第9章复合材料

1、1材料科学基础主讲教师：赵忠魁2第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面本章主要内容本章主要内容n一、一、 材料复合、增强体及复合效应材料复合、增强体及复合效应 复合材料的概念与分类、增强体、复合效应复合材料的概念与分类、增强体、复合效应n二、复合材料增强原理二、复合材料增强原理 复合思想、增强原理（弥散增强、粒子增强、纤维增强）复合思想、增强原理（弥散增强、粒子增强、纤维增强）n三、复合材料的界面三、复合材料的界面 复合材料界面的概念、界面结合类型、界面改善及其对性能复合材料界面的概念、界面结合类型、界面改善及其对性能的影响的影响3主要参考资料主要参考资料1.复合材料科学与工程复合材料科学与

2、工程倪礼忠倪礼忠,陈麒陈麒(科学出版社科学出版社,2002)2.复合材料及其应用复合材料及其应用尹洪峰尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社任耘（陕西科学技术出版社 ,2003）3.高性能复合材料学高性能复合材料学郝元恺郝元恺,肖加余肖加余 (化学工业出版社化学工业出版社,2004)4.新材料概论新材料概论谭毅谭毅, 李敬锋李敬锋(冶金工业出版社冶金工业出版社,2004) 5.先进复合材料先进复合材料鲁鲁 云云 朱世杰朱世杰 马鸣图马鸣图 （机械工业已出版（机械工业已出版 社社,2004） 第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面4第一节第一节 材料复合、增强体及复合效应材料复合、增强体及复合效应第

3、一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应本节内容：本节内容：1. 1.复合材料的概念复合材料的概念2. 2.复合材料的组成复合材料的组成3.3.基体、增强体基体、增强体4. 4.复合材料的分类复合材料的分类5. 5.复合材料的特点复合材料的特点6. 6.复合效应复合效应重点：重点：复合材料的概念、分类与特点复合材料的概念、分类与特点难点：难点：复合效应复合效应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面5第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面6第一节第一节 材料复合、增强体及复合效应材料复合、增强体及复合效

4、应增强相增强相: 第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应1. 复合材料的定义复合材料的定义 复合材料复合材料是由两种或两种以上在物理和化学上不同是由两种或两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种的物质组合起来而得到的一种多相固体材料多相固体材料。含量较小，分散分布，一般起增强作用含量较小，分散分布，一般起增强作用。 2. 复合材料的组成复合材料的组成复合材料通常由复合材料通常由基体基体、增强体增强体及及两者间的界面两者间的界面组成。组成。基体基体:含量较大，连续分布的组成相。含量较大，连续分布的组成相。第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面73. 基体

5、、增强体基体、增强体第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应（1） 基体基体第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面Ceramics陶瓷基陶瓷基Metals金属基金属基Polymers聚合物基聚合物基CMCsMMCsPMCs8铝及铝合金铝及铝合金镁合金镁合金钛合金钛合金镍合金镍合金钢钢铜合金铜合金锌合金锌合金铅铅钛铝金属间化合物钛铝金属间化合物第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面9玻璃玻璃玻璃陶瓷玻璃陶瓷氧化物陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷2）陶瓷基体）陶瓷基体第一节第一节 材料复合、增强体

6、及复合效材料复合、增强体及复合效应应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面103）聚合物基体）聚合物基体分为分为及及两类。两类。、等等、等等第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面11（2）增强体）增强体长纤维：长纤维：短纤维或晶须：短纤维或晶须：颗粒颗粒：SiC颗粒颗粒TiC颗粒颗粒SiC晶须晶须SiC纤维纤维W纤维纤维SiC纤维纤维第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面12SiCSiC晶须微观形貌晶须微观形貌 第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合

7、、增强体及复合效应应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面134.复合材料分类复合材料分类1）按复合效果分）按复合效果分结构复合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料酚醛树脂玻璃钢齿轮酚醛树脂玻璃钢齿轮 美国美国B-2隐形轰炸机表面为具有良好隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料吸波性能的碳纤维复合材料第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面142）按基体分）按基体分第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面Ceramics陶瓷基陶瓷基Metals金属

