复合材料的界面理论和界面控制.ppt

4复合材料的界面理论和界面控制,本章要求,了解复合材料界面的基本概念和界面结合类型；了解聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料的界面特征、界面要求及界面控制方法。了解复合材料界面性能的表征方法。,4复合材料的界面理论,4.1复合材料界面的基本概念4.2界面结合类型和界面模型4.3对界面的要求4.4聚合物基复合材料的界面及优化4.5金属基复合材料的界面及优化4.6陶瓷基复合材料界面及优化4.7复合材料界面性能的表征,4.1复合材料界面的基本概念,4.1.1界面定义4.1.2润湿与结合4.1.3复合材料中纤维与基体的界面相容性,国防科技大学航天与材料工程学院,4.1.1界面定义,4.1.1.1定义4.1.1.2原子配位的概念4.1.1.3复合材料中纤维与基体的界面,4.1.1.1定义,可以把任何两相（如纤维与基体）之间某种材料特性出现不连续性的区域叫做界面。这种不连续性可能是陡变的，也可能是渐变的。很显然，一个给定的界面，其所涉及的材料特性不连续性可以是一个也可以是几个。一般，界面在本质上是一个两维区域。,元素的浓度（concentrationofanelement）晶体结构（crystalstructure）原子的配位（atomicregistry）弹性模量（elasticmodulus）密度（density）热膨胀系数（coefficientofthermalexpansion）,材料的特性包括：,4.1.1.2原子配位的概念,上述大多数物理、化学或力学的不连续性都能够自释，而原子配位的概念还需要进一步详细说明。根据界面处原子配位的类型，可以将界面分为：共格界面半共格界面非共格界面,共格界面定义：界面处的原子属于两部分晶体所共有，即在界面两侧，原子位置之间存在一一对应的关系。如图4-1(a)所示。一般除孪晶（twin）外，晶体之间很难出现这种理想的原子配位（即界面没有变形，界面能接近于零）。共格界面的界面能比较低。,（1）共格界面（coherentinterface）,在大多数情况下，界面两侧的晶格常数不相等（即aa），共格界面处总是存在一定程度的弹性变形。如图4-1(b)所示。（111）(a)(b)图4-1共格界面的两种情况（a）共格孪晶界面；（b）一般共格界面,aa,一般共格界面,共格孪晶界面,界面处原子只有一部分是一一对应的，而其余则是由周期性出现的位错组成的。如图4-2所示。位错位错原子配位区原子配位区原子配位区图4-2半共格界面,（2）半共格界面（semi-coherentinterface）,在界面处的原子已经找不到任何对应关系。一般，这种非共格界面只有几个原子直径宽。在此区域，原子排列紊乱、不规则。,（3）非共格界面（in-coherentinterface）,也就是说，非共格界面处的原子排列与相邻晶体（和）的结构均不相同，与相邻晶粒结构也可能不相同。如图4-3所示。,4.1.1.3复合材料中纤维与基体的界面,界面形貌纤维与基体之间的界面是在制造过程中产生的；纤维与基体之间的界面是A-粗糙界面（roughinterface)，而不是B-理想的平面界面。纤维纤维A界面B界面基体基体图4-4复合材料中的界面A粗糙界面；B理想平面界面,在粗糙界面的情况下，通常是根据润湿（wettability)概念来研究纤维f与基体m之间的紧密接触。即f-m之间的紧密接触取决于液体m是否润湿纤维f。