复合材料的界面及复合原则PPT课件

1、复合材料的复合原则和界面、-、2、第一节复合原则为了制造出良好的复合材料，必须首先根据所要求的性能进行设计，才能制造出性能理想的复合材料。 复合材料的设计应遵循以下原则：-，3，1，材料组元素的选择尤其重要。 选择材料组要素时，首先必须明确各组要素在使用中应负担的功能，即明确对材料性能的要求。 4、复合材料的组成部分，要求复合材料达到高强度、高刚性、高耐腐蚀性、耐磨损性、耐热性、其他导电性、传热性等性能，或者综合性能，如高强度和耐腐蚀性、耐热性。 因此，根据复合材料所需的性能，必须选择构成复合材料的基材和增强材料。 例如，在使用设计的复合材料作为结构构件的情况下，复合的目的是使复合后的材料具有最佳的强度、刚性、韧性等。 因此，在设计结构构件复合材料时，首先要明确任何构件主要作用在载荷上，它必须具有高强度和高弹性模量。 这些元件是所选择的增强材料。其他元件与载荷的传递协同作用，并且必须粘合增强材料。 这种构成要素是所选择的基材。7、其次，除了考虑性能要求外，还必须考虑构成复合材料的各要素之间的相容性。 其中包括物理、化学、力学等性能的相容性，材料的各要素相互协调发挥作用。 在任何使用环境下，复合材料组元件之间的延伸、弯曲、变形等必须相互或协调一致。8、第三，考虑到复合材料各要素之间的浸润性，实现了强化材料与基体之间具有较理想结合强度的界面。 适当的界面结合强度不仅提高了材料的整体强度，而且重要的是将基体承受的载荷通过界面传递给加强材料，充分发挥其加强作用。9、结合强度过低时，载荷难以传递到界面，无法发挥潜在材料的作用，影响复合材料的整体强度，但结合强度过高时不利，抑制复合材料破坏引起的能量吸收，容易发生脆性破坏。 此外，还应该触及复合材料整体的结构来考虑。10，特别是粒子和纤维增强复合材料，增强效果与粒子或纤维的体积含量、直径、分布间隔、分布状态有关。 颗粒和纤维增强复合材料的设计原则如下：-，11，1 .颗粒增强复合材料的原则，(1)颗粒高度分散在基体中，必须阻碍引起塑性变形的位错运动(金属、陶瓷基体)和分子链运动(聚合物基体)。-，12，(2)粒径大小合适。 如果粒径过大，引起应力集中或自我破碎，导致材料强度降低的粒径过小，则无法发挥大的强化作用。 因此，一般粒径为数微米至数十微米。-、13、(3)粒子数通常超过20% . 数量太少，得不到最佳强化效果。 (4)颗粒与基质之间必须有一定的粘结作用。14、2 .纤维增强复合材料原则(1)纤维的强度和弹性模量均应高于基质，即纤维应具有高弹性模量和高强度，除个别情况外，支撑往往主要依赖增强纤维。 (2)纤维与基质之间必须有一定的粘结作用，两者之间的结合必须保证受力通过界面传递给纤维。-，15，(3)纤维和基质的热膨胀系数不能大不相同。 否则，在热膨胀收缩过程中，两者的结合强度会自动减弱。 (4)纤维与基体之间不发生有害化学反应，特别是不发生强烈反应，会引起纤维性能下降，丧失强化作用。16、(5)纤维所占体积、纤维尺寸和分布必须适当。通常，基体中纤维的体积含量越高，其增强效果越显着，纤维直径越细，缺陷越小，纤维强度也高，连续纤维的增强作用远远高于短纤维，不连续短纤维的长度不大于一定的长度(一般长宽比5)，则显示明显的增强效果、17、2、选择制造方法的材料构成要素后，必须考虑采用的复合工序，即具体的制造方法。 制备方法的选择主要要考虑以下4个方面：-，18，(1)选择的工艺方法对材料构成要素的损伤最小，特别是纤维或晶须混入基质中时，若干机械混合方法常常导致纤维或晶须损伤，-，19，(2) 可使任何形式的增强材料(纤维、粒子、晶须)均匀分布或按设计规则排列；(3)使最终形成的复合材料在性能上充分发挥各组元件的作用，即实现扬长避免，且各组元件保持固有特性。20、制造方法的选择还应考虑性能/价格比，如能满足复合材料的使用要求，应尽量选择简便的工艺降低制造成本。 对于不同的增强材料和基质的特性应采用不同的制造方法，21、金属基复合材料采用纤维和粒子、晶须的增强时，采用相同的固体法，但用纤维增强时，采用扩散键的一般粒子或晶须增强时，多采用粉末冶金法结合。 因为在粒子和晶须增强时采用扩散键的话，制造工艺会变得非常复杂，不能保证粒子和晶须的均匀分散。