8、基金属基Polymers聚合物基聚合物基图 复合材料按基体分类陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料聚合物基复合材料聚合物基复合材料金属基复合材料金属基复合材料15复复合合材材料料颗粒增强颗粒增强层压复合材料层压复合材料纤维增强复合材料纤维增强复合材料长纤维增强长纤维增强短纤维增强短纤维增强定向排布定向排布混乱排混乱排布布取向性排布取向性排布3）按增强相形状分）按增强相形状分第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面165.复合材料的特点复合材料的特点可设计性可设计性各向异性各向异性一次成型性一次成型性第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界

9、面17 典型金属基体复合材料与基体材料合金性能的比较典型金属基体复合材料与基体材料合金性能的比较 （1）高比强度、高比模量（刚度），高比强度、高比模量（刚度）， 良好的抗疲劳、蠕变、良好的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性冲击和断裂韧性复合材料的基本性能（优点）：复合材料的基本性能（优点）：第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面C-MgTiAl钢钢B-Al硼硼-树脂树脂70V/O BC/MgC-Be60V/O60V/O碳碳-树脂树脂B-AlC/Al25017501250750225028641210比模量比模量106（cm）比强度

10、比强度106（cm）18（2）良好的高温）良好的高温性能和性能和良好的化良好的化学稳定性学稳定性耐高温复合材料的消防人员的服装耐高温复合材料的消防人员的服装第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面19（3）良好的功）良好的功能性能：包括能性能：包括 光、光、电、磁、热、烧电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑蚀、摩擦及润滑等性能。等性能。生物陶瓷人造关节生物陶瓷人造关节第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面206.复合效应复合效应 线性效应线性效应非线性效应非线性效应界面

11、效应界面效应尺寸效应尺寸效应各向异性效应各向异性效应第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面21分为平均效应（加和效应）分为平均效应（加和效应）平行效应平行效应相补效应相补效应相抵效应相抵效应 （1）线性效应）线性效应第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面材料材料A材料材料B优点优点优点优点缺点缺点缺点缺点组合组合I组合组合II组合组合III组合组合IV最佳组合最佳组合最差组合最差组合22乘积效应（传递效应，交叉耦合效应）乘积效应（传递效应，交叉耦合效应）系统效

12、应系统效应诱导效应诱导效应共振效应共振效应（2）非线性效应）非线性效应第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面23阻断效应阻断效应不连续效应不连续效应散射和吸收效应散射和吸收效应感应效应感应效应界面结晶效应界面结晶效应界面化学效应界面化学效应 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。重要的作用。 （3）界面效应）界面效应 第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面24第二节第二节 复

13、合材料增强原理复合材料增强原理本节内容本节内容n复合思想复合思想n复合材料的增强原理复合材料的增强原理 弥散增强弥散增强 粒子增强粒子增强 纤维增强纤维增强重点与难点：重点与难点：复合材料增强原理复合材料增强原理第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面25第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理一、复合思想一、复合思想1.仿生思想仿生思想2.绿色材料思想绿色材料思想3.充分利用协同效应思想充分利用协同效应思想4.智能材料思想智能材料思想第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面261.弥散增强型弥散增强型第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增

14、强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面二、复合材料增强原理二、复合材料增强原理图图 ThO2（小于（小于300nm）颗粒弥散强化的）颗粒弥散强化的TD-镍合金的电镜照片镍合金的电镜照片 From Oxide Dispersion Strengthening, p. 714, Gordon and Breach, 1968. AIME.27第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理7475铝合金520固溶处理1h+108 4h + 24 hrs 160 24h TEM照片28 （1 1）相同点）相同点 弥散强化机理与脱溶沉淀类似，基体仍是承受载

