复合材料界面及应用

复合材料界面及应用,主讲教师：李志成,新能源材料与器件的研究与开发:MaterialsforIT-SOFCs;MaterialsforLi-ionBattery(CeramicLi-ionBattery).,功能陶瓷材料的设计、制备与表征：(e.g.Thermistors,ferroelectrics,piezoelectrics,etc.),PresentResearchInterests,特殊陶瓷材料、微晶玻璃材料及应用:,参考书,复合材料的结构与性能邹祖玮主编科学出版社,固体材料界面闻立时主编中国科学院金属研究所,纳米功能复合材料李凤生等编著国防工业出版社,其它复合材料方面的参考书及文献资料,复合材料基体与界面赵玉庭、姚希，上海华东化工出版社,课程考核,结合自己的研究生课题，在认真阅读几篇有关复合材料的文献资料的基础上，完成一篇课程结题报告。报告内容包括：材料成分选择、希望的相组成设计、制备方法与工艺过程、性能提高的可能性及相关原理等。列出相关的参考文献。结题报告须以纸质形式、在最后一次上课时间上交。鼓励以个人或团队形式上讲台介绍有关复合材料界面的相关内容（可获得5-10分的成绩奖励）。,Outline,复合材料综述材料界面基础与界面理论复合材料界面处理材料界面研究方法复合材料界面研究与应用复合材料的弹性/非弹性性质复合材料的强度,界面研究一般包括以下几方面的内容：界面理论研究：润湿理论、化学键理论、吸附理论、静电作用理论、扩散理论、形变理论、约束层理论等；界面改性技术：对增强体或基体的表面改性技术、基体材料的表面接枝；防水、防雾、硬化等表面的加工技术；材料的复合方式和加工条件对界面形成的影响；界面改性剂、偶联剂的研制与应用：硅烷类、钛酸脂类，新型偶联剂的开发；界面层的组成、结构以及形态与复合材料的关系：在复合材料界面研究中占相当大的比例，如界面层的设计与控制、界面结晶、界面脱粘等；界面层及其性能表征和相关参数测试技术.,复合材料:是指两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体。另一相为分散相,称为增强材料。增强相可以是纤维和颗粒。在许多方面，传统的单一性能已不能满足实际需要，复合材料的开发与研究也就自然而然地成了材料科学也领域的一个重要分支。,塑料：是低密度材料，具有良好的短期化学稳定性和较好的耐环境性能，易成型，但力学性能较低、热稳定性较差。陶瓷：密度较低，热稳定性极高，耐腐蚀、磨蚀，磨损性能好，但脆性大，成型、加工困难。金属：中高密度材料（镁合金、铝合金的密度与塑料接近），大部分具有良好的热稳定性，在合金状态下具有一定的耐腐蚀能力，具有较高的力学性能和韧性，成型和连接性较好。但持久性能不太足。,取人之长，补己之短,复合材料的特点,复合材料的特点：1）由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的界面。2）各组分保持各自固有特性的同时，可最大限度地发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。3）复合材料具有可设计性。,复合材料的特点,1。复合材料可以实现性能的独特组合。如钨丝的刚度很好（405GPa），但密度大（19.3Mg/m3）碳纤维与环氧树脂复合材料的刚度可达306GPa,而密度只有1.5mg/m3.碳纤维本身的刚度比钨高得多（1000GPa），而密度只有2.6mg/m3。,3。复合材料可以出现某种原材料所不具备的物理性能。,复合材料的特点,2。复合材料可以在一定范围内实现性能的连续性。SiC/Al复合材料的热膨胀系数随组分的连续变化,复合材料的特点,结构材料：高比强度、高比模量，制成的构件重量轻、刚性高、强度高。从增韧、增强、高可靠性等出发，考虑各组元的复合。如碳纤维密度为1.85g/cm3,而强度达7000MPa。,功能材料:多功能、高品质因素（高性能），微型化和智能化。用PZT做的压电水声换能器（声纳）的优质因素为210-13/N，而将PZT与聚合物复合，则优质因素可达210-10/N。优质因素属声呐参数的组合名称SL-(NL-DS+DT)：在被动声呐中，等于允许的最大单程传播损失；在主动声呐中，在TS=0dB时，等于允许的最大双程传播损失。式中：SL为声源级，NL为环境噪声，GS为空间增益，GT为时间增益，DT为检测阈。,在日常生活上的应用,在信息技术上的应用,复合材料,开发新能源与节约能源,挖掘尚未被利用的能源,开发海洋与空间,使基础设施延长寿命,提高太阳能的转换率（光电池、框架）风力发电装置（大型化的叶片、支柱）核燃料（铀分离转子）；潮汐发电,基础设施建设的重要性高性能纤维增强混凝土，取代钢筋,镁（轻量、阻尼性能好，力学性能差）颗粒增强或晶须增强，扩大应用范围野生植物、无机矿物、电厂烟囱煤灰,耐高压、耐海水腐蚀的深海勘探装置（碳纤维增强树脂装置已潜入海下1000m）海上石油平台、空间站、航天器等,在能源与资源危机方面的贡献,复合材料,降低污染整体近净成形降低原材料用量节约加工能耗延长设施寿命功能膜支撑网格碳纤维缠绕气瓶废水治理厂管道,利用废弃物材料互补矿渣木屑废塑料麦杆稻草野生植物,“绿色”材料自然降解提高性能利用天然纤维透明农膜一此性餐具降解后变为肥料或饲料,在治理环境中可起的作用,上世纪，复合材料是由于军工的激励而发展起来的。