復(fù)合材料的界面結(jié)合特性

復(fù)合材料的界面結(jié)合特性第1頁(yè)/共46頁(yè)4.4樹脂基復(fù)合材料界面的破壞機(jī)理基體中拉應(yīng)力纖維中壓應(yīng)力界面上剪應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力第2頁(yè)/共46頁(yè)補(bǔ)充：復(fù)合材料斷裂過(guò)程脫粘或基體剪切破壞初始開裂纖維抽出縱向拉伸破壞模式第3頁(yè)/共46頁(yè)第4頁(yè)/共46頁(yè)第5頁(yè)/共46頁(yè)應(yīng)力分布區(qū)域化第6頁(yè)/共46頁(yè)第7頁(yè)/共46頁(yè)第8頁(yè)/共46頁(yè)第9頁(yè)/共46頁(yè)B：空管C：基體無(wú)裂紋，纖維輪廓及斷頭不清晰D：基體有菱形裂紋第10頁(yè)/共46頁(yè)4.4.1界面破壞的能量流散概念當(dāng)裂紋受到外因素作用時(shí)，裂紋的發(fā)展過(guò)程將是逐漸通過(guò)樹脂最后到達(dá)纖維表面。在裂紋擴(kuò)展的過(guò)程中，將隨著裂紋的發(fā)展逐漸消耗能量，并且由于能量的流散而減緩裂紋的發(fā)展。第11頁(yè)/共46頁(yè)裂紋峰垂直于纖維表面的微裂紋第12頁(yè)/共46頁(yè)裂紋能量在界面上流散示意圖裂紋由于界面能量流散而減弱裂紋生長(zhǎng)，或能量消耗在界面脫膠而分散了裂紋峰上的能量集中，因此未造成纖維的破壞。第13頁(yè)/共46頁(yè)第14頁(yè)/共46頁(yè)樹脂在玻璃纖維界面上生成的鍵可分為兩種:

1）范德華力（2.5×104J/mol）2）化學(xué)鍵（(1.2~1.8)×105J/mol）作用：能量流散時(shí)化學(xué)鍵的破壞將吸收更大的能量?；靵y分布的鍵集中分布的鍵第15頁(yè)/共46頁(yè)化學(xué)鍵集中時(shí)，裂紋峰能量集中引起纖維的斷裂第16頁(yè)/共46頁(yè)第17頁(yè)/共46頁(yè)裂紋峰擴(kuò)展破壞集中化學(xué)鍵第18頁(yè)/共46頁(yè)樹脂層脫粘破壞如果樹脂與纖維界面上的化學(xué)鍵是分散的，裂紋發(fā)展受能量流散影響將引起脫粘破壞。第19頁(yè)/共46頁(yè)第20頁(yè)/共46頁(yè)25%的硼纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂系統(tǒng)，采用80%亞聚氨酯進(jìn)行纖維的間斷涂層，其韌度提高400%，而強(qiáng)度幾乎沒有下降。界面控制技術(shù)間斷粘結(jié)界面的裂紋在弱粘結(jié)區(qū)被鈍化。

第21頁(yè)/共46頁(yè)4.4.2介質(zhì)引起界面破壞的機(jī)理清潔的玻璃表面暴露在大氣中立即會(huì)吸附一層水分子。表面的引力可以通過(guò)連續(xù)的水膜傳遞。因此，玻璃表面經(jīng)多層吸附而形成厚的水膜，并且加熱到25℃時(shí)也不易除去。只有在真空中（0.0133Pa），800°C下方可基本將物理和化學(xué)吸附水除去。玻璃纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料表面上的吸附水侵入界面后，發(fā)生水與玻璃纖維和樹脂的化學(xué)變化，引起界面脫粘，造成復(fù)合材料的破壞。第22頁(yè)/共46頁(yè)4.4.2介質(zhì)引起界面破壞的機(jī)理1)水對(duì)玻璃纖維的作用，堿性水破壞硅氧網(wǎng)絡(luò)2）使基體水解，如堿催化聚酯樹脂的降解3）溶脹，溶脹超過(guò)固化收縮后，產(chǎn)生拉應(yīng)力。第23頁(yè)/共46頁(yè)進(jìn)入界面的水將使樹脂發(fā)生溶脹，初期的溶脹將抵消在室溫下的固化收縮，當(dāng)溶脹超過(guò)了固化收縮時(shí)，則界面上產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。當(dāng)力大于界面粘結(jié)力時(shí)，產(chǎn)生界面破壞。

圖4.12界面上產(chǎn)生的徑向拉伸應(yīng)力示意圖第24頁(yè)/共46頁(yè)第25頁(yè)/共46頁(yè)水進(jìn)入復(fù)合材料的途徑樹脂黏度大，裹入的空氣相連成通道水溶性無(wú)機(jī)物溶解樹脂的熱收縮在基體和界面上產(chǎn)生微裂紋第26頁(yè)/共46頁(yè)水的破壞作用：減小了纖維的內(nèi)聚能，脆化了纖維材料第27頁(yè)/共46頁(yè)水助長(zhǎng)裂紋的擴(kuò)張，還有兩方面的作用，就是（1）表面腐蝕導(dǎo)致表面缺陷或產(chǎn)生微弱腐蝕產(chǎn)物（2）凝結(jié)在裂紋頂端的水能產(chǎn)生相當(dāng)大的毛細(xì)壓力促進(jìn)纖維中原有微裂紋的擴(kuò)展，引起材料的破壞。第28頁(yè)/共46頁(yè)第29頁(yè)/共46頁(yè)