15、荷的弥散强化机理与脱溶沉淀类似，基体仍是承受载荷的主体。主体。 这些弥散于金属或合金中的颗粒，可以有效的阻止位这些弥散于金属或合金中的颗粒，可以有效的阻止位错的运动，起到显著强化作用。错的运动，起到显著强化作用。 （2 2）与脱溶沉淀的不同点）与脱溶沉淀的不同点 1.1.弥散增强主要是针对金属基体，外加入小尺寸颗粒，弥散增强主要是针对金属基体，外加入小尺寸颗粒，而不是脱溶沉淀出的第二相。而不是脱溶沉淀出的第二相。 2.2.加入的都是硬质颗粒如加入的都是硬质颗粒如AlAl2 2O O3 3,TiC,SiC,TiC,SiC等。等。 3.3.这类复合材料的抗蠕变性能，持久性能明显优于基这类复合材料的

16、抗蠕变性能，持久性能明显优于基体合金。体合金。 （3）颗粒尺寸：）颗粒尺寸：10250nm第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面292003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.图图 弥散强化粘结铝弥散强化粘结铝粉末复合材料与二种粉末复合材料与二种传统沉淀强化铝合金传统沉淀强化铝合金屈服强度对比曲线。屈服强度对比曲线。图中同时列出了硼纤图中同时列出了硼纤维增强铝复合材料

17、的维增强铝复合材料的屈服强度。屈服强度。可以看出：复合材料可以看出：复合材料在在300以上具有较以上具有较高的屈服强度。高的屈服强度。第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面30例题：假如在镍中加入例题：假如在镍中加入2%（质量百分比）的（质量百分比）的ThO2 ，每，每个个ThO2颗粒直径为颗粒直径为100nm，已知，已知ThO2及镍的密度分别及镍的密度分别为为9.69g/cm3及及8.9g/cm3。试计算。试计算1cm3中有多少颗中有多少颗粒？粒？解：解：ThO2的体积分数的体积分数：Example ：TD-Nickel Composite第二

18、节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面1个个ThO2颗粒的体积：颗粒的体积：1cm3ThO2颗粒的个数：颗粒的个数：nThO2个312.粒子增强原理粒子增强原理 Particulate Composites图图 碳化钨碳化钨-20%钴硬质合金的组织钴硬质合金的组织 From Metals Handbook, Vol. 7, 8th Ed., American Society for Metals, 1972.32第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面（1）对增强粒子的要求）对增强粒子的要求1.粒子的尺寸

19、为粒子的尺寸为150 m； 粒子间距为粒子间距为125m； 体积分数为体积分数为0.050.5。2.粒子具有亲水表现粒子具有亲水表现,粒子的极性粒子的极性3.原则上加入的粒子仍然为坚硬的。原则上加入的粒子仍然为坚硬的。 这种复合材料的粒子也可承担一部分载荷，基体仍承担这种复合材料的粒子也可承担一部分载荷，基体仍承担主要载荷，通过粒子约束基体变形达到强化的目的。主要载荷，通过粒子约束基体变形达到强化的目的。（2）填料）填料 有碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐、碳素和金属粒子等等。有碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐、碳素和金属粒子等等。33 粒子增强复合材料的性能与增强体和基体的比例有粒子增强复合材料的性能与增强体和

20、基体的比例有关，某些性能只取决于各组成物质的相对数量和性能。关，某些性能只取决于各组成物质的相对数量和性能。 复合材料的密度、模量可用混合定则来的描述，即复合材料的密度、模量可用混合定则来的描述，即Niinicpp1 粒子复合粒子复合材料，其体积材料，其体积分数与分数与E成非成非线性关系。线性关系。第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面(3)性能性能0.600.40.20.8PEc/Em连续纤维增强复合材料颗粒增强复合材料临界点图 颗粒增强复合材料与连续纤维增强复合材料的弹性模量34 对于基体为晶体结构的复合材料，当大的粒子存在对于基体为晶体结构

