電感應性電感應性、磁性磁性、耐熱性耐熱性等。等。(4) 光波光波、聲波聲波、熱彈性波熱彈性波、沖擊波沖擊波等在等在界面界面。(5) 一種一種(通常是增強物通常是增強物)使另一使另一種種(通常是聚合物基體通常是聚合物基體)與與之接觸的物質的結構之接觸的物質的結構，由此產生一些現象，如，由此產生一些現象，如強的彈性強的彈性、低的膨脹性低的膨脹性、耐耐沖擊性沖擊性和和耐熱性耐熱性等。等。6既與既與界面結合狀態(tài)界面結合狀態(tài)、形態(tài)形態(tài)和和物理物理-化學性質化學性質等等有關，也與有關，也與界面

5、兩側組分材料的浸潤性界面兩側組分材料的浸潤性、相容性相容性、擴散性擴散性等等密切相聯。密切相聯。 基體和增強物基體和增強物結合在一起，結合在一起，對復合材料的性能有重要影響。對復合材料的性能有重要影響。一般是以一般是以分子間力分子間力、表面張力表面張力(表面自表面自由能由能)等表示的，而實際上有等表示的，而實際上有許多因素許多因素影響著影響著界面結合強度：界面結合強度：如：表面的如：表面的、；表面表面和和程度；表面程度；表面情況，情況，存在；存在；7由于由于相對于整體材料相對于整體材料所占比重甚微，欲所占比重甚微，欲單獨對某一單獨對某一性能性能進行度量有很大困難。進行度量有很大困難。因此常借于

6、因此常借于來來表征界面性能表征界面性能，如，如(ILSS)就是研究界面粘結的良好辦法；就是研究界面粘結的良好辦法；再配合再配合等即可等即可對界面的其他性能對界面的其他性能進行研究。進行研究。通過通過可看出，可看出，大多呈大多呈剪切破剪切破壞壞，且，且在材料的斷面在材料的斷面可觀察到可觀察到、等現象。等現象。但但呈呈脆性脆性也降低了材料的復合性能。也降低了材料的復合性能。8的衡量是的衡量是當受力發(fā)生開裂時當受力發(fā)生開裂時，這時復合材料具有，這時復合材料具有和和。 因此，在因此，在時，不應只追求時，不應只追求而應而應考慮到考慮到。由于由于且且、對于界面的、對于界面的結合強度結合強度、界面的、界面的

7、厚度厚度、界面、界面的的應力狀態(tài)應力狀態(tài)尚無直接的、準確的尚無直接的、準確的定量分析方法定量分析方法； 所以，對于所以，對于界面結合狀態(tài)界面結合狀態(tài)、形態(tài)形態(tài)、結構結構以及它對復合以及它對復合材料材料性能的影響性能的影響尚尚沒有適當的試驗方法沒有適當的試驗方法，通常需要借助，通常需要借助、等試驗逐步摸索和統(tǒng)等試驗逐步摸索和統(tǒng)一認識。一認識。9 人們一直非常重視人們一直非常重視，并有大量的文，并有大量的文獻報道，但由于獻報道，但由于材料的多樣化材料的多樣化及及界面的復雜性界面的復雜性，至，至今尚無一個今尚無一個來說明復合材料的界面行來說明復合材料的界面行為。為。10 復合材料在制備過程中，只要涉

8、及到復合材料在制備過程中，只要涉及到液相與固相的相互液相與固相的相互作用作用，必然就有，必然就有問題。問題。是復合的首要條件。是復合的首要條件。在制備在制備時，一般是把時，一般是把(液態(tài)樹液態(tài)樹脂脂)均勻地浸漬或涂刷均勻地浸漬或涂刷在在增強材料增強材料上。上。是指是指樹脂能否均勻地分布在增樹脂能否均勻地分布在增強材科的周圍強材科的周圍，這是，這是能否形成良好粘結能否形成良好粘結的重要前提。的重要前提。 在制備在制備時，時，液態(tài)金屬對增強材料的浸潤液態(tài)金屬對增強材料的浸潤性性，則直接影響到，則直接影響到。11（a a）不完全浸潤不完全浸潤（b）浸潤不良浸潤不良由由 可知可知。 0o時，時，完全浸

