第六章几种纤维增强树脂复合材料表面与界面

第六章几种纤维增强树脂复合材料表面与界面第一页，共一百二十六页，2022年，8月28日1.复合材料按基体分类金属基复合材料无机非金属基复合材料：陶瓷基、水泥基、玻璃基聚合物基复合材料热塑性聚合物基：PP、PE、尼龙、PVC

热固性聚合物基：不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂等6.1纤维与树脂简介第二页，共一百二十六页，2022年，8月28日聚合物（树脂）基复合材料:由玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒等与热固性、热塑性树脂组成的基体组成的复合材料。

比强度、比模量高、热膨胀系数小、耐磨性、阻尼性好。广泛用于航空、航天、建筑、化工、机械、电子、体育等。第三页，共一百二十六页，2022年，8月28日2.复合材料中的增强材料

1增强纤维：（1）

璃纤维：（2）碳纤维：（3）硼纤维（4）芳纶纤维（Kevler纤维）（5）陶瓷纤维Al2O3

、SiC、Si3N4

、WC、TiC、B4C和石墨等第四页，共一百二十六页，2022年，8月28日1玻璃纤维概述

玻璃纤维增强塑料，俗称玻璃钢，有玻璃纤维和基体树脂组成。玻璃纤维赋予复合材料强度和刚度，基体则对复合材料的压缩强度、弯曲强度、剪切、耐辐射、耐腐蚀、电性能等密切相关6.2

玻璃纤维增强树脂第五页，共一百二十六页，2022年，8月28日2.玻璃纤维的结构和组成玻璃是由硅氧原子为主组成的不规则网络，网络间存在空穴，空穴中填充着Na＋，K＋、Ca2＋、Mg2＋等金属离子。其结构如图：第六页，共一百二十六页，2022年，8月28日玻纤拉制过程示意图浸润剂:

纺织型浸润剂石蜡，必须除去。增强型浸润剂：第七页，共一百二十六页，2022年，8月28日骨架氧化物：二氧化硅、三氧化二硼改性氧化物：氧化钙、三氧化二铝等；助熔氧化物：氧化钠等第八页，共一百二十六页，2022年，8月28日常用玻纤无碱E玻纤：含碱性氧化物小于0.5％；中碱A玻纤：含碱金属氧化物11.5~12.5%.第九页，共一百二十六页，2022年，8月28日玻璃纤维的物理性能“冻结的液体”：各向同性，无固定熔点，近程有序，远程无序；光滑的圆柱体，直径5～20μm

密度2.4~2.7g/cm3.；拉伸强度1500～4000MPa，直径越细，强度越高。模量7×104，只有钢铁的1/3.第十页，共一百二十六页，2022年，8月28日玻璃纤维的化学性能E玻纤耐水性优于A玻纤，A玻纤耐酸性优于E玻纤。玻纤直径越小，化学稳定性越差第十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日玻纤表面有很强的吸水性吸附的水可是多分子层的第十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日玻纤不耐碱，在碱作用下玻纤骨架破坏第十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日1.偶联剂偶联剂是分子中含有两种不同性质基团的化合物其中一种基团可与增强材料发生化学或物理的作用。另一种基团可与基体发生化学或物理作用。通过偶联剂的偶联作用，使基体与增强材料实现良好的界面结合。玻璃纤维表面改性第十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日1)有机硅烷偶联剂通式：

RnSiX4-nR为有机基团，X为可水解基团，n＝1～4；若n＝1，则通式为：

RSiX3X可以是烷氧基团：

CH3O-,CH3CH2O-在偶联反应过程程中析放出甲醇或乙醇。第十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日硅烷偶联剂作用机理（a）X基团水解，形成硅醇：XSiR+3H

OHOSiR+3HXXXOHOH2第十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日（b）硅醇的硅羟基之间以及硅醇硅羟基与玻纤表面硅羟基之间形成氢键。第十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日（c）硅羟基之间脱水形成-Si-O-Si-键。硅烷偶联剂与玻纤表面以