22、第二节复合材料界面复合材料界面是指基质与增强物之间的化学成分发生显着变化，相互结合，发挥载荷传递作用的微小区域。23、复合材料的界面虽小，但有大小，从数纳米到数微米左右，在一个区域或一条带或一层，其厚度分布不均匀。界面通常为基体与增强物的相互作用而生成的反应生成物，该生成物与基体及增强物的接触面、25、基体与增强物的相互扩散层增强物的表面涂层基体与增强物上的氧化物及其反应生成物的接触面等。 除了基质、增强子、涂层中的元素之外，化学成分还有基质中的合金元素、杂质、环境导致的杂质。 这些成分以原始状态存在或成为新化合物。 因此，界面的化学成分和相结构很复杂。27、界面是复合材料的特点，界面功能总结如下。 (1)传递效果的界面可以传递力量，也就是说将外力传递给加强物，起到连接基体和加强物的作用。 (2)遮断效果和适当的界面具有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、缓和应力集中的作用。-、28、(3)不连续效应会产生在界面出现物理性能不连续性和界面摩擦的现象，如电阻、电感、磁、耐热性、尺寸稳定性等。 (4)散射和吸收效果光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、绝热性、隔音性、机械冲击和耐热冲击性等。29、(5)具有诱导效果的物质(通常为增强物)的表面结构，通过诱导作用使与其他物质(通常为高分子基质)接触的物质的结构发生变化，由此，产生强的弹性、低膨胀性、耐冲击性、耐热性等现象。 30、界面产生的这些效果是任何单质材料都没有的特性，对复合材料有着重要的作用。 例如在粒子分散强化金属中，在微细粒子阻止晶格变位而提高复合材料强度的纤维强化塑料中，阻止裂纹在纤维与基体的界面进一步发展等。31、因此，在所有复合材料中，改善界面和界面性能的表面处理方法是该复合材料是否具有使用价值、能否普及的极为重要的问题。界面效应与界面结合状态、形态和物理化学性质等有关，与界面两侧成分材料的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。 32、复合材料中的界面不仅仅是几何面，还是多层结构的过渡区域，界面区域是从与增强剂内部的性质不同的点到与树脂基体内整体的性质一致的点的区域。33、界面区域的结构和性质两相都不同。 结构上，该界面区域由5个亚层构成(参照下图):34、界面区域的示意图1的外力场； 2-场所树脂基体； 3-基体表面区域4-互渗区5增强剂表面6-增强剂，各层的性能与树脂基体和增强剂的性质、偶联剂的品种和性质、复合材料的成形方法等密切相关.35、基体与补强物通过界面结合，构成复合材料整体，界面结合的状态和强度对复合材料的性能有重要影响。 因此，对各种复合材料要求适当的界面结合强度。36、界面的结合强度一般用分子间力、表面张力(表面自由能)等表示，但实际上影响界面结合强度的因素很多。 37、例如表面几何形状、分布状况、纹理结构表面吸附气体和蒸汽的程度表面吸水时，表面形态在存在杂质的界面的溶解、渗透、扩散和化学反应表面层的力学特性、润湿速度等。 由于-38的界面区域在整个材料中所占的比重很小，因此单独地测量一些性能非常困难。 因此，大多通过整体材料的力学性能来表现界面性能，例如层间剪切强度(ILSS )是研究界面粘接的好方法，如果配合破坏形态的分析等，就可以对界面的其他性能进行深入的研究。 39、复合材料的破坏形式因力的类型、原材料结构的不同而不同，因此破坏从树脂基质、增强剂、界面开始。40、力学分析表明，界面性能差的材料多呈剪切破坏，材料截面呈脱粘、纤维拉拔、纤维应力松弛等现象。 但是，界面间粘结过强的材料呈脆性，材料的复合性能也下降了。-，41，界面的最佳状态的评价是，受力发生龟裂时，该龟裂转向地域化，在接近阶段不发生界面的脱粘。 也就是说，此时的复合材料与最大破坏能具有一定的韧性。 从-42来看，研究界面设计时，不能只追求界面粘结，要考虑优化和最佳综合性能。 在某些应用中，如果能量吸收或纤维应力需要很大，则可能期望控制界面的部分脱粘。 以淀粉和明胶为强化玻璃纤维表面浸润剂的e粗纱被用于冲击强度高的防弹背心的制造。