21、的复合材料，当大的粒子存在于基体之上时，位错在不能绕过粒子的情况下。位错滑移于基体之上时，位错在不能绕过粒子的情况下。位错滑移到基体到基体粒子界面上受阻塞积，约束了基体变形。并在粒子界面上受阻塞积，约束了基体变形。并在粒子与基体界面上产生应力集中。其屈服强度为：粒子与基体界面上产生应力集中。其屈服强度为：对于基体是非晶体或晶体的复合材料对于基体是非晶体或晶体的复合材料,其强度：其强度：第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面ppppmydbVGG1230321)1 (83. 0pmupcuKp-粒子通过界面受基体的正压力； -基体与粒子之间的摩擦因

22、数-基体抗拉强度； -加入粒子基体强度降低因数cupK352003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. 图图 生产银生产银-钨电复合材料的步骤钨电复合材料的步骤对粉末钨加压，对粉末钨加压， (b)低密度压实，低密度压实，(a)(c)烧结粉末钨，烧结粉末钨， (d)液态银渗入颗粒间孔隙液态银渗入颗粒间孔隙。第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面36例题：制造电开关用的银

23、例题：制造电开关用的银-钨复合材料工艺是：先生产钨复合材料工艺是：先生产的钨粉，然后进行粉末冶金得到一种多孔隙材料，在的钨粉，然后进行粉末冶金得到一种多孔隙材料，在浸入银液中，使银液填充进缝隙中。银填充之前多孔浸入银液中，使银液填充进缝隙中。银填充之前多孔钨材的密度为钨材的密度为14.5 g/cm3 。试计算孔隙的体积分数。试计算孔隙的体积分数和填充银后，银的质量百分比。和填充银后，银的质量百分比。解：由颗粒增强复合材料的性能可知：Example ：Silver-Tungsten Composite第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面孔隙的体积

24、分数：孔隙的体积分数：37充填银后，银的体积分数等于孔隙的体积分数：第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面383、 纤维增强型Niinicpp1 (1)连续纤维增强原理连续纤维增强原理 混合定则可很好的描述和预测复合材料的某些性能。若混合定则可很好的描述和预测复合材料的某些性能。若纤维在基体中呈单向均匀的排列，则沿纤维方向复合材料的纤维在基体中呈单向均匀的排列，则沿纤维方向复合材料的性能可表示为性能可表示为所有载荷都由纤维承受。所有载荷都由纤维承受。第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面39 复合材

25、料制造中，难免造成纤维的部分损伤，与基体复合材料制造中，难免造成纤维的部分损伤，与基体结合也有缺陷，排列方向性也可能不够理想。考虑这些结合也有缺陷，排列方向性也可能不够理想。考虑这些因素，工程中为了更准确地计算纤维方向的弹性模量，因素，工程中为了更准确地计算纤维方向的弹性模量，其计算式可改为其计算式可改为Niinicpkp1第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面纤维方向：纤维方向：Pc=k（Pf p+Pm m ）垂直纤维方向垂直纤维方向：纤维方向的强度：纤维方向的强度：cu=fuf+ m*mmmffcEEE14001fcu图 纤维复合材料中纤维体

26、积比与强度关系示意图 第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面cu=fuf+ m*(1-f)cu=mu (1- f)fcfminmum*fu纤维最小加入量纤维最小加入量： 脆性纤维脆性纤维 韧性纤维韧性纤维41第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面2）短纤维或晶须增强复合材料）短纤维或晶须增强复合材料42图图 纤维上和界面上的应力分布纤维上和界面上的应力分布第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面应力应力rc /2界面的剪界面的剪切力切力纤维上的纤维上的拉

27、应力拉应力43 cu=（1- ）fuf+ m*（1-f）Lc2L强度：强度：m*-纤维断裂时基体应力，纤维断裂时基体应力，Lc-纤维临界长度，纤维临界长度，L0-纤维长度纤维长度442003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.Figure Increasing the length of chopped E-glass fibers in an epoxy matrix increases the strength