Si－O－Si化学键结合，同时在玻纤表面缩聚成膜，形成了有机R基团朝外的结构，如图。第十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日硅烷偶联剂处理玻璃纤维表面的反应过程硅烷偶联剂处理玻璃纤维通常经历以下四个阶段：

(1)开始时在偶联剂Si上的三个不稳定X一基团发生水解；

(2)缩合成低聚体；

(3)然后这些低聚体与基质表面上的-OH形成氢键；

(4)最后干燥或固化过程，与基质表面形成共价键和伴随着少量的水。第十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日

界面模型M—O—Si—M—O—Si—M—O—Si—M—O—Si—M—O—Si—M—O—Si—无机介质——偶联剂——高聚物化学键连接界面扩散界面层第二十页，共一百二十六页，2022年，8月28日1)基质表面区域反应数目

2)有机硅烷偶联剂的类型有关3)玻璃纤维/树脂复合有良好的性能，选择合理的碱反应、互穿网络的形成和共价键形成等。偶联剂提高树脂的粘结强度与下列因素有关：润湿性、表面能、边界层吸附、极性吸附、酸－碱反应、网络的形成和共价键等

有机硅烷偶联剂结构对复合材料性能的影响设计理想的界面粘结状态要求：（1）估计纤维和树脂各自对各种偶联剂的敏感性。第二十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日a.偶联剂有三个可水解的基团，形成硬度较大的、且亲水性较高的界面区域；b.带有一个可水解基团的硅烷偶联剂可形成较大憎水性的界面区域；c.带有二个可水解基团的硅烷偶联剂可形成硬度较小的界面区域（2）控制有机硅烷偶联剂上可水解的X基团的数目.

RSiX3第二十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日a.有机硅烷R-基团中带有极性基团（-NH2,-OH,-SH等）处理后的玻璃纤维的表面能高;极性分子有较强的取向作用和色散作用b.R-基团带有不饱和的双键，则处理后的玻璃纤维具有中等地表面能;-电子的移动性而呈现出一定的极性c.R-基团带有不含极性的饱和链烃则处理后的玻璃纤维具有低的表面能非极性分子只有色散作用，没有取向作用和诱导作用

d.带长链烃基比用带短链烃基的硅烷偶联剂处理后的玻璃纤维的表面能较高。

（3）有机硅烷R-基团的影响

RSiX3第二十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日几种常用的硅烷偶联剂A151乙烯基三乙氧基硅烷A172乙烯基三（β－甲氧乙氧基硅烷）A174、KH570γ－甲基丙烯酸丙酯基三甲氧基硅烷2CH=CCO(CH)Si(OCH)CHO33332第二十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日A1100（KH550）γ－胺丙基三乙氧基硅烷A1120（KH843）胺乙基胺丙基三甲氧基硅烷A187（KH560）γ－缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷HN(CH)3

Si(OC2H5)322第二十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日新型硅烷偶联剂a）叠氮硅烷偶联剂

N3SO2—RSi（OCH3）3叠氮基的特点是可以与碳氢键发生反应：第二十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日c)过氧化型硅烷偶联剂R-O-O-R’－SiX3通过X基团的水解，可在增强材料上引入过氧基：过氧基的热裂解在增强剂表面产生自由基，引发乙烯基单体聚合，在增强剂表面接枝上聚合物：第二十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日2有机鉻偶联剂通式：R：CH3－C＝CH2，称为“沃兰”。第二十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日作用机理第二十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日3)钛酸酯类偶联剂（a）单烷氧基类钛酸酯：R一般为异丙基第三十页，共一百二十六页，2022年，8月28日异丙基三异硬脂酰基钛酸酯（TTS）异丙基三（二辛基磷酸酯）钛酸酯（TTOP－12）异丙基三（二辛基焦磷酸酯）钛酸酯（TTOPP－38）第三十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日单烷氧基钛酸酯与增强体表面反应机理第三十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日（b）螯合型钛酸酯如双（二辛基焦磷酸酯）氧乙酸酯钛酸酯（138S）其对与增强体表面作用的机理为第三十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日（c）配位型(RO)4Ti(-X-R’)2第三十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日聚合物基体简介1.不饱和聚酯不饱和聚酯树脂是由饱和二元酸(或酸酐)，不饱和二元酸（或酸酐）与多元醇缩聚而成的聚酯在乙烯基单体（如苯乙烯）中的溶液。第三十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日第三十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日多元醇交联剂第三十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日多元酸（酸酐）与多元醇缩聚，形成主链含有双键的聚酯：第三十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日在引发剂的存在下，不饱和聚酯中的双键与苯乙烯发生自由基共聚反应，交联成三元网状结构过氧化物引发剂：