,液体（基体）m,固体（纤维）f,图4-5粗糙界面时纤维与基体的接触,4.1.2润湿与结合,4.1.2.1润湿性4.1.2.2润湿性与结合概念的区别,4.1.2.1润湿性,（1）润湿性的定义润湿性是用于描述液体在固体表面上自动铺展程度的术语。润湿性在促进结合或妨碍结合的机理方面是最关键的概念。,（2）润湿性的测量,温度升高方向950900100011001150,图4-7测量润湿性的滴球模型,润湿条件：,ls+lvsv即：液-固表面能+液-气表面能固-气表面能只有当系统自由能产生净减少(anetreduction)时，液滴才将铺展，并润湿固体表面。反之，则不会出现完全润湿。,润湿条件：,完全润湿时：=0完全不润湿时：=180部分润湿时：01000),Al2O3/Ti,B/Ti,SiC/Ti,Al2O3/Ni,SiO2/Al,B/Ni,B/Fe,B/不锈钢注：*表示伪类界面；*该体系在低温下生成Ni4V；*当两组元溶解度极低时划为类。,伪类(pseudo-classsystem)界面的含义：,热力学指出，两组分之间应有化学反应；氧化膜阻止反应进行；反应能否进行，取决于氧化膜的完整程度；工艺上宜采用固态法（如热压、粉末冶金、扩散结合），而不宜采用液态浸渗法。以上金属基复合材料界面的划分并无严格界线；伪类的情况也不是绝对的，如SiC/Al系。,4.2.2.2对W/Cu复合材料界面的研究,Petrasek和Weeton对W/Cu复合材料界面的研究（1964），分为4种情况：1）W/纯Cu系：在W丝周围既不溶解也无反应；2）W/Cu(Co、Al、Ni)系：发现W丝外表面晶粒因再结晶而粗大，这是由于基体中的合金元素（Co、Al、Ni）向W丝中扩散导致其再结晶温度下降的缘故，结果使W丝变脆；,3）W/Cu(Cr、Nb)系：发现合金元素向W丝中扩散、溶解和合金化，形成W(Cr、Nb)固溶体。此种情况对复合材料性能影响不大；4）W/Cu(Ti、Zr)系：W与Ti、W与Zr发生反应，并形成化合物。使复合材料强度和塑性下降。,4.2.3界面模型,4.2.3.1早期对界面的看法4.2.3.2型复合材料的界面模型4.2.3.3、型复合材料的界面模型,4.2.3.1早期对界面的看法,早期复合材料界面的看法：界面处无反应、无溶解，界面厚度为零；复合材料性能与界面无关；稍后则假设界面强度大于基体，因而基体产生的塑性流动将使纤维至纤维的载荷传递受到限制，这是所谓的强界面理论。它认为：基体最弱，复合材料强度取决于基体强度。预测复合材料力学性能的混合物定律（ROM）是根据强界面理论导出的。,4.2.3.2型复合材料的界面模型,Cooper和Kelly(1968)确定型界面：有机械互锁存在，且此界面性能与增强体和基体均不相同；复合材料性能受界面性能的影响，影响程度要看界面性能与基体、纤维性能的差异大小；型界面模型包括机械结合和氧化物结合两种界面类型。,图4-19型界面控制复合材料性能的因素,界面,i,i,i,i,型界面控制复合材料性能的因素有两类，即界面拉强度（i）和界面剪切强度（i）。,型界面控制复合材料性能的因素,受界面拉伸强度i控制的复合材料性能包括：横向强度、压缩强度以及断裂能量；受界面剪切强度i控制的复合材料性能包括：纤维临界长度lc（或称载荷传递长度）；纤维拔出情况下的断裂功以及断裂时基体的变形。,4.2.3.3、型复合材料的界面模型,（）概述认为界面是具有不同性能的、有一定厚度的界面带，界面带可能是由于元素扩散、溶解造成，也可能是反应造成。不论型或型界面，都对复合材料性能有显著影响。如B/Ti复合材料界面属于型，其横向破坏是典型的界面破坏，并在纤维一侧的界面处断裂。