28、 of the composite. In this example, the volume fraction of glass fibers is about 0.5.第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面452003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.Figure Effect of fiber orientation on the tensile strengt

29、h of E-glass fiber-reinforced epoxy composites.第二节第二节 复合材料增强原理复合材料增强原理第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面46第三节第三节 复合材料的界面 复合材料的界面是特有的而且是极其重要的组成部分，复合材料的界面是特有的而且是极其重要的组成部分，它是通过它是通过物理物理和和化学化学作用把两种或两种以上作用把两种或两种以上异质异质、异形异形和和异性异性的材料复合起来所形成的。的材料复合起来所形成的。 1概念：概念： 一般把基体和增强物之间化学成分有显著变化的构成一般把基体和增强物之间化学成分有显著变化的构成彼此结合的、能传送载荷作用

30、的区域称之为彼此结合的、能传送载荷作用的区域称之为界面界面。 47 2.界面是界面是有层次有层次的的 界面不是简单的几何面，而是一个过渡区域。界面不是简单的几何面，而是一个过渡区域。 一般说这个区域是从增强体内部性质不同的那一点开一般说这个区域是从增强体内部性质不同的那一点开始到基体内部与基体性质相一致的某点为止。始到基体内部与基体性质相一致的某点为止。 该区域的材料结构与性能应该不同于组分材料的任该区域的材料结构与性能应该不同于组分材料的任意一个。意一个。 可简称该区域为可简称该区域为界面相界面相(Interphase)或或界面层界面层(Interlayer)。界面和界面相是有区别的惯称上把

31、界面。界面和界面相是有区别的惯称上把界面相的问题统称为界面问题。相的问题统称为界面问题。 界面厚度很小，它可以是几个界面厚度很小，它可以是几个nm到几百个到几百个nm。482.复合材料的界面类型复合材料的界面类型 要形成复合材料、必须在界面上建立一定的结要形成复合材料、必须在界面上建立一定的结合力。界面结合力大致可分为合力。界面结合力大致可分为物理结合力物理结合力和和化学结化学结合力合力。 物理结合力一般指范德华力，包括物理结合力一般指范德华力，包括偶极定向力偶极定向力，诱导偶极定向力诱导偶极定向力和和色散力色散力，也可将，也可将氢键作用力氢键作用力归入归入物理结合力范畴，该结合力大大高于前三

32、种结合力；物理结合力范畴，该结合力大大高于前三种结合力； 化学结合力是在界面上产生化学结合力是在界面上产生共价键共价键和和金属键金属键。 实际上又根据界面形成的物理和化学形式进行实际上又根据界面形成的物理和化学形式进行分类。陶瓷基和金属基复合材料分类情况类似，树分类。陶瓷基和金属基复合材料分类情况类似，树脂基复合材料与前者有一定差别。脂基复合材料与前者有一定差别。49金属基和陶瓷基复合材料的界面类型金属基和陶瓷基复合材料的界面类型（1 1）机械结合）机械结合 ：依靠粗糙表面机械结合和依靠基体复合中的收缩应力包依靠粗糙表面机械结合和依靠基体复合中的收缩应力包紧增强体的摩擦结合。紧增强体的摩擦结合

33、。（2 2）溶解浸润结合：）溶解浸润结合：基体能润湿增强体，相互之间发生扩散和基体能润湿增强体，相互之间发生扩散和溶解形成结合。其作用力是短程的，只有几个原子间距。例如溶解形成结合。其作用力是短程的，只有几个原子间距。例如CNi即即属于此类。属于此类。（3 3）反应结合：）反应结合：特征是通过基体与增强体的反应生成化合物。特征是通过基体与增强体的反应生成化合物。（4 4）氧化结合：）氧化结合：增强体表面吸附空气带来的氧化作用或是氧化物增强体表面吸附空气带来的氧化作用或是氧化物纤维与基体的结合。纤维与基体的结合。（5 5）混合结合：）混合结合： 这种结合是上述几种结合方式的组合，其存在较这种结合

