4复合材料的界面结合特性2.ppt
4.4 树脂基复合材料界面的破坏机理,4.4.1 界面破坏的能量流散概念4.4.2 介质引起界面破坏的机理4.4.3 金属基复合材料的界面稳定性,4.4 树脂基复合材料界面的破坏机理,假设：1）、从整体上假定复合材料中的纤维与基体是紧密地胶接在一起的；2）、分析组分的各自作用时，假定纤维与基体是完全分割的，各自有自己的应力行为。树脂固化时将对纤维产生压应力，而对基体则有拉应力。,4.4 树脂基复合材料界面的破坏机理,基体中拉应力,纤维中压应力,界面上剪应力,内应力,补充：复合材料断裂过程,脱粘或基体剪切破坏,初始开裂,纤维抽出,纵向拉伸破坏模式,应力分布区域化,B：空管C：基体无裂纹，纤维轮廓及断头不清晰D：基体有菱形裂纹,4.4.1 界面破坏的能量流散概念,当裂纹受到外因素作用时，裂纹的发展过程将是逐渐通过树脂最后到达纤维表面。在裂纹扩展的过程中，将随着裂纹的发展逐渐消耗能量，并且由于能量的流散而减缓裂纹的发展。,裂纹峰垂直于纤维表面的微裂纹,裂纹能量在界面上流散示意图,裂纹由于界面能量流散而减弱裂纹生长，或能量消耗在界面脱胶而分散了裂纹峰上的能量集中，因此未造成纤维的破坏。,树脂在玻璃纤维界面上生成的键可分为两种:1）范德华力（2.5104J/mol）2）化学键（(1.21.8)105J/mol）作用：能量流散时化学键的破坏将吸收更大的能量。,混乱分布的键,集中分布的键,化学键集中时，裂纹峰能量集中引起纤维的断裂,裂纹峰扩展破坏集中化学键,树脂层脱粘破坏,如果树脂与纤维界面上的化学键是分散的，裂纹发展受能量流散影响将引起脱粘破坏。,25%的硼纤维增强环氧树脂系统，采用80%亚聚氨酯进行纤维的间断涂层，其韧度提高400%，而强度几乎没有下降。,界面控制技术,间断粘结界面的裂纹在弱粘结区被钝化。,4.4.2 介质引起界面破坏的机理,清洁的玻璃表面暴露在大气中立即会吸附一层水分子。表面的引力可以通过连续的水膜传递。因此，玻璃表面经多层吸附而形成厚的水膜，并且加热到25时也不易除去。只有在真空中（0.0133Pa），800C下方可基本将物理和化学吸附水除去。玻璃纤维增强聚合物复合材料表面上的吸附水侵入界面后，发生水与玻璃纤维和树脂的化学变化，引起界面脱粘，造成复合材料的破坏。,4.4.2 介质引起界面破坏的机理,1)水对玻璃纤维的作用，碱性水破坏硅氧网络2）使基体水解，如碱催化聚酯树脂的降解3）溶胀，溶胀超过固化收缩后，产生拉应力。,进入界面的水将使树脂发生溶胀，初期的溶胀将抵消在室温下的固化收缩，当溶胀超过了固化收缩时，则界面上产生拉伸应力。当力大于界面粘结力时，产生界面破坏。,图4.12 界面上产生的径向拉伸应力示意图,水进入复合材料的途径,树脂黏度大，裹入的空气相连成通道水溶性无机物溶解树脂的热收缩在基体和界面上产生微裂纹,水的破坏作用：减小了纤维的内聚能，脆化了纤维材料,水助长裂纹的扩张，还有两方面的作用，就是（1）表面腐蚀导致表面缺陷或产生微弱腐蚀产物（2）凝结在裂纹顶端的水能产生相当大的毛细压力促进纤维中原有微裂纹的扩展，引起材料的破坏。,4.4.3 金属基复合材料的界面稳定性,受两类因素影响：物理方面的因素-高温下基体与增强体之间的溶融、溶解-析出化学方面的因素-使用过程中界面化学引起的：包括连续界面反应、交换反应和暂稳态界面的变化,物理方面的不稳定因素,例：用粉末冶金法制成的钨丝增强镍合金材料，由于成型温度较低，钨丝未溶入合金，故其强度基本不变，但在1100C左右使用50h，则钨丝直径仅为原来的60%，强度明显降低，表明钨丝已溶入镍合金基体中。,硼向外扩散以致纤维内部留下空洞，占面积10%以上,930C 下1小时,连续界面反应,化学方面的不稳定因素,交换反应：如碳纤维与铝含钛、铜合金的MMC中，由于钛与碳反应自由能低则优先形成碳化钛，造成界面附近铜、铝元素的富集，实验观察到确有CuAl2金属间化合物存在。暂稳态界面的变化：硼纤维增强Al，如用固态扩散方法，这层氧化膜将不会受到破坏，但它是不稳定的，在长期的热效应作用下，氧化膜会球化，这与残余的氧化层表面能有关，这种界面上出现的局部球化会影响复合材料的性能。,小结：复合材料界面破坏机理大致有三种：1.微裂纹破坏理论2.界面破坏理论3.化学结构破坏理论,4.5 复合材料界面优化设计 复合材料界面优化设计的含义是对复合材料界面相进行设计及控制，以使整体材料的综合性能达到最优状态。,综合考虑，最大限度地体现出整体优越性,界面的功能：传递应力、粘结与脱粘。复合材料界面的优化设计是一个复杂的因素。1、首先应该注意材料的应用要求；,2、弹性模量的设计；,3、界面的残余应力；,4、基体与增强体的相容性；,5、相间的动力学效果；,6、偶联剂的性能。,应用要求,1、制品首先满足的强度问题。,2、制品的工作环境。,3、制品的生产成本、使用寿命等。,Eg、纵向强度、横向强度、抗压强度等,Eg、潮湿环境下、酸性环境下、碱性环境下，紫外线多的环境下，要选择相对应的树脂。,Eg、对于某些工程材料在满足要求时尽量降低生产成本；,考虑使用年限等问题。,弹性模量的设计,见解1、界面相的模量应当介于增强体与基体之间；,见解2、保证相当的粘结程度下，界面相的模量应当是最低的；,界面相的模量不能大于基体和增强体的模量。,Why？,高模量的界面首先破坏，起不到传递力的作用，且造成裂纹源，形成增强体的低应力破坏,残余应力,足够重视,见解1、如何减弱复合材料界面的残余应力；,见解2、如何在材料中利用复合材料界面的残余应力；,影响复合材料性能的发挥和性能稳定,相容性,条件？,影响复合材料性能的发挥和性能稳定,G 0,保证增强体及基体充分接触,先决条件,各种外加剂的使用,动力学效果,润湿？,润湿程度,考虑,1、相间浸润的热力学效果,2、相间浸润的动力学效果,判断润湿程度,判断润湿过程及如何润湿,偶联剂的性能,界面改性剂,粘结基体和增强体的桥梁,化学功能,物理功能,其他结构因素,4.5 复合材料界面优化设计,4.5.1 改善树脂基复合材料的原则,1）改善树脂基体对增强材料的浸润程度2）适度的界面粘结3）减少复合材料成型中形成的残余应力4）调节界面内应力、减缓应力集中,4.5.2 金属基复合材料界面优化及界面反应控制的途径1）纤维增强体的表面涂层处理2）金属基体合金化3）优化制备工艺方法和参数,作业：,解释界面破坏的能量流散概念，并说明其在界面破坏上的应用。简述非树脂基复合材料的界面类型分类。如何对复合材料界面进行优化设计。,