,图4-20、型界面控制复合材料性能的因素,M反应带Fimifimifmrffrm,基体拉伸强度,反应物拉伸强度,纤维拉伸强度,基体/反应物界面拉伸强度,纤维/反应物界面拉伸强度,纤维/反应物界面剪切强度,基体/反应物界面剪切强度,基体剪切强度,反应物剪切强度,纤维剪切强度,m基体拉伸强度；f纤维拉伸强度；r反应物拉伸强度；im基体反应物界面拉伸强度；if纤维反应物界面拉伸强度；m基体剪切强度；f纤维剪切强度；r反应物剪切强度；im基体反应物界面剪切强度；if纤维反应界面剪切强度。,、类界面控制的复合材料10类性能：,反应物的强度、弹性模量与基体和纤维的很不相同。反应物的断裂应变一般小于纤维的断裂应变，因此，反应物中常会先出现裂纹。裂纹的来源有二种：(a)在反应物生长过程中产生的裂纹（即反应物固有裂纹）；(b)在拉伸过程中产生的裂纹。,（）反应物拉伸强度r,少量反应（反应物厚度小于500nm）时，裂纹长度小，反应层断裂所引起的应力集中小于纤维固有裂纹所引起的应力集中，所以，纤维中的裂纹控制复合材料的强度。中等反应（反应物厚度500000nm）时，反应带中的裂纹开始控制复合材料强度，纤维在一定应变量后发生破坏。大量反应（反应物厚度10002000nm）时，反应带中的裂纹会导致纤维立即破坏。复合材料的性能主要由反应带中的裂纹所控制。,（）反应物裂纹的长度（一般等于反应物厚度）对复合材料性能的影响,由上述研究结果可见，在、型界面的复合材料中，反应带裂纹是否对复合材料性能产生影响，有一个临界厚度问题：高于此临界厚度，反应带裂纹将导致复合材料性能下降；低于此临界厚度，复合材料的纵向拉伸强度不仅不受影响，而且可能还会有好处。思考为什么？,关于反应带裂纹对复合材料性能影响的分析：,A反应带中裂纹两端是否有支撑物（surpport)主要是基体支撑，若基体弹性极限高，则裂纹开口困难，此时，可容许反应带厚度就大，即允许裂纹长B纤维对裂纹的耐受力大小如果纤维具有一定程度的塑性而不是完全弹性体，则反应带裂纹尖端产生的应力集中将使纤维产生塑性变形，从而松弛应力而不致断裂。若纤维是脆性的，则反应带中裂纹尖端造成的应力集中很容易使纤维断裂。,（）应考虑的其它因素,例子1：不锈钢丝Al系（纤维是韧性的）,基体Al,反应物FeAl（强度低，有裂纹）,不锈钢纤维中可观察到由于塑性变形而产生的滑移带,裂纹尖端,图4-21当纤维具有一定程度塑性时，反应物裂纹尖端产生的应力集中使纤维发生塑性变形。,例子2：C/Al系（纤维是脆性的）,基体,反应物,脆性纤维,纤维裂纹,当纤维是脆性时，反应物裂纹产生的应力集中使纤维断裂,图4-22脆性纤维应力集中图,4.3对界面的要求,4.3.1对界面的力学要求4.3.2对界面的物理化学要求4.3.3纤维复合材料受力时界面的力学环境,传递效应：传递载荷。阻断效应：阻止裂纹扩展，中断材料破坏、减缓应力集中。不连续效应：产生物理性能的不连续和界面摩擦出现的现象，如抗电性、磁性、耐热性等。散射和吸收效应：波在界面产生散射和吸收。诱导效应：一种物质（增强物）的表面结构使另一种（常为聚合物基体）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、低的膨胀性等。,对界面的要求(therequirementsfortheinterface),对界面的要求有二：（1）力学要求界面应能传递载荷。是对界面的主要要求。（2）物理化学要求要求界面在复合材料制造和整个服役期间的稳定性高。,4.3.1对界面的力学要求,4.3.1.1载荷传递与应力分布4.3.1.2界面结合强度对传递载荷的影响,对界面的力学要求,从力学观点出发，整个复合材料应该是一个理想的力学连续体。