34、是上述几种结合方式的组合，其存在较普通，是最重要的一种结合方式。普通，是最重要的一种结合方式。50树脂基复合材料的界面类型树脂基复合材料的界面类型（1 1）化学结合：）化学结合：基体表面上的官能团与增强物表面上的官能团发基体表面上的官能团与增强物表面上的官能团发生化学反应，形成共价链结合的界面区。生化学反应，形成共价链结合的界面区。（2 2）浸润）浸润- -浸湿吸附结合：浸湿吸附结合：增强材料被基体浸润，即物理吸增强材料被基体浸润，即物理吸附所产生的界面结合。这种结合有时会超过基体的内聚力。附所产生的界面结合。这种结合有时会超过基体的内聚力。（3 3）扩散结合：）扩散结合：界面扩散作用使原有取

35、衔的状态破坏，形成界面界面扩散作用使原有取衔的状态破坏，形成界面模糊区。模糊区。（4 4）机械结合：）机械结合：（5 5）静电结合：）静电结合：两相物质对电子的亲和力相差较大时两相物质对电子的亲和力相差较大时(如金属与聚如金属与聚合物合物)，在界面区容易产生接触电势并形成双电层，静电吸引力是产生界，在界面区容易产生接触电势并形成双电层，静电吸引力是产生界面结合力的直接原因之一。氢键可看作是一种静电作用。面结合力的直接原因之一。氢键可看作是一种静电作用。51界面化学、扩散效应界面化学、扩散效应M O Si M O Si M O Si M O Si M O Si M O Si 无机介质扩散界面层偶

36、联剂高聚物化学键连接界面52 复合材料界面担当着由基体通过界面传递至增强体裁复合材料界面担当着由基体通过界面传递至增强体裁荷的任务、因此要求界面应有足够的强度。荷的任务、因此要求界面应有足够的强度。 复合材料断裂中，纤维的断裂、基体的变形与开裂、复合材料断裂中，纤维的断裂、基体的变形与开裂、裂纹扩展中遇到增强体时的偏转曲折路径、纤维与基体界裂纹扩展中遇到增强体时的偏转曲折路径、纤维与基体界面脱粘和纤维从基体中克服摩擦力的拔出都要消耗能量，面脱粘和纤维从基体中克服摩擦力的拔出都要消耗能量，构成材料的韧性行为。其中构成材料的韧性行为。其中以纤维拔出对韧性的贡献最大。以纤维拔出对韧性的贡献最大。 界

37、面结合强度不是越高超好。界面结合强度不是越高超好。虽然提高界面结合强度虽然提高界面结合强度能有效传递载荷、进一步提高复合材料的层间剪切强度能有效传递载荷、进一步提高复合材料的层间剪切强度(ILSS)(ILSS)，改善耐环境的性能，但纤维难于与基体脱粘和从，改善耐环境的性能，但纤维难于与基体脱粘和从基体中拔出导致韧性降低。基体中拔出导致韧性降低。10.3.2界面改善对其性能的影响界面改善对其性能的影响53金属基和陶瓷基复合材料界面要考虑其使用中的金属基和陶瓷基复合材料界面要考虑其使用中的物理不稳物理不稳定性定性和和化学不稳定性化学不稳定性。 物理不稳定性物理不稳定性表现在高温下增强体与基体存在表

38、现在高温下增强体与基体存在化学位化学位梯度梯度，纤维有可能向基体不断，纤维有可能向基体不断溶解和扩散溶解和扩散，达成界面不稳，达成界面不稳定、纤维损伤，复合材料强度降低。例如钨丝增强镍基合定、纤维损伤，复合材料强度降低。例如钨丝增强镍基合金，由于复合成形的温度低，钨丝并没有溶入合金而降低金，由于复合成形的温度低，钨丝并没有溶入合金而降低强度。但在强度。但在11001100左右左右50h50h后，钨丝直径仅为原来的后，钨丝直径仅为原来的6060、说明钨已溶人镍合金中损失了强度说明钨已溶人镍合金中损失了强度。 化学不稳定性化学不稳定性主要指复合材料制造和使用中界面通过主要指复合材料制造和使用中界面

