复合材料的界面及界面优化.ppt
第三章复合材料的界面及界面优化,目标与要求,掌握界面定义、组成掌握界面的作用掌握界面理论掌握界面设计方法了解界面表征方法,一、复合材料的界面复合材料的界面是指基体与增强物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。,1、外力场2、基体3、基体表面区4、相互渗透区 5、增强剂表面区 6、增强剂,复合材料的界面示意图,界面特点,性能和结构上不同于基体和增强材料具有一定的厚度连接基体与增强体材料能够传递载荷,(1)传递效应 界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。(2)阻断效应 结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。(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、尺寸稳定性等。,二、界面的效应（1）,二、界面的效应（2）,(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、耐机械冲击及耐热冲击性等。(5)诱导效应 一种物质(通常是增强物)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，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等,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。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。,界面结合较差，增强体不能发挥作用；界面结合过强，材料破坏过程的裂纹容易扩展到界面，直接冲击增强体则呈脆性断裂。最佳状态的界面，裂纹沿界面扩展形成曲折的路径耗散较多的能量，即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。研究和设计界面时，不应只追求界面结合强度而应考虑到复合材料综合力学性能。,许多因素影响着界面结合强度，如表面几何形状、分布状况、纹理结构、表面杂质、吸附气体程度、吸水情况、表面形态、在界面的溶解、扩散和化学反应、表面层的力学特性、润湿速度等。,三、界面理论(1),机械结合 基体与增强材料之间不发生化学反应，靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。,在钢筋与混凝土之间的界面上会产生剪应力，为此，在预应力钢筋的表面带有螺纹状突起。,表面越粗糙，互锁作用越强，机械粘结作用越有效。但表面积随着粗糙度增大而增大，其中有相当多的孔穴，粘度大的液体是无法流入。造成界面脱粘的缺陷，而且也形成了应力集中点，影响界面结合。金属基体复合材料和陶瓷复合材料有这类结合方式 在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很难遇到，往往是机械粘结作用与其它粘结机理共同起作用。,三、界面理论(2),溶解和润湿结合主要是聚合物基体复合材料的结合形式。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶解，即物理和化学吸附作用。界面是溶质原子的过渡带。,浸润性是表示液体在固体表面上铺展的程度。浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润将使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触时的情况，而并不能表示界面的粘结性能。润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条件,在制备聚合物基复合材料时，树脂对增强材料的浸润性是指树脂能否均匀地分布在增强材科的周围，这是树脂与增强材料能否形成良好粘结的重要前提。在制备金属基复合材料时，液态金属对增强材料的浸润性，则直接影响到界面粘结强度。如W/Cu、W/Ni、C/Ni、BN/ZrO2的复合体系,三、界面理论(3)化学结合是指增强材料表面与基体表面发生化学反应，以化学键连接基体和增强体。