即复合材料中各组分（基体、界面、纤维）之间有完整的结合，整个界面具有均匀、恒定的界面强度。以保证界面传递载荷的功能，并决定了载荷在各组分中的分布状况。只有在复合材料中各组元是力学连续体的情况下，各组元才能对复合材料作出自己的贡献（既保持原有性能，又贡献自身的优点)。,4.3.1.1载荷传递与应力分布,对单向纤维增强复合材料施加纵向拉伸载荷时，载荷只能施加在复合材料的端面上，然后再以剪切方式传递到复合材料内部的纤维和基体上。分析截面A（夹头附近）和截面B（远离夹头处）的应力分布。,复合材料,m,f,B,A,载荷,B,A,夹头,图4-23纵向拉伸载荷作用下，单向纤维增强复合材料的模型,在A截面（夹头附近或夹头处）处，加在试样表面的外力在试样内引起不均匀变形。导致：在基体和纤维中产生的剪应力沿截面A的分布不均匀；在基体和纤维中产生的轴向正应力分布亦不均匀。,(1)截面A处的应力分布,(a)截面A处的剪切应力分布,贴近夹头表面层的基体变形比纤维大，从而引起较大的剪切应力;纤维/基体之间的界面处，剪切应力最大；由于试样中心的基体与纤维之间变形差较小，因此剪切应力水平下降。说明：剪应力沿截面A的分布不均匀。,图4-24截面A处剪应力分布,A,A,0,表面层的基体,中心的基体,表面层的基体,剪应力大,夹头,夹头,(b)截面A处的正应力分布,纤维中的正应力水平高，而基体中的正应力水平低。说明：在基体和纤维中产生的轴向正应力水平亦不均匀见下页图。,图4-25截面A处正应力分布,A,A,0,表示正应力,基体中正应力小,纤维中正应力大,夹头,夹头,(2)截面B处的应力分布,(A)截面B处剪切应力分布：在截面B处纤维、基体变形均匀，该处界面剪切应力为零；(B)截面B处正应力的分布：各组元承受轴向应力的大小取决于弹性模量E和应变，理论上只有轴向正应力存在：=E（正应力均匀分布）。产生横向应力见下页图。,B,B,B截面处界面剪应力为零,B,B截面处界面轴向正应力分布均匀,代表正应力,0,0,A,A,图4-26截面B处剪应力和正应力分布,（3）截面A至截面B的应力分布,变形由不均匀到均匀；界面剪切应力从最大值变化到零；界面正应力由不均匀分布到均匀分布；A至B的距离大约是4至5倍纤维直径，但在实际上要比此值大得多。,（2）横向应力的分析,在截面B处，除了轴向应力外，还产生横向应力。这是由于纤维与基体的收缩倾向不一致（泊松比不同）而造成的。在均匀变形过程中，界面处产生相互约束，因而产生横向应力（包括切向应力和径向应力r）；图4-27截面B处的横向应力,r,f,m,z,B截面,4.3.1.2界面结合强度对传递载荷的影响,（1）界面结合好的含义：界面两侧组元的原子结构在整个界面上呈连贯状态；界面强度均匀、恒定。则这样的界面：(a)能够顺利完成传递载荷的功能；(b)能够抵抗横向应力的产生，从而防止界面开裂。,（2）对界面的力学要求与加载类型的关系,纵向载荷对界面要求不高,横向载荷对界面要求高,非轴向载荷对界面要求更高,与疲劳有关的缺口拉伸载荷和交变载荷对界面的要求最高,缺口,图4-28加载类型与对界面的要求,4.3.2对界面的物理化学要求,4.3.2.1要求界面是理想的化学非连续体的理由4.3.2.2什么是理想的化学非连续体,对界面的物理化学要求,要求界面是理想的化学非连续体。即各组元间没有元素间相互扩散或化学作用。,4.3.2.1要求界面是理想的化学非连续体的理由,只有各组分保持各自的化学成份和结晶构造，在界面处不存在相互连系的过渡相（甚至没有共格或半共格相），界面才能有效地阻止裂纹的传播和扩展；只有两组元不发生化学作用，才能避免界面形成脆性连续相，乃至由脆性过渡相产生的裂纹所诱发的纤维破坏；只有元素间不发生扩散，才不致使基体塑性变差或使增强体产生凹陷和不平整缺口等缺陷。