BPO过氧化甲乙酮过氧化环己酮氧化－还原引发体系：

BPO－N，N-二甲基苯胺过氧化甲乙酮－环烷酸钴过氧化环己酮－环烷酸钴第三十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日2.环氧树脂环氧树脂是指分子结构中含有2个或2个以上环氧基的化合物。环氧基可在分子链末端，也可在分子链的中间。第四十页，共一百二十六页，2022年，8月28日玻璃纤维的新应用1）环保领域；2）能源电子领域3)生物医药第四十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日3.酚醛树脂由酚类和醛类合成的树脂。酚类一般是苯酚，醛类主要是甲醛。热固性酚醛树脂：以碱为催化剂，甲醛/苯酚摩尔比大于1，反应到一定阶段停止，加热固化。热塑性酚醛树脂：以酸为催化剂，甲醛/苯酚摩尔比小于1，加入六次甲基四胺等固化剂材能固化。广泛应用于防腐蚀工程、胶粘剂、阻燃材料、砂轮片制造等行业第四十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日先进复合材料的界面钢铁材料高强、高模，但密度大，易锈蚀。陶瓷材料耐高温、高强，但性脆；玻纤增强塑料强度高，比重轻，但模量不足。因此近年来一直在开发高性能的先进复合材料6.3碳纤维增强树脂第四十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日1高性能增强纤维

1)碳纤维高强度、高模量、耐高温和低比重的“三高一低的特性。碳纤维具有耐高温2000℃以上，仍能保持强度的唯一材料，高比强度、高比模量、热膨胀系数最小、尺寸外急定性好、耐于化学腐蚀，并有导热和导电等系列的综合性能，故碳纤维及共复合材料在航空、航天等尖端技术领域具有特别重要意义金刚石的熔点是3550℃,石墨的熔点是3652℃～3697℃(升华)碳纤维增强塑料

第四十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日碳纤维的性能物理性能密度：1.5～2.0热膨胀系数：小，平行纤维方向有小的负值摩擦系数小，具有润滑性具有导电、导热性。碳纤维红外电热线是一种节能型电热线

碳纤维导电混凝土

石墨炸弹内部碳纤维丝可造成电网破坏

第四十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日力学性能石墨理论强度180GPa，碳纤维3GPa，最高不超过10GPa。模量：200～400GPa强度和模量与纤维热处理温度有关。第四十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日碳纤维的耐化学腐蚀性吸水率低耐酸、耐碱、耐化学药品优良的热稳定性，在惰性气氛中1000～2000℃强度也不下降。第四十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日按性能分类高强度碳纤维（HS）高模量碳纤维（HM）普通碳纤维石墨纤维第四十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日（左）石墨纤维二维结构模型（右）高强度碳纤维三维结构模型第四十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日碳纤维的制备

图碳纤维制备过程示意图碳纤维的分类按原料分类：

聚丙烯腈（PAN）系碳纤维

沥青系碳纤维粘胶系碳纤维其他有机纤维系碳纤维

第五十页，共一百二十六页，2022年，8月28日碳纤维制备过程中可能的反应第五十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日媒体爆料：一名叫张明顺的中国公民涉嫌走私大量M60JB碳纤维，后在美国被捕我国首条T800碳纤维生产线投运我们的T800碳纤维生产线从原丝到技术均为自主研发，而且包括稳定性在内的各项产品性能指标完全可以比肩日本东丽公司同类产品。现在，生产线的开工负荷已提升到90%，5个月来累计产出成品500千克，合格率达到90%以上。”7月16日，江苏航科复合材料科技有限公司总经理声称第五十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日碳纤维的缺点脆性，断裂延伸率低。断裂前没有前兆。复合材料界面结合差高温下易氧化碳纤维与基体作用力弱第五十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日碳纤维的表面处理表面处理的作用：消除表面杂质;增大比表面积；增大表面能，提高对基体树脂的润湿性；引进反应性官能团，与基体形成化学键；形成界面过渡区。第五十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日（1）表面清洁处理在惰性气氛中加热到一定温度保温，清除纤维表面吸附的水分和杂质。第五十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日