39、通过扩散产生基体与增强体的扩散产生基体与增强体的化学反应化学反应，生成不希望得到的，生成不希望得到的脆脆性化合物性化合物。这种化合物的厚度达到一定时，复合材料的强。这种化合物的厚度达到一定时，复合材料的强度会大幅度降低，因此预测化合物反应厚度十分重要。度会大幅度降低，因此预测化合物反应厚度十分重要。54改善复合材料界面的方法改善复合材料界面的方法界面残余应力大多数是复合制作过程中留下的复合材料制界面残余应力大多数是复合制作过程中留下的复合材料制作工艺都要加热和冷却，由于基体和纤缝导热性、弹性模作工艺都要加热和冷却，由于基体和纤缝导热性、弹性模数及热膨胀系数不同引起了这种残余应力。数及热膨胀系数

40、不同引起了这种残余应力。残余应力会引发裂纹的产生，导致复合材料强度下降。对残余应力会引发裂纹的产生，导致复合材料强度下降。对于材胎基复合材料，还会引起界面易受氧和水的环境作用，于材胎基复合材料，还会引起界面易受氧和水的环境作用，造成材料过早破坏。残余应力通常是不可避免的，只能设造成材料过早破坏。残余应力通常是不可避免的，只能设法减小。在加热和冷却后，热膨胀系数较大的组分处于张法减小。在加热和冷却后，热膨胀系数较大的组分处于张应力，而另一组分则受到压应力。应力，而另一组分则受到压应力。1.降低界面残余应力降低界面残余应力552.基体改性、纤维表面改善基体改性、纤维表面改善通过基体改性和改进复合条

41、件能有效地改变界面结合状通过基体改性和改进复合条件能有效地改变界面结合状态和断裂破坏的特征。态和断裂破坏的特征。纤维表而处理和涂层可改善纤维表面的性能，增加基体纤维表而处理和涂层可改善纤维表面的性能，增加基体的浸润性，防止界面不良的反应改善界面结合。例如碳的浸润性，防止界面不良的反应改善界面结合。例如碳纤维增强铝基复合材料中，由于纤维表面能很低，一般纤维增强铝基复合材料中，由于纤维表面能很低，一般不能被铝浸润，但用化学气相沉积不能被铝浸润，但用化学气相沉积(CVD)法在纤维表面法在纤维表面上形成上形成TiB2并含有氯化物，则铝对其浸润能力不仅大大并含有氯化物，则铝对其浸润能力不仅大大改善，而且

42、遏制了碳改善，而且遏制了碳-铝界面的不良反应。铝界面的不良反应。3.选则合理的复合工艺和使用条件选则合理的复合工艺和使用条件56a是玻纤增强是玻纤增强PP的冲击试样的断口扫描电镜照片，的冲击试样的断口扫描电镜照片，（a）是加入）是加入MPP相容剂的玻纤增强相容剂的玻纤增强体系，体系，( a）中玻璃）中玻璃纤维与基体的结合纤维与基体的结合较好，纤维拔出较较好，纤维拔出较少少.57（b）是未加相容剂的玻纤增强体系。）是未加相容剂的玻纤增强体系。从中可以看出，而从中可以看出，而（b）中有大量的玻）中有大量的玻纤从基体中拔出，证纤从基体中拔出，证明与基体的粘接性较明与基体的粘接性较差，因而体系的力学差

43、，因而体系的力学性能不高。性能不高。58试样的冲击试样的断口扫描电镜的背散射电子图像试样的冲击试样的断口扫描电镜的背散射电子图像 1250目CaCO3粒子/PP2500目CaCO3粒子/PP59Figure Scanning electron micrograph of the fracture surface of a silver-copper alloy reinforced with carbon fibers. Poor bonding causes much of the fracture surface to follow the interface between the me