,4.3.2.2什么是理想的化学非连续体,只有热力学上相容的组分结合在一起才能符合化学非连续体的要求。如W/Cu系、定向共晶复合材料系。实际复合材料常常是化学连续体。因为在复合材料设计时，更多地是考虑组元性能的协调，性能搭配好了以后，再考虑组元间的相容性。如果相容性差，则从纤维表面处理或工艺方法上加以改进。,4.3.3纤维复合材料受力时界面的力学环境,4.3.3.1基本假设4.3.3.2连续纤维复合材料在纵向载荷下的力学性质4.3.3.3连续纤维复合材料在横向载荷下的力学性质4.3.3.4非连续纤维复合材料的界面力学性质4.3.3.5界面残余应力,4.3.3.1基本假设,（1）各组分的化学成份是不连续的，因此，各组分的力学性能在界面处的突变的（各自独立，无过渡态）；（2）界面或是完全结合（界面强度大于基体），或是完全不结合（不能承受拉力或剪力），而无中间状态（中间状态即是弱结合状态，界面受力情况复杂）；（3）等应变；（4）纤维整列良好。,4.3.3.2连续纤维复合材料在纵向载荷下的力学性质,纵向载荷的载荷方向与纤维平行在纵向载荷作用下，复合材料内部任何一点处都产生三轴应力，即轴向应力径向应力切向应力,横向应力,（1）在弹性范围内的应力状态,由于纤维与基体的弹性模量不同，故：纤维比基体的轴向应力高，界面处轴向应力最高；横向应力与轴向应力相比，其值很小；在简单拉伸时，纤维、基体和界面的应力状态均为三向。,（2）塑性范围内的应力状态,（A）界面横向应力大大增加。基体开始变形时，其有效泊松比(effectivePoissonsratio)增加：从弹性变形时的0.34增加到理想塑性“泊松比”的0.5（对Al来说）。使基体与纤维的泊松比之差进一步增大，故横向应力大大增加。轴向应变越大，横向应力则越大。如不锈钢丝（50%）/Al系，当纤维弹性基体塑性变形时，横向应力达到轴向应力的40%（见下页图）。,轴向应变,基体应力（芯部）,弹-弹,轴向应力,横向应力,0,弹-塑,塑-塑,图4-29不锈钢丝（50%）/Al系的横向应力,(B)产生了横向约束界面上产生的横向应力具有约束和阻止塑性纤维产生缩颈(necking)的作用，使复合材料强度有所提高。但纤维体积分数越大，有效的约束作用越小。,（C）横向应力影响混合物定律的计算在求导并联（纵向）性能的混合物定律(ROM)时，没有考虑纵向拉伸时的横向应力的影响。应当明确：一旦纤维与基体产生结合，必定有横向应力产生。因此，ROM计算的强度值是复合材料纵向强度的下限。在纵向拉伸载荷下产生的横向应力一般较小，特别是因陶瓷纤维的断裂应变很小，不允许基体产生大量塑性变形，故在界面处产生的横向应力值很小。,总之，纵向拉伸对界面结合要求不高，可以不考虑横向应力。但当界面上存在很厚的反应产物时，必须考虑横向应力的影响。然而，反应产物厚度的增加，只是因反应产物中裂纹应力集中影响了纵向拉伸强度，而不是界面应力状态的改变。,结论,4.3.3.3连续纤维复合材料在横向载荷下的力学性质,横向载荷的载荷方向与纤维垂直界面的应力分布用应力集中系数(=max/av)描述见下页图,（1）横向载荷,0,90,应力集中系数,P,m,f,P,1.5,04590,r,r,图4-30横向载荷下的应力集中系数,在横向载荷下围绕界面的应力分析,当=0时，正应力r具有最大值。然后随着角增加而减小；当=7090时，正应力由拉伸应力变成压缩应力。剪应力r在=45时为最大；45时，r减小。