9、潤完全浸潤； 180o時，時，不浸潤不浸潤；0o 180o時，時，不完全浸不完全浸潤潤(或稱部分浸潤或稱部分浸潤)，隨角度下降，隨角度下降，浸潤的程度增加。浸潤的程度增加。 90o時常認為時常認為不發(fā)生液不發(fā)生液體浸潤體浸潤。是表示是表示。意味著意味著液體液體(基體基體)將在增強材料上鋪展開來將在增強材料上鋪展開來，并并覆蓋整個增強材料表面覆蓋整個增強材料表面。12對于一個結定的體系對于一個結定的體系，隨著隨著溫度、保持溫度、保持時間、吸附氣體等而變化時間、吸附氣體等而變化。浸潤性僅僅表示了浸潤性僅僅表示了，而并不能表示，而并不能表示。 一種體系的一種體系的可能有可能有，但，但它們之間的它們之

10、間的結合可能很弱結合可能很弱，如范德華物理鍵合形式。，如范德華物理鍵合形式。因此因此，只是兩個組元間可達到，只是兩個組元間可達到良良好粘結好粘結的必要條件，并非充分條件。的必要條件，并非充分條件。13二、化學鍵理論二、化學鍵理論 化學作用是指增強材料表面的化學基化學作用是指增強材料表面的化學基(圖中標有圖中標有x面面)與基體與基體表面的相容基表面的相容基(標有標有R面面)之間的化學粘結。之間的化學粘結。 化學化學(鍵鍵)作用理論最成功的應用是偶聯劑用于增強材料表面作用理論最成功的應用是偶聯劑用于增強材料表面與聚合物基體的粘結。如硅烷偶聯刑具有兩種性質不同的官能與聚合物基體的粘結。如硅烷偶聯刑具

11、有兩種性質不同的官能團，一端為親玻璃纖維的官能團團，一端為親玻璃纖維的官能團(X)，一端為親材脂的官能團一端為親材脂的官能團(R)，將玻璃纖維與樹脂粘結起來，在界面上形成共價鍵結合。將玻璃纖維與樹脂粘結起來，在界面上形成共價鍵結合。硅烷偶聯劑產生的化學粘結14三、物理吸附（機械作用）理論三、物理吸附（機械作用）理論 當兩個表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將發(fā)生機械當兩個表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將發(fā)生機械互鎖互鎖interlocking)。很顯然表面越粗糙，互鎖作用越強，很顯然表面越粗糙，互鎖作用越強，因此機械粘結作用越有效。因此機械粘結作用越有效。機械作用理論（機械作用理論（mecha

12、nical bonding）在受到平行于界面的作用力時，機械粘結作用可達到最在受到平行于界面的作用力時，機械粘結作用可達到最佳效果，獲得較高的剪切強度。但若界面受拉力作用時，除佳效果，獲得較高的剪切強度。但若界面受拉力作用時，除非界面有如圖中非界面有如圖中A處所示的處所示的錨固錨固形態(tài)，否則拉伸強度會形態(tài)，否則拉伸強度會很低。很低。在大多數情況下，純粹機械粘結作用很難遇到，往往是在大多數情況下，純粹機械粘結作用很難遇到，往往是機械粘結作用與其它機理共同起作用。機械粘結作用與其它機理共同起作用。15變形層理論變形層理論拘束層理論拘束層理論擴散層理論擴散層理論減弱界面局部應力作用理論減弱界面局部應