44、界面尺寸小不均匀、化学成分和结构复杂、力学环境复杂，界面结合强度、界面厚度、界面应力状态无法直接、准确的定量分析方法，45因此对界面结合状态、形态、结构及复合材料性能的影响尚无合适的试验方法，通常， 需要利用拉曼光谱、电子质谱、红外扫描、x射线衍射等试验逐步探索和统一认识。 另外，对于成分和相结构也很难进行全面的分析。 因此，迄今为止对复合材料界面的认识还不够充分，不能用共同的模型构建完整的理论。 尽管存在很大的困难，但由于接口的重要性，很多研究人员都致力于认识接口的工作，掌握其法则。 47、第三节复合材料的界面设计原则、界面粘结强度是测定复合材料中加强体与基体界面结合状态的指标。 界面粘结强度对复合材料整体力学性能的影响很大，界面粘结过高或过弱是不利的。因此，人们重视开展复合材料界面微区的研究和优化设计，以制备具有最佳综合性能的复合材料。 下图显示了影响复合材料界面效应的因素与复合材料性能之间的关系。49、增强体：纤维、晶须、粒子、片状基质：聚合物.金属、陶瓷、碳等、50，许多事实证明复合材料的界面实质上是纳米级以上厚度的界面层(Interlayer )或界面相(Interphase )。51、界面相因增强材料而结构不同，是与基质明显不同的新相。 界面相中也包括预先被复在强化材料的表面的表面处理剂层和在强化材料被表面处理后反应的界面层。 在52、结构复合材料中，界面层的作用首先是通过界面层将施加在整体上的力从基体传递到增强材料的构成要素，需要充分的界面粘接强度，在粘接过程中，两相表面相互润湿是第一条件。53、界面层的另一个作用是在一定的应力条件下可以脱粘，将强化纤维从基质中拉出来使其摩擦。 因此，通过脱粘使表面能、拉拔功、摩擦功等形状变大，可以吸收施加在负荷上的能量，提高破坏阻力。 从以上两面综合考虑，要求界面处有最佳粘结状态。54、设计复合材料时，只考虑复合材料具有适度的界面层是不够的，什么性质的界面层最合适。 另外，55，对于界面层的见解有两个观点，一个是界面层的弹性模量介于加强材料和基材之间，形成梯度迁移较为理想。 另一个观点是，界面层的弹性模量低于加强材料和基质，因此优选橡胶这样的弹性体，受力时会有大的变形。 从力学角度，56，前者的观点，产生良好效果的后者的观点，根据可变形层理论，可以迅速分散集中在界面上的应力点，提高整体的力学性能。-，57，前两个观点得到实验支持，但尚未得到定论。 但是，无论如何，如果界面层的弹性模量高于加强材料或基体的弹性模量，就会产生不良效果，这是众所周知的观点。58、实验表明，金属基复合材料易发生界面反应，产生脆性大的界面反应层，在低应力条件下界面被破坏，复合材料整体性能下降。 因此，界面层控制是设计复合材料的重要方面。59、界面层的形态、厚度、结构等可以通过先进的科学仪器进行观察和分析，常用的有俄歇电子能谱仪(AES )、电子探针(EP )、x射线电子能谱仪(XPS )、扫描二次离子质谱仪(SSIMS )、电子能谱仪(EELS )、x射线反射光谱仪(GAXP )、透射电子显微镜(TEM )和、60、一、聚合物基复合材料的界面设计应首先考虑改善聚合物基复合材料设计中增强材料与基体之间润湿性的方法。61、在碳纤维表面进行可与基质树脂反应或聚合的涂层后，可见非活性涂层的效果较好，后者的活性涂层因降低界面润湿性而效果较差。 浸润不良在界面产生空隙，应力集中，复合材料容易产生裂纹。62，另外，选择合适的偶联剂也很重要，处理所选择的增强材料表面的偶联剂必须同时包含与增强材料化学作用的官能团和与聚合物基质化学作用的官能团。 在63、例如玻璃纤维中使用硅烷作为偶联剂时，复合材料的性能大幅度改善，碳纤维能够进行氧化处理、等离子体处理、适当的涂布。 在、-、64、2、金属基、陶瓷基复合材料科界面设计金属基复合材料的特征是生成容易发生界面反应的脆性界面。 如果基体是合金，则容易发生某种元素在界面浓化的现象。、65、金属基复合材料界面控制的研究主要有两个方面：1.对增强材料进行表面处理，预涂在增强材料组上，改善增强材料与基体的润湿性，同时涂层还作为防反应的屏障。66、2 .选择金属元素，改变基体的合金成分，某种元素在界面上形成丰富的阻挡层，控制界面反应。67、在碳纤维强化A1复合材料中，对碳纤维实施Ti-B涂层； 在碳纤维增强Mg复合材料中使用SiO2