高温清洁处理CFRP的性能表面处理比表面积表面特性短梁剪切强度（m2/g)MPa

未处理0.87中性，表面污染

28.1

N2，1200℃2.3中性，清洁73.5硝酸回流8h5.7酸性，清洁71.2第五十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日2）表面氧化处理a)气相氧化处理加热下用空气、氧气、臭氧、二氧化碳及等离子等处理碳纤维，使纤维表面产生含氧基团。优点：设备简单，反应时间短，易连续化；缺点：反应难控制，重复性差，纤维损伤大。加入少量金属杂质，如铜、铅等，可控制催化氧化，防止过度刻蚀纤维。第五十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日（b）液相氧化法用液态氧化剂进行氧化；采用含氧酸溶液氧化法如：HN03、NaClO3+H2SO4、K2Cr207+H2S04、KMn04+NaN03+H2S04、Nal04等优点：氧化效果好，对纤维损伤小；缺点：处理时间长，难连续化，有废酸处理问题。第五十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日硝酸对碳纤维进行氧化处理

硝酸浓度越大，表面生成的羧基浓度越高，硝酸浓度应在60%以上。图硝酸处理碳纤维（WYB85/12）表面羧基浓度的变化第五十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日图硝酸处理时间与表面氧化物浓度的关系第六十页，共一百二十六页，2022年，8月28日表处理介质对处理效果的影响

介质ILSS(MPa)

高锰酸钾10.38

浓硫酸10.98

过硫酸铵14.10

鉻酸>15

未处理5～6第六十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日（c）阳极氧化法以碳纤维为阳极，用电解产生的新生氧对碳纤维进行氧化。操作简便，易控制，可连续化，已工业化；有活性衰退现象；第六十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日表面放电生成新生态氧继而使其氧化，生成羟基、羧基等含氧官能团。同时碳纤维也会受到一定程度的刻蚀。电解质种类不同，氧化刻蚀的历程也不同第六十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日表阳极氧化对CFRP层间剪切强度的影响

电解液处理时间层间剪切强度（min)

（MPa)

－053.3HNO3185.1NaOH2.592.1第六十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日3）低温等离子处理对纤维损伤小；处理效果好；无三废问题；须高真空，难连续化。第六十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日氧气为例说明等离子组成第六十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日低温等离子体的产生方式气体放电等离子体

（电场作用加速荷电粒子导致电离）

1）低气压放电：直流辉光放电高频放电（微波、射频）

2）高气压放电：直流弧光放电(~LTE)

电晕放电(NTE)

介质阻挡放电(NTE)2.热致电离等离子体

(高平动能原子、分子碰撞导致电离)

高温燃烧、爆炸、击波3.辐射电离等离子体

（光电离）

X-射线、紫外光等第六十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日电晕层外区（暗区）电晕放电形成条件:

二电极曲率半径相差悬殊(线筒、线板、针板）特点：1.高气压(105-106Pa)高电压降(103-105V)低电流密度

(10-3-10-6A/cm2)4.Te>>Ti

Tg

102°K

电晕层筒状电极线电极第六十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日介质阻挡放电Commondielectric-barrierdischargeelectrodeconfigurationsplanarandcylindricaldielectric-barrierdischarges第六十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日介质阻挡放电形成条件:二电极间有绝缘介质存在交变电场特点：1.高气压(105-106Pa)高电压降(103-105V)低电流密度