13、力作用理論16是衡量復合材料中增強體與基體間是衡量復合材料中增強體與基體間的一個指標。的一個指標。對復合材料對復合材料的影響很大，的影響很大，界面粘結過高或過弱界面粘結過高或過弱都是不利的。都是不利的。 開展復合材料開展復合材料和和，以便制得，以便制得具有具有的復合材料。的復合材料。下圖給出了下圖給出了影響復合材料界面效應的因素影響復合材料界面效應的因素及其與及其與復合復合材料性能材料性能的關系。的關系。1718中，中，界面層的作用界面層的作用首先是把施加在整體首先是把施加在整體上的力，上的力，這就需，這就需要有足夠的要有足夠的，粘接過程中，粘接過程中，兩相表面能相互兩相表面能相互潤濕潤濕是首

14、要的條件。是首要的條件。界面層的另一作用界面層的另一作用是是，以及，以及使增強纖維從基體拔出并發(fā)生摩擦使增強纖維從基體拔出并發(fā)生摩擦。這樣就可以。這樣就可以增大表面能增大表面能、拔出功拔出功和和摩擦功摩擦功等形式等形式以達到以達到提高其抗破壞能力提高其抗破壞能力。從以上兩方面綜合考慮，則要求從以上兩方面綜合考慮，則要求。19對對有兩種觀點有兩種觀點，一種是，一種是應介于應介于增強材料與基體材料之間增強材料與基體材料之間，最好形成，最好形成梯梯度過渡度過渡。另一種觀點是另一種觀點是低于增強材料與基低于增強材料與基體體，最好是一種類似橡膠的，最好是一種類似橡膠的彈性體彈性體，在受力時有較，在受力時

15、有較大的形變。大的形變。20前一種觀點從前一種觀點從來看，將會產生好的效果；來看，將會產生好的效果；后一種觀點按照后一種觀點按照，則可以將，則可以將集中于界面集中于界面的應力點的應力點迅速分散，從而提高整體的力學性能。迅速分散，從而提高整體的力學性能。前面的兩種觀點都前面的兩種觀點都有一定的實驗支持有一定的實驗支持，但是尚未得到定，但是尚未得到定論。論。然而無論如何，若然而無論如何，若，將會產生不良的效果，這是大家都公認的觀點。，將會產生不良的效果，這是大家都公認的觀點。21一、金屬基復合材料的界面一、金屬基復合材料的界面1、界面類型、界面類型類界面：平整型；不反應、不溶解；類界面：平整型；不

16、反應、不溶解；類界面：溶解擴散型；不反應但溶解；類界面：溶解擴散型；不反應但溶解；類界面：類界面： 界面反應型；發(fā)生反應。界面反應型；發(fā)生反應。22界面結合形式：界面結合形式：（1）物理結合：機械鉸合、摩擦結合；各向異性）物理結合：機械鉸合、摩擦結合；各向異性（2）溶解和浸潤結合：表面狀態(tài)至關重要；）溶解和浸潤結合：表面狀態(tài)至關重要；（3）反應結合：復雜多樣；與溫度相關）反應結合：復雜多樣；與溫度相關232、影響界面穩(wěn)定的因素、影響界面穩(wěn)定的因素高溫穩(wěn)定性非常重要。高溫穩(wěn)定性非常重要。物理因素：高溫熔融狀況。高溫下基體與增強體的互溶有利有弊。物理因素：高溫熔融狀況。高溫下基體與增強體的互溶有利

17、有弊。 鎢鎢/鎳（降低）；鎢錸鎳（降低）；鎢錸/鈮（增強）鈮（增強）化學因素：與界面化學作用有關化學因素：與界面化學作用有關連續(xù)界面反應；纖維側、基體側連續(xù)界面反應；纖維側、基體側交換式界面反應；元素交換（基體中至少兩種元素）交換式界面反應；元素交換（基體中至少兩種元素）暫穩(wěn)態(tài)界面反應；氧化層，不穩(wěn)定暫穩(wěn)態(tài)界面反應；氧化層，不穩(wěn)定243、殘余應力、殘余應力 物理相容性，主要是熱膨脹系數匹配物理相容性，主要是熱膨脹系數匹配 此外，金屬基體要有足夠的韌性和強度。此外，金屬基體要有足夠的韌性和強度。有關有關金屬基復合材料的界面控制金屬基復合材料的界面控制研究主要有以下兩方面：研究主要有以下兩方面：在