,结论,(a)横向载荷下，界面所受最大应力不是剪切应力，而是拉伸或压缩正应力，界面不是剪切破坏，而是以脱节为主。脱节首先从=0开始，如图：,脱节首先从=0开始，界面在与外加载荷一致的方向脱节，脱节多少与拉伸界面应力的大小相对应。,图4-31横向载荷下界面的脱节,(b)横向载荷下最大界面应力的数量级与所加载荷相当。而纵向载荷时界面应力总小于所加载荷，故横向载荷时界面结合强度对复合材料显著影响。,（2）横向强度与纤维体积分数和纤维排列的关系,(a)Vf越大，复合材料的横向强度与基体强度的比值（c/m）越低；理想结合时，高于未结合状态；六方排列时，高于四方排列状态。,(b)横向载荷下产生的最大界面正应力集中系数max/av的变化规律：当Vf50%时，四方排列和六方排列，max/av均增大，而且四方排列比六方排列时增加得快。见下页图。,Vf（%）,Vf（%）,c/m,max/av,B/Al六方排列,B/Al四方排列,理想结合,Al2O3/Ni四方排列,Al2O3/Ni六方排列,不结合,四方排列,六方排列,50,Ef/Em=20,图4-33纤维体积分数对max/av的影响,图4-32纤维体积分数和界面结合程度对c/m的影响,4.3.3.4非连续纤维复合材料的界面力学性质,（1）非连续纤维上的应力分布(A)建立剪滞模型(shearlagmodel)假定：基体可以通过界面剪切应力将载荷传递到纤维上；不考虑邻近纤维、纤维端部及邻近纤维端部的复杂应力状态等因素的影响；EfEm。,加载前的剪滞模型,基体,纤维,加载中和加载后，基体中弹性变形不均匀。,图4-34剪滞模型,剪滞模型分析,在一给定的外加拉伸载荷作用下，纤维和基体都开始弹性变形，由于EfEm,故纤维抑制与之相邻区域基体的变形，造成基体中弹性变形不均匀；沿短纤维/基体界面上的界面剪切应力I和纤维拉伸应力I在纤维长度方向上呈不均匀分布。这种不均匀性与短纤维长度l与直径df之比(l/df)以及Ef/Em有关。,(B)短纤维上的正应力分布,在短纤维两端，正应力为零；在纤维中部，正应力达最大值；当l/df=(lc/df)时，在短纤维中点可能达到的最大应力为f=fu，纤维在中点被拉断；当l/dflc/df时，纤维两端正应力由零逐渐升高，从端部至(1/2)lc达到最大值，并在中段保持此应力值，当最大应力值达到fu时，可以拉断纤维。断口发生在中段某处。,(C)短纤维上的剪应力分布,剪切应力在纤维两端最大，向中心逐渐减小，两端的剪应力方向相反；在纤维中部剪应力为零；在理论分析时，将剪应力简化为均匀分布。,lc/2,lc/2,lc/2,lc/2,llc/df时，纤维受力不再增大，但复合材料的断裂方式有所改变。,(a)基本概念,df,dz,纤维半径r,在dz长纤维上力的平衡：r2d(z)=2ri(dz)式中，d(z)为dz长纤维上的正应力；i为dz长纤维上的剪应力。为简化分析，可以看成线性分布。,(b)剪切套筒模型,基体,图4-36剪切套筒模型,当纤维中点的正应力值达到fu时，可对上式积分：0fur2d(z)=0l/22ri(dz)r2fu=2ri(l/2)l=rfu/i=fudf/(2i)所以l=lc时，lc/df=fu/(2i),(c)纤维临界长度和临界纵横比的物理意义,lc或lc/df是发挥纤维最大强度，或发挥纤维最大增强作用所需要的最小纤维长度，或纤维最小纵横比；l/dflc/df，复合材料是纤维拔出型破坏；l/dflc/df，复合材料是纤维拉断型破坏；因此，lc和lc/df是复合材料从纤维拔出破坏到纤维断裂破坏转折的最小纤维长度，或纤维最小纵横比。