从理论上可以获得较强的界面粘结,化学作用理论最成功的应用是偶联剂用于增强材料表面与聚合物基体的粘结。如硅烷偶联型具有两种性质不同的官能团，一端为亲玻璃纤维的官能团(X)，一端为亲树脂的官能团(R)，将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面上形成共价键结合。,多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度的界面反应。轻微的界面反应能有效的改善金属基体与增强体的浸润和结合，严重的界面反应将造成增强体的损伤和形成脆性界面相等十分有害。碳纤维/铝钛铜合金复合材料中，生成TiC，使界面附近的铝、铜富集。500时，在C纤维/铝材料在界面生成Al4C3脆性层,三、界面理论(4)复合材料的基体与增强材料间可以发生原子或分子的互扩散或发生反应，从而形成反应结合或互扩散结合。对于聚合物基体复合材料来说，这种粘结机理可看作为分子链的缠结。而对于金属和陶瓷基复合材料，两组元的互扩散可产生完全不同于任一原组元成分及结构的界面层。金属基复合材料中界面层常常是AB、AB2、A3B类型的脆性的金属间化合物,金属基和陶瓷基复合材料，形成界面层的主要原因之一是生产制备过程要经历高温。在高温下扩散极易进行，扩散系数D随温度呈指数关系增加，按照Arrhenius方程：D=D0 exp（-Q/RT）D：扩散系数；Q：扩散激活能。R为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。,其他结合 聚合物复合材料还有物理吸附理论、过渡层理论；金属基体和陶瓷基体复合材料还有物理结合理论 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。,三、界面理论(5),界面结合强度低，则增强纤维与基体很容易分离，在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象，起不到增强作用；但界面结合强度太高，则增强纤维与基体之间应力无法松弛，形成脆性断裂。在研究和设计界面时，不应只追求界面粘结而应考虑到最优化和最佳综合性能。,四、界面及界面改性方法,不同界面结合强度断裂纤维周围基体形态模型 a.弱界面结合状况 b.界面结合适中状况 c.界面结合过强状况,1、聚合物基复合材料界面界面结合有机械粘接与润湿吸附、化学键结合等。大多数界面为物理粘结，结合强度较低，结合力主要来自如色散力、偶极力、氢键等物理粘结力。偶联剂与纤维的结合（化学反应或氢键）也不稳定，可能被环境（水、化学介质等）破坏。一般在较低温度下使用，其界面可保持相对稳定。增强剂本身一般不与基体材料反应。,聚合物基复合材料界面改性原则：1）在聚合物基复合材料的设计中，首先应考虑如何改善增强材料与基体间的浸润性。一般可采取延长浸渍时间，增大体系压力、降低熔体粘度以及改变增强体织物结构等措施。）适度的界面结合强度）减少复合材料中产生的残余应力）调节界面内应力和减缓应力集中,不易与树脂结合，但易使树脂浸透，能使纤维间的空隙被树脂填充得较为密实；,(a),(b),(c),(d),能与树脂起较好的机械结合作用，但高粘度的基体有时很难完全浸润其表面，造成很多空隙，成为应力传递的薄弱环节。,聚合物基体复合材料改性方法、颗粒增强体 在热塑性聚合物基体加入两性相溶剂(增 容剂)，则能使液晶微纤与基体间形成结合良好的界面、纤维增强体复合材料界面改善 a)纤维表面偶联剂 b)涂覆界面层 c)增强体表面改性,2、金属基复合材料界面 金属基体在高温下容易与增强体发生不同程度的界面反应，金属基体多为合金材料，在冷却凝固热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相变等。金属基复合材料界面结合方式有化学结合、物理结合、扩散结合、机械结合。总的来讲，金属基体复合材料界面以化学结合为主，有时也会出现几种界面结合方式共存。金属基体复合材料的界面有3种类型：第一类界面平整、组分纯净，无中间相。第二类界面不平直，由原始组分构成的凸凹的溶解扩散型界面。第三类界面中含有尺寸在亚微米级的界面反应物。多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度的界面反应。