(10-2-10-3A/cm2)Te>>TiTg

102°K

HV（a.c.)第七十页，共一百二十六页，2022年，8月28日低温等离子处理1)通过等离子的UV辐射使纤维在纺丝过程中形成的表面弱结合层交联,从而提高PE表面内聚强度。2)等离子处理使纤维表面产生了羟基，羧基，酯键和羰基等活性基团，有利于纤维基体树脂的化学结合。3)等离子处理可提高纤维的表面能，有利于基体树脂对纤维的浸润。4)处理后纤维表面形成沟槽，表面粗糙度提高，有利于基体的机械锚合。第七十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日表碳纤维表面含氧基团量与处理时间关系处理时间羧基量羰基量羟基量酯键量

min％％％％

03.46.416.5310.418.825.1614.720.127.3910.517.921.88.01211.316.622.48.31511.917.222.18.5第七十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日产生各种含氧的活性官能团，如羧基(一C00H)、羟基(一OH)、羰基(C＝0)、、醚基(一O—)、内酯基等碳纤维经过氧化处理化学效应物理效应改变碳纤维表面的表面积结晶大小表面形态和表面能碳纤维经过氧化处理后，使其表面出现化学效应和物理效应第七十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日碳纤维表面的含氧活性基团可以被进一步接枝上具有不同性能的高聚合物

第七十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日（2）使纤维／树脂复合材料不仅具备较高的层间剪切强度，而且大大提高其抗冲击韧性及抗水性能（3）借助选择接枝-主聚物大分子的组分和链的构型，可以提高复合材料的其它机械性能(抗弯强度、抗冲击强度)或防止碳纤维复合材料燃烧破坏时发生飘散的碳纤维碎片所造成的公害。(1)碳纤维氧化表面处后其表面形成的-COOH或-OH含氧基团可进一步与含有OH、一COOH、NH2等官能闭的化合物进行(缩聚反应、加成．偶极一偶极反应等)接枝反应4）引入的弹性链段可以减弱界面应力。第七十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日4)表面涂层法a）涂层可保护纤维免受损伤，提高纤维的集束性，有利于发挥纤维的强度；b）涂层可改变纤维表面性能，提高纤维对基体树脂的浸润性；c）涂层中若有反应性官能团则有助于纤维表面与基体树脂的化学结合；d）涂层可保护表面处理后纤维表面活性的消失

有机物涂层：电聚合涂层、等离子体接技聚合涂层及化学接枝反应等；无机物涂层：采用溶液-还原法形成碳涂层、化学气相沉积法形成碳、FeC或SiC涂层、或形成SiC晶须第七十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日表碳纤维表面涂层的处理效果涂层物σc(MPa)ILSS(MPa)Wa(mJ/m2)未涂层30.59.7091CF＋E51环氧4013.04109聚乙烯醇缩丁醛3512.74101AG80＋甲基醚唑459.4299剪切强度ILSS提高35％第七十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日表面沉积无机物（CVD）CVD过程的化学反应：热分解：CH4C+2H2氢还原：

SiCl4

＋2H2Si＋4HCl加热表面沉积碳生长硅晶体第七十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日

以碳纤维为阳极或阴极，在电解质溶液中使乙烯基单体聚合在碳纤维表面上电解液：10％丙烯酸加0.1M的硫酸溶液

电聚合水洗烘干浸胶缠绕碳纤维

电聚合处理第七十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日

碳纤维增强复合材料的界面模型交联密度是PU-I>pu>PU—M

Polyurethane第八十页，共一百二十六页，2022年，8月28日6.4有机纤维增强树脂第八十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日Kevlar纤维的“皮-芯”结构模型图皮层是刚性大分子链伸直呈现为棒状，紧密排列，沿轴向成纤维状结构；芯部沿轴向较松散排列的串晶聚集体组成。第八十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日UHMWPE、UHMPE、

UHSPE相对分子质量：（1～5）×106高度结晶、高度取向是一种高分子化合物，很难加工，并且具有超强的耐磨性、自润滑性，强度比较高、化学性质稳定、抗老化性能强第八十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日有机纤维不足之处表面惰性，表面能低；复合材料界面结合差，层间剪切强度低。第八十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日1)芳纶纤维等离子处理