现代战争是高科技的战争。隐身技术:主要使用具有隐身功能（吸收雷达波和红外线）的复合材料，它主要是由具有吸波纤维材料（如碳化硅纤维、碳纤维）以及其他吸波填料和聚合物树脂复合而成的。,在巩固国防的作用,增加重载比：各种武器都要求尽量降低本身重量来增加用于战斗的载荷，先进复合材料是胜任该要求的最好选择。各种导弹和军用飞机都大量采用、并且逐步向主承力结构上发展复合材料以代替重量大的金属。此外，碳基（碳-碳）复合材料的耐高温抗烧蚀性是各种材料之冠，因此导弹的再入鼻锥和发动机喷管即以此为首选材料。,复合材料界面,复合材料的界面是指基体与增强相之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的微小区域。复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域，约几个纳米到几个微米。此区域的结构与性质都不同于两相中的任何一相。这一界面区可由若干个亚层组成，每一亚层的性能都与基体和增强相的性质、复合材料成型方法有关。,复合材料的界面示意图,SCS6/25Al-10Nb-3V-1Mo复合材料界面透射电镜照片,复合材料界面,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。,复合材料界面,界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响。对于每一种复合材料都要求有合适的界面结合强度。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。,复合材料界面,1传递效应：界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。2阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂纹扩展、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、耐热性和磁场尺寸稳定性等。,复合材料界面,界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下5种效应：,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、耐机械冲击性等。5诱导效应：一种物质（增强剂）的表面结构使另一种（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，如强弹性、低膨胀性、耐热性和冲击性等。,复合材料界面,界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下5种效应：,材料的复合效应,显示复合材料最典型的一种复合效应（加和效应）Pc=PmVm+PfVfP为材料性能，V为材料体积含量；角标c、m、f分别表示复合材料、基体和增强体例：复合材料的弹性模量Ec=EmVm+EfVf,其组成复合材料的各组分在复合材料中，均保留本身的作用，既无制约也无补偿。例如：增强体(纤维)基体界面很弱的复合材料。,材料的复合效应,组成复合材料的基体与增强体，在性能上能互补，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复合时，两相间若能得到适宜的结合而形成的复合材料，其性能显示为增强体与基体的互补。Ni/BaTiO3复合材料，降低电阻又保持陶瓷的铁电特性。,材料的复合效应,基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。脆性的纤维增强体韧性基体复合材料(界面结合很强)，显示为脆性断裂。这种强结合的界面导致了复合材料冲击性能的降低。在金属基、陶瓷基增强复合材料中，过强的界面结合不一定是最适宜的。,材料的复合效应,两种具有转换效应的材料复合在一起，即可发生相乘效应。这样的组合可以非常广泛，已被用于设计功能复合材料。电磁效应材料磁光效应的材料电光效应复合材料。,材料的复合效应,在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用使另一组分材料的结构改变而改变整体性能或产生新的效应。这样的组合可以非常广泛，已被用于设计功能复合材料。(1)如结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或晶形基体的晶形取向作用。(2)在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中，由于碳纤维表面对基体的诱导作用，致使界面上的结晶状态与数量发生了改变，如出现横向穿晶等，这种效应对尼龙或聚丙烯起着特殊的作用。,材料的复合效应,两个相邻的材料在一定条件下，会产生机械的或电、磁的共振。由不同材料组分组成的复合材料其固有频率不同于原组分的固有频率，当复合材料中某一部位的结构发生变化时，复合材料的固有频率也会发生改变。利用这种效应，可以根据外来的工作频率，改变复合材料固有频率而避免材料在工作时引起的破坏。