,(d)对纤维临界长度lc=dffu/(2i)的进一步分析：,当fu的本征值大时，则对应的lc增大。反之，当fu小时，则lc减小；当界面剪切应力i小且df不变时，lc愈大（为了增大界面的剪切力，所需的剪切面积就应越大。因此需要增加纤维长度，即需要增大lc）。反之，i大，则lc小。,（3）影响短纤维界面应力的其它因素,纤维临界长度lclc/df=fu/(2i)泊松比相邻纤维的间距体积分数纤维端距/纤维间距Ef/Em纤维与基体的结合情况基体的塑性,(a)泊松比的影响,弹性范围内，横向应力（主要是径向应力r）值很小；塑性范围内，由于纤维泊松比（f）与基体泊松比（m）差别增大，使径向应力r增大。而且，（m-f）越大，则径向应力r就越大。此外，还会在基体中产生周向拉伸应力。由于它对纤维有箍紧作用。因而增加了界面摩擦力。,(b)纤维间距与纤维体积分数的影响,当纤维体积分数Vf增加时，纤维间距减小，可以有较多的纤维承担载荷。因此，纤维断裂增加，而纤维拔出倾向降低。,纤维易断裂,纤维易拔出,(c)纤维端距(gap)的影响,如果纤维端部与基体结合良好，纤维末端也可以传递载荷。端距越小，则通过端面传递载荷的比例就越大，因而降低了沿纤维界面的剪切倾向。其效果相当于使界面剪切强度增大，即允许lc下降。因此当纤维端距较小时，更短的纤维就可以发挥同样的增强效果。,纤维端距小，则lc小。,纤维端距大，则lc大。,(d)纤维端距/纤维间距(gap/width)的影响,界面正应力（normalinterfacialstress)界面径向压缩应力界面径向拉伸应力,在短纤维端头界面上产生界面径向压缩应力rc。它会增加基体与纤维之间的摩擦，促进载荷的有效传递。界面径向压缩应力与基体平均应力之比值(rc/av)与纤维端距/纤维间距之比值(gap/width)有关。,纤维,界面径向压缩应力,基体,界面径向压缩应力,图4-37纤维端距(gap)/纤维间距(width)的影响,gap/width,rc/av（%）,Vf=67%,Vf=50%,Vf=30%,0.21,gap/width愈小（例如0.2），则界面径向压缩应力与基体平均应力的比值rc/av愈小；当gap/width增大到一定比值时，rc/av主要取决于Vf（即取决于width，因为Vf越大，则width越小）：Vf越大，则rc/av越大。,界面径向拉伸应力,在短纤维附近的连续纤维界面上，有较大的界面径向拉伸应力出现，即在相邻纤维界面上产生rt（A点）。这是由于在短纤维两端之间的基体区具有高应力，而产生局部收缩所造成的。基体收缩越大，或产生了塑性变形，则rt越大。rt随着纤维间隙(width)减小而稍有降低。,（e）塑性变形过程及影响,塑性变形一般开始于纤维端部角上，沿纤维/基体界面向外延伸。塑性变形会降低剪切应力集中，增加纤维的载荷传递长度(lc)。促使纤维发挥最大增强作用。当界面强度低于基体强度时，基体发生塑性变形是有利的；如果界面断裂由脆性化合物的断裂应变控制，则基体塑性变形是有害的。,典型的临界纤维长度lc和临界长度比lc/d,疲劳过程产生的基体横向裂纹群,450MPa，1340周，100,（箭头所指为单条基体横向裂纹，疲劳应力400MPa，13400周，100）,表Cf/SiC复合材料的界面滑移强度,注：*采用最小裂纹间距得到，*采用理论裂纹最小间距得到。,毫无疑问，稳定的裂纹间距l应该在lm2lm之间，并且l的最小值等于lm，其平均值等于1.5lm。,结论,短纤维界面除承受轴向、径向、切向正应力外，还承受较大的剪切应力，因此，非连续纤维增强复合材料的界面是最复杂、最严重、最难分析的界面情况。