4.4.3金屬基復(fù)合材料的界面穩(wěn)定性受兩類因素影響：物理方面的因素-高溫下基體與增強(qiáng)體之間的溶融、溶解-析出化學(xué)方面的因素-使用過(guò)程中界面化學(xué)引起的：包括連續(xù)界面反應(yīng)、交換反應(yīng)和暫穩(wěn)態(tài)界面的變化第30頁(yè)/共46頁(yè)物理方面的不穩(wěn)定因素例：用粉末冶金法制成的鎢絲增強(qiáng)鎳合金材料，由于成型溫度較低，鎢絲未溶入合金，故其強(qiáng)度基本不變，但在1100°C左右使用50h，則鎢絲直徑僅為原來(lái)的60%，強(qiáng)度明顯降低，表明鎢絲已溶入鎳合金基體中。第31頁(yè)/共46頁(yè)第32頁(yè)/共46頁(yè)硼向外擴(kuò)散以致纖維內(nèi)部留下空洞，占面積10%以上930°C下1小時(shí)連續(xù)界面反應(yīng)第33頁(yè)/共46頁(yè)化學(xué)方面的不穩(wěn)定因素交換反應(yīng)：如碳纖維與鋁含鈦、銅合金的MMC中，由于鈦與碳反應(yīng)自由能低則優(yōu)先形成碳化鈦，造成界面附近銅、鋁元素的富集，實(shí)驗(yàn)觀察到確有CuAl2金屬間化合物存在。暫穩(wěn)態(tài)界面的變化：硼纖維增強(qiáng)Al，如用固態(tài)擴(kuò)散方法，這層氧化膜將不會(huì)受到破壞，但它是不穩(wěn)定的，在長(zhǎng)期的熱效應(yīng)作用下，氧化膜會(huì)球化，這與殘余的氧化層表面能有關(guān)，這種界面上出現(xiàn)的局部球化會(huì)影響復(fù)合材料的性能。第34頁(yè)/共46頁(yè)小結(jié)：復(fù)合材料界面破壞機(jī)理大致有三種：1.微裂紋破壞理論2.界面破壞理論3.化學(xué)結(jié)構(gòu)破壞理論第35頁(yè)/共46頁(yè)4.5復(fù)合材料界面優(yōu)化設(shè)計(jì)復(fù)合材料界面優(yōu)化設(shè)計(jì)的含義是對(duì)復(fù)合材料界面相進(jìn)行設(shè)計(jì)及控制，以使整體材料的綜合性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。綜合考慮，最大限度地體現(xiàn)出整體優(yōu)越性界面的功能：傳遞應(yīng)力、粘結(jié)與脫粘。復(fù)合材料界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的因素。

1、首先應(yīng)該注意材料的應(yīng)用要求；>>>>>2、彈性模量的設(shè)計(jì)；>>>>>

3、界面的殘余應(yīng)力；>>>>>

4、基體與增強(qiáng)體的相容性；>>>>>

5、相間的動(dòng)力學(xué)效果；>>>>>6、偶聯(lián)劑的性能。>>>>>第36頁(yè)/共46頁(yè)應(yīng)用要求1、制品首先滿足的強(qiáng)度問(wèn)題。2、制品的工作環(huán)境。3、制品的生產(chǎn)成本、使用壽命等。Eg、縱向強(qiáng)度、橫向強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等Eg、潮濕環(huán)境下、酸性環(huán)境下、堿性環(huán)境下，紫外線多的環(huán)境下，要選擇相對(duì)應(yīng)的樹脂。Eg、對(duì)于某些工程材料在滿足要求時(shí)盡量降低生產(chǎn)成本；考慮使用年限等問(wèn)題。第37頁(yè)/共46頁(yè)彈性模量的設(shè)計(jì)見解1、界面相的模量應(yīng)當(dāng)介于增強(qiáng)體與基體之間；見解2、保證相當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)程度下，界面相的模量應(yīng)當(dāng)是最低的；界面相的模量不能大于基體和增強(qiáng)體的模量。Why？高模量的界面首先破壞，起不到傳遞力的作用，且造成裂紋源，形成增強(qiáng)體的低應(yīng)力破壞第38頁(yè)/共46頁(yè)殘余應(yīng)力足夠重視見解1、如何減弱復(fù)合材料界面的殘余應(yīng)力；見解2、如何在材料中利用復(fù)合材料界面的殘余應(yīng)力；影響復(fù)合材料性能的發(fā)揮和性能穩(wěn)定第39頁(yè)/共46頁(yè)相容性條件？影響復(fù)合材料性能的發(fā)揮和性能穩(wěn)定△G<0保證增強(qiáng)體及基體充分接觸先決條件各種外加劑的使用第40頁(yè)/共46頁(yè)動(dòng)力學(xué)效果潤(rùn)濕？潤(rùn)濕程度考慮1、相間浸潤(rùn)的熱力學(xué)效果2、相間浸潤(rùn)的動(dòng)力學(xué)效果判斷潤(rùn)濕程度判斷潤(rùn)濕過(guò)程及如何潤(rùn)濕第41頁(yè)/共46頁(yè)偶聯(lián)劑的性能界面改性劑粘結(jié)基體和增強(qiáng)體的橋梁化學(xué)功能物理功能其他結(jié)構(gòu)因素第42頁(yè)/共46頁(yè)4.5復(fù)合材料界面優(yōu)化設(shè)計(jì)4.5.1改善樹脂基復(fù)合材料的原則1）改善樹脂基體對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)程度2）適度的界面粘結(jié)3）減少?gòu)?fù)合材料成型中形成的殘余應(yīng)力4）調(diào)節(jié)界面內(nèi)應(yīng)力、減緩應(yīng)力集中第43頁(yè)/共46頁(yè)4.5.2金屬基復(fù)合材料界面