44、tal matrix and the carbon tows ( 3000). (From Metals Handbook, American Society for Metals, Vol. 9, 9th Ed., 1985.)60小结n概念：复合材料概念：复合材料是由两种或两种以上在物理和化学上不是由两种或两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料多相固体材料。n复合材料通常由复合材料通常由基体基体、增强体增强体及及两者间的界面两者间的界面组成。组成。n复合材料基体包括复合材料基体包括金属基体金属基体、陶瓷基体陶瓷基体、聚合物基体聚合物基体

45、。n增强体包括增强体包括颗粒颗粒、长纤维长纤维、短纤维或晶须短纤维或晶须。n复合材料分类复合材料分类n复合材料的特点复合材料的特点n复合效应分为：复合效应分为：线性效应线性效应、非线性效应非线性效应、界面效应界面效应、 尺寸效应尺寸效应、各向异性效应各向异性效应。第一节第一节 材料复合、增强体及复合效材料复合、增强体及复合效应应第第9章章 复合效应与界面复合效应与界面61小结n复合材料增强思想：仿生思想、绿色材料思想、复合材料增强思想：仿生思想、绿色材料思想、充分利用协同效应思想、智能材料思想充分利用协同效应思想、智能材料思想n弥散增强：主要是针对金属基体，外加入弥散增强：主要是针对金属基体，

46、外加入尺寸尺寸10250nm颗粒颗粒，而不是脱溶沉淀出的第二相。，而不是脱溶沉淀出的第二相。n粒子增强：粒子的尺寸为粒子增强：粒子的尺寸为150 m，采用碳酸盐、，采用碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐、碳素和金属粒子填料。硫酸盐、硅酸盐、碳素和金属粒子填料。n纤维增强型：复合材料的性能与纤维长度、取向纤维增强型：复合材料的性能与纤维长度、取向有很大关系。分为连续纤维增强型和短纤维增强有很大关系。分为连续纤维增强型和短纤维增强型。型。621.概念n1。晶体点阵、晶格、配位数、晶体缺陷、单位位错、位错反应、小角晶界、界面能、n2。固溶体、间隙相n3。过冷度、均匀形核、形核率、非均匀形核n4。相图、成分过冷、

47、伪共晶、包晶转变n5。扩散第一定律、科肯道尔效应、本征扩散、非本征扩散、上坡扩散、反应扩散、n6。滑移、滑移系、单滑移、多滑移、交滑移、细晶强化、固溶强化、弥散强化、变形织构、加工硬化n7。回复、再结晶、再结晶温度、二次再结晶、热变形、退火孪晶、流线、带状组织、变形织构、超塑性n8。相变、惯习面、脱溶转变、 连续脱溶、不连续脱溶、调幅分解、n9。 复合材料、复合材料的界面复合材料、复合材料的界面63二、知识点1.1原子的结合有哪些？1.2工程材料可分为哪几类？1.3晶向指数、晶面指数能画图，给图能写出。1.4金属常见的晶格类型、配位数、致密度、原子密排面、密排晶向、结构中的间隙。1.5晶体中缺陷的种类。1.6位错的种类、位错方向与柏氏矢量的关系、位错的运动方式。1.7位错反应条件及计算。1.8晶界的种类，界面能与晶界的关系。64n2.1影响置换固溶体溶解度有哪些因素？有何规律？。n2.2间隙固溶体与间隙相之间的关系。n2.3金属间化合物的种类及特点。n3.1金属结晶的热力学条件是什么？n3.2金属结晶的能量条件是什么？n3.3金属结晶的结构条件是什么？n3.4金属结晶时的形核有哪些方式？n3.5根据凝固理论，如何细化晶粒？n3.6晶体长大时，液-固界面处于那种微观结构？有哪些