,4.3.3.5界面残余应力(residualstressesatinterfaces),（1）热残余应力由于组元热膨胀系数不同，导致在制造过程中的收缩不同，在界面处产生很高水平的热应力。（2）形变残余应力由于各组元屈服强度不同，在外力作用下，发生不均匀塑性流变，产生残余应力。（3）相变残余应力当一个组元发生相变并引起体积变化时，受到另一个组元的机械约束，从而产生残余应力。,（1）热残余应力对界面及复合材料性能的影响,若热残余应力为拉伸型，则使界面结合减弱；若为压缩型，则界面结合会加强。由冷却过程产生的热残余应力，尽管径向应力可能是压缩型的，但总的来讲是拉伸性质，因此将导致界面结合弱和复合材料性能下降。热应力水平很高，如B/(50vol%)/Al系，处于弹性范围时，每下降1，热应力升高17MPa，下降500，热应力升高853MPa。这种应力水平往往会引起基体变形或开裂。,（2）形变残余应力的作用,由于形变残余应力往往与热残余应力的符号相反，故可以利用形变来抵消或减轻热残余应力的有害影响。当复合材料中有热应力存在时，在拉伸试验前进行预应变（沿纤维方向）可以显著改善材料性能。对复合材料进行横向轧制(crossrolling)后，基体产生加工硬化，也可以改善其强度。,（3）相变残余应力的作用,界面残余应力与金属材料的相变残余应力类似；在陶瓷基复合材料中，如果组元相变时产生体积膨胀，则对增韧有一定的作用。,小结,1）纤维/基体之间的界面是复合材料中的一个特殊结构，对复合材料性能具有重大影响；2）介绍了金属基复合材料中存在的三种界面类型和六种结合方式，其中以机械结合、溶解与润湿结合、反应结合三种为主；3）理想界面应既是力学连续体，又是化学不连续体，其主要要求是能够传递外加载荷和在复合材料构件服役期间保持稳定；,A)连续纤维增强复合材料纵向拉伸时，除轴向应力外，还有横向应力产生，其大小主要取决于基体与纤维的泊松比之差值；B)连续纤维增强复合材料在横向载荷时，其应力分布随界面角而变化，其破坏主要是正应力引起的脱节；,4）复合材料承受外加载荷时，界面处于复杂应力状态,5）界面残余应力是复合材料的固有特性，对此不应忽视。,C)短纤维界面应力更为复杂，除轴向应力外，界面上还有剪切应力存在，剪切应力的大小决定了纤维临界长度（或临界纵横比），决定了界面破坏方式。另外，还有界面正应力存在于短纤维的端部和邻近的纤维界面处；,结语,综上所述，复合材料的界面在其产生、结构、性能和要求方面均具有特殊性；界面的结合类型主要有物理结合和化学结合两种，它随着组元体系、制造方法、环境条件和受力状态而改变；界面的性质取决于组元之间的物理相容性和化学相容性。复合材料的断裂模式随界面结合程度而变化。,4.4树脂基复合材料的界面及优化,4.4.1树脂基复合材料的界面特点4.4.2树脂基复合材料的界面优化,4.4.1.1树脂基复合材料界面的形成4.4.1.2树脂基复合材料界面的特点4.4.1.3树脂基复合材料界面的近代理论4.4.1.4PMCs的界面区域,4.4.1树脂基复合材料界面的特点,4.4.1.1树脂基复合材料界面的形成,第一个阶段：基体与增强纤维的接触与润湿过程。由于增强纤维对基体分子的各个基团或基体中各组分的吸附能力不同，它总是要吸附那些降低其表面能的物质并优先吸附那些降低其表面能较多的物质。因此界面聚合层在结构上与聚合物本体是不同的。第二个阶段：固化阶段。聚合物通过物理或化学的变化而固化，形成固定的界面层。,（1）大多数界面为物理粘接，界面强度较低。树脂基复合材料的界面力的类型：机械结合力：犹如钉、钩、铆等的机械连结力；物理结合力：范德华力、氢键