18、增強材料組元上在增強材料組元上以改善增強材料與基體的浸以改善增強材料與基體的浸潤性潤性，同時涂層還應起到，同時涂層還應起到防止發(fā)生反應的防止發(fā)生反應的。改變基體的合金成分改變基體的合金成分，造成，造成形成形成阻擋層阻擋層來來。25在在中，在碳纖維上涂中，在碳纖維上涂涂層；涂層；在在中采用中采用作涂層；在作涂層；在中用中用涂層等都是涂層等都是在增強材料表面預先涂層在增強材料表面預先涂層的例的例子。子。另外，在另外，在C/A1復合材料中，常用復合材料中，常用，由于，由于Ti的的富集富集形成一層形成一層，可大大，可大大提高復合材料的提高復合材料的拉伸強度和抗沖擊性拉伸強度和抗沖擊性。26二、陶瓷基復

19、合材料的界面二、陶瓷基復合材料的界面多數多數中中增強材料與基體之間不發(fā)生化學反應增強材料與基體之間不發(fā)生化學反應。有些陶瓷基材料的有些陶瓷基材料的增強材料與其基體的化學成分相同增強材料與其基體的化學成分相同。例如，如例如，如增強增強，這種復合材，這種復合材料也希望建立一個料也希望建立一個合適的界面合適的界面，即，即以提高其韌性。以提高其韌性。一般認為，陶瓷基復合材料需要一種既能一般認為，陶瓷基復合材料需要一種既能又能又能的界面層，這樣才能充分的界面層，這樣才能充分改善陶瓷材料韌性差改善陶瓷材料韌性差的缺點。的缺點。27表面光滑、表面活性低，表面光滑、表面活性低，難與基體通過物理難與基體通過物理

20、或化學作用發(fā)生牢固結合或化學作用發(fā)生牢固結合281、玻璃纖維、玻璃纖維玻璃纖維與樹脂界面粘接性不好；玻璃纖維與樹脂界面粘接性不好；采用偶聯劑涂層的方法對纖維表面進行處理。采用偶聯劑涂層的方法對纖維表面進行處理。偶聯劑的種類、數量、溫度、處理工藝等對基面結合特性偶聯劑的種類、數量、溫度、處理工藝等對基面結合特性影響很大影響很大表面處理劑處理玻璃纖維的方法：表面處理劑處理玻璃纖維的方法：1、前處理法：在玻璃纖維抽絲過程中涂覆到玻璃纖維上；、前處理法：在玻璃纖維抽絲過程中涂覆到玻璃纖維上；2、后處理法：、后處理法：3、遷移法：、遷移法：292 、碳纖維、碳纖維與碳纖維本身結構相關，碳纖維與樹脂的界面

21、結合力小，層間與碳纖維本身結構相關，碳纖維與樹脂的界面結合力小，層間剪切強度低；剪切強度低；處理方法：處理方法：氧化、沉積、電聚集、等離子體處理等。氧化、沉積、電聚集、等離子體處理等。氧化：液相氧化（陽極氧化）和氣相氧化（空氣、氧氣等）氧化：液相氧化（陽極氧化）和氣相氧化（空氣、氧氣等）沉積法：在高溫或還原性氣氛中，使烴類等以碳化物的形式在沉積法：在高溫或還原性氣氛中，使烴類等以碳化物的形式在表面形成沉積膜或晶須，實現表面改性；表面形成沉積膜或晶須，實現表面改性；303、芳綸纖維、芳綸纖維基于化學鍵理論，通過有機化學反應和等離子體處理，在基于化學鍵理論，通過有機化學反應和等離子體處理，在纖維表