对于吸波材料，同样可以根据外来波长的频率特征，调整复合材料频率，达到吸收外来波的目的。,材料的复合效应,是一种材料的复杂效应，至目前为止，这一效应的机理尚不很清楚，但在实际现象中已经发现这种效应的存在。例如，交替叠层镀膜的硬度大于原来各单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值，说明组成了复合系统才能出现的现象。,材料的复合效应,ConductivityEnhancementofOxygenIonicConductorsbycompositeTechnology,FuelCells,SOFC,Electrochemistryenergy:(fuelcells)forR&D,Clean,Renewable,Non-pollution,(H2O,e)Portablebattery,Stationarypower,Electrochemistryenergy:(fuelcells)forR&D,ElectricityBackground,YSZ(Yttria-stabilizedzirconia)needstooperateat900-1000.CeO2-basedoxidesoperateatabout800,butitiseasilyreducedandresultsinelectronicconductivity.3.YSB(yttria-stabilizedbismuthoxide)hasthehighestconductivity,iseasilyreduced.4.LaGaO3-basedoxideshavegoodconductivity,noteasytobeprepared(evaporabilityofGa2O3)5.La10Si6O27basedelectrolytes(La9.33Si6O26)hightransferencenumber,highstability.HighsinteringT(1700).,ElectrolytecandidatesforSOFCs,Temperaturedependenceofconductivities,ElectrolytecandidatesforSOFCs,Highoperatingtemperaturemeetssomeproblems:sealingproblemselectionofconnectingmaterialsthermalmismatchbetweenmaterialsinter-reactionbetweenelectrolyteandelectrodeshighermanufacturingcost,Inordertoreducetheoperatingtemperature(500-700)andimprovetheperformanceofSOFCs,Oneoftheimportantworkistoenhancetheionicconductivityofelectrolyte,ElectrolytecandidatesforSOFCs,Ingeneral,therearetwopossibilitiestomakeanelectrolytewithhigherconductivity:tofindanewelectrolytematerialwithsuper-conductivitytooptimizethemicrostructuresofelectrolytebynoveltechnologies,ElectrolytecandidatesforSOFCs,Nanoscaleeffectsonionconductanceoflayer-by-layerstructuresofgadolinia-dopedceriaandzirconia,FromS.Azadet.al.Appl.Phys.Lett.,86(2005)131906,ElectrolytecandidatesforSOFCs,SrTiO3-YSZ-SrTiO3sandwich,FromJ.Garcia-Barriocanalet.al.,Science,321(2008)676,6-8orders,XRDspectraofthe15wt%LSO-85wt%CSOcomposites,CompositeElectrolytes,TEMimagesofthe15La9.33Si6O26-85Ce0.8Sm0.2O1.9nano-compositepowder,CompositeElectrolytes,Impedancespectraofthe15LSO-85CSOnano-compositeceramicmeasuredat200byACimpedancemeasurement(PrincetonModel263A),CompositeElectrolytes,LSO-CSO1:15wt%La9.33Si6O26+85wt%Ce0.8Sm0.2O1.9LSO-CSO4:5wt%La9.33Si6O26+95wt%Ce0.8Sm0.2O1.9LSO:La9.33Si6O26LSO-R:La9.33Si6O26，fromMater.Chem.Phys.,95(2006)313CS