,TiB2/NiAl原位复合材料,碳/铝（含镁）复合材料析出物形貌，有Mg17Al12化合物析出相,碳/铝复合材料界面微结构(a)快速冷却(b)慢速冷却,金属基复合材料界面类型,界面结合结合太弱，受载时，纤维大量拔出，强度低；结合太强，纤维受损，材料脆断，既降低强度，又降低塑性。只有界面结合适中的复合材料才呈现高强度和高塑性。,金属基复合材料的界面控制研究方法：1）对增强材料进行表面涂层处理 在增强材料组元上预先涂层以改善增强材料与基体的浸润性，同时涂层还应起到防止发生反应的阻挡层作用。2）选择金属元素 改变基体的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻挡层来控制界面反应。尽量避免选择易参与界面反应生成脆硬界面相、造成强界面结合的合金元素 3）优化制备工艺和参数 金属基体复合材料界面反应程度主要取决于制备方法和工艺参数，因此优化制备工艺和严格控制工艺参数是优化界面结构和控制界面反应的有效途径。,3、陶瓷基复合材料的界面,陶瓷基体复合材料指基体为陶瓷材料的复合材料。增强体包括金属和陶瓷材料。界面结合方式与金属基体复合材料基本相同，有化学结合、物理结合、机械结合和扩散结合，其中以化学结合为主，有时几种结合方式同时存在。,陶瓷基体复合材料界面控制方法 1）改变基体元素 例如：在SiCPCS纤维强化玻璃陶瓷（LAS，LiO，Al2O3，SiO2）中，添加百分之几的Nb（铌）时，热处理过程中会发生反应，在界面形成数微米的NbC相，获得最佳界面，从而达到高韧化的目的。2）增强体表面涂层 在玻璃、陶瓷作为基体时，使用的涂层材料有C、BN、Si、B等多种。防止成型过程中纤维与基体的反应，调节界面剪切破坏能力以提高剪切强度。纤维表面双层涂层处理是最常用的方法。其中里面的涂层以达到键接及滑移的要求，而外部涂层在较高温度下防止纤维机械性能降低。,五、残余应力,高聚物复合材料的残余应力是由于树脂和纤维热膨胀系数不同而产生和固化过程中树脂体积收缩产生化学应力。前者影响较大。残余应力的存在，导致材料粘结强度下降。残余应力对材料的影响程度依赖于纤维的含量、纤维与基体的模量比和纤维的直径金属复合材料残余应力来源于热和力学。设计过程要注意基体模量不能太低，膨胀系数要相差不大陶瓷复合材料 热膨胀系数的不同导致残余应力。纤维的膨胀系数往往大于基体材料。在一定程度下达到所追求的增韧机制。但基体和增强纤维都是脆性的，残余应力过大容易导致裂纹,六、界面的表征,现代科学的发展为复合材料界面的分析表征提供了强有力的手段。扫描电镜、红外光谱、紫外光谱、光电子能谱、动态力学分析、原子力显微镜等，在复合材料界面分析表征中得到充分的应用，为揭示界面的本质、丰富界面的理论作出了重要的贡献,未处理碳纤维的表面形态,低温等离子处理碳纤维表面形态,界面表面形态、结构的表征,氧等离子处理后，经80与苯乙烯反应4小时，接枝聚苯乙烯分子链的碳纤维照片,复合材料界面强度表征,1、常规分析法,（1）拔脱试验（测定界面粘接强度）,2、界面微脱粘法测定界面剪切强度,显微镜下用金刚石探针对复合材料中选定单根纤维根部施加轴向载荷，使这根纤维端部在一定深度内与周围基体脱粘。记录脱粘时的压力，建立微观模型，再进行有限元分析，计算出无限接近纤维周围表面的基体中最大的剪切应力，做为界面剪切强度,式中,（2）顶出法（适用于测定相对界面粘结强度）,七、复合材料界面优化设计,界面涉及原材料的选择、工艺方法和参数的设定、使用环境和条件的作用等诸多问题，以及这些条件的彼此相互交叉影响。可以考虑采取系统工程的方法加以解决。最后进行实际构件制造时，还要针对其工艺的现实性、经济性等方面进行综合评价。,参考文献,复合材料 吴人洁 天津大学出版社复合材料原理 闻荻江吴人洁 武汉工业大学出版社先进复合材料 胡保全 牛晋川 编 国防工业出版社,作业,复合材料的界面定义是什么，包括哪些部分？复合材料界面具有哪些效应，都有哪些界面理论聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料界面有哪些特点，都有哪些优化设计的方法？,谢谢！,界面特性与裂纹扩展,无界面剥离与滑动界面滑动界面剥离,1、裂纹扩展三类型（不发生纤维断裂）,2、裂纹剥离机理,裂纹向界面接近主裂纹尖端的界面剥离 主裂纹与剥离界面的合体,