22、面引進或產生活性基團，改善界面粘接性能。纖維表面引進或產生活性基團，改善界面粘接性能。4、金屬纖維、金屬纖維改善纖維的浸潤性和抑制纖維與金屬基體之間發(fā)生反應。改善纖維的浸潤性和抑制纖維與金屬基體之間發(fā)生反應。31常具有功能性，比如常具有功能性，比如、等復合材料。等復合材料。主要由主要由和和組成，或由組成，或由兩種兩種( (或兩種以上或兩種以上) )功能體功能體組成。組成。32在在中，其中，其功能性質功能性質雖然由雖然由功能功能體體提供，但提供，但基體基體不僅起到不僅起到，同時也會對復，同時也會對復合材料合材料有影響。有影響。可以具有可以具有多種功能多種功能，同時還有，同時還有可能由于可能由于而

23、出現而出現新的功能新的功能。因此，因此，成為成為功能復合材料的發(fā)展方向功能復合材料的發(fā)展方向。33材料材料在復合后在復合后所得的復合材料，依據其產生所得的復合材料，依據其產生，可分為兩大類：，可分為兩大類：一類復合效應為一類復合效應為；另一類則為另一類則為。在這在這兩類復合效應兩類復合效應中，又可以顯示出不同的特征。中，又可以顯示出不同的特征。平均效應相乘效應平均效應相乘效應平行效應誘導效應平行效應誘導效應相補效應共振效應相補效應共振效應相抵效應系統(tǒng)效應相抵效應系統(tǒng)效應復復 合合 效效 應應34復合材料復合材料一種復合效應。它可以表示為：一種復合效應。它可以表示為：ffmmcVPVPP式中，為

24、材料性能，為材料體積含量，角標式中，為材料性能，為材料體積含量，角標c、m、f分別表示復合材料、基體和增強體（或功能體）。分別表示復合材料、基體和增強體（或功能體）。復合材料的某些復合材料的某些，例如，例如電導電導、熱導熱導、密度密度和和彈性模量彈性模量等服從等服從這一規(guī)律。這一規(guī)律。例如，材料的例如，材料的，若用，若用混合率混合率來表示，則為來表示，則為ffmmcVEVEE35顯示這一效應的復合材料，它的顯示這一效應的復合材料，它的在復合材料在復合材料中，均中，均，既，既無制約無制約，也，也無補償無補償。 對于對于（如纖維）與（如纖維）與結合很弱結合很弱的復合材料，的復合材料，所顯示的復合效

25、應，可以看作是所顯示的復合效應，可以看作是。組成復合材料的組成復合材料的與與，在性能上在性能上，從，從而而提高了綜合性能提高了綜合性能，則顯示出，則顯示出。 對于對于與與復合時，兩相復合時，兩相間若能得到間若能得到適宜的結合適宜的結合而形成的復合材料，其性能顯示為而形成的復合材料，其性能顯示為與與。36組成復合材料時，若組成復合材料時，若組分間性能組分間性能，限制了整體性能提高限制了整體性能提高，則復合后顯示出，則復合后顯示出。 例如，例如，與與組成的復合材料，組成的復合材料，當當兩者界面結合很強時兩者界面結合很強時，復合材料整體顯示為，復合材料整體顯示為。37在在中，當中，當玻璃纖維表面玻璃

26、纖維表面選用適宜的選用適宜的處理后，與處理后，與組成的復合材料，由于組成的復合材料，由于強化了強化了界面的結合界面的結合，故致使材料的，故致使材料的比未處理纖維比未處理纖維組成的復組成的復合材料可高出合材料可高出30-40%，而且，而且也明顯提高。也明顯提高。但是，這種但是，這種同時卻導致了復合材料同時卻導致了復合材料。因此，在因此，在金屬基金屬基、陶瓷基增強復合材料中陶瓷基增強復合材料中，不一定是最適宜的。不一定是最適宜的。38兩種兩種復合，即可發(fā)生復合，即可發(fā)生。例如，把具有例如，把具有的材料與具有的材料與具有的材料的材料復合時，將可能產生具有復合時，將可能產生具有的復合材料。的復合材料。一種具有一種具有X/Y和另一種和另一種Y/Z復合起來，可用下列通式來表示，即：復合起來，可用下列通式來表示，即：ZXZYYX/./上式上式，所以稱