表Kevlar纤维等离子处理效果处理气氛接触角（度）表面能（J/m2)

表面元素含量（％）ILSS

水乙二醇σsCNOMPa未处理70.047.234.0587.6910.521.7846.0空气，60s64.640.836.0780.8617.241.9053.9空气，600s56.832.043.7672.2923.584.1357.7空气＋丙烯腈57.733.543.0171.1321.137.69－空气＋丙烯酰胺58.533.842.4880.519.3310.281.2第八十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日

等离子处理时间对UHMWPE纤维ILSS的影响处理时间（min）ILSS（MPa）

116.0316.3417.4518.1815.3第八十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日

等离子处理前后

UHMWPE/环氧复合材料的性能未处理等离子处理纤维含量（％）5651

弯曲强度（MPa）146234

弯曲模量（MPa）2028

单丝拔出强度（MPa）0.542.56第八十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日2)表面接枝

化学接枝芳纶在二甲亚砜溶剂中与NaH形成离子化物，再与RX反应第八十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日优点：辐照与接枝过程同时进行，操作比较简便。缺点：体系在发生接枝聚合的同时也会发生单体的均聚反应，降低了接枝效率，而且生成的均聚物粘附在基材上，去除困难。3)辐照处理第八十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日3)芳纶表面涂层聚氨酯弹性体Kevlar纤维弹性体异氰酸酯第九十页，共一百二十六页，2022年，8月28日设计纤维增强型树脂复合材料其它考虑的因素：1）复合材料树脂基体的断裂伸长率应为纤维断裂伸长率的2—3倍为宜2）纤维和树脂复合过程界面的充分接触和浸润，以及复合材料的界面效应不仅与纤维表面状态特征有关，而且与树脂本身的特性密切相关（3）树脂的结构(线型的或交联的、无定形的或结晶型的、混杂树脂基体如物理共混或互穿高聚物网络工PN或热塑性一热固性树脂的半互穿高聚物网络SIPN等)和力学性能(抗张强度和模量及延伸率等)及热性能(热膨胀系数及玻璃化转变温度、熔融粘度等)都将影响复合材料的界面的性能和破坏机理。第九十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性。纤维采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。

纤维在基体中的不同分布方式第九十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日第九十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日6.5纤维增强陶瓷复合材料陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化，但韧性低、难加工。在陶瓷材料中加入纤维增强，能大幅度提高强度，改善韧性，并提高使用温度。陶瓷中增韧纤维受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料韧性越好。C/C复合材料Si/Si复合材料第九十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日陶瓷基复合材料:

由碳纤维、碳化硅纤维、晶须、金属丝与陶瓷基体组成的复合材料。耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨，但存在严重的脆性。纤维、晶须、金属丝与陶瓷基体的复合，在于改善陶瓷材料的韧性。用于发动机、高性能燃气轮机，提高热机效率。陶瓷刀具。6.5纤维增强陶瓷基复合材料的界面

喷气发动机燃烧室内燃烧区的温度高达1800～2000℃第九十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日增强纤维氧化物系列：Al2O3非氧化物：SiCSi3N4WCTiCB4C碳纤维金属纤维：WMoTa合金丝等基体玻璃及玻璃陶瓷基体（钙吕硅酸盐；硼硅酸盐等氧化物基体（氧化铝、氧化锆等）非氧化物（SiC、Si3N4等）第九十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日纤维增强陶瓷基复合材料(ａ)和单相陶瓷(ｂ)的应力应变曲线示意图纤维增强陶瓷基复合材料断裂过程示意图陶瓷基复合材料的破坏过程大致可分为三个阶段:1.第一个阶段为ＯＡ段。在此阶段，应力水平较低,复合材料处于线弹性状态。当应力达到Ａ点时，由于基体所受应力超过基体极限强度,基体出现裂纹,使复合材料的应力应变曲线开始与线性偏离。纤维增强陶瓷基复合材料增韧增强机制第九十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日2.第二个阶段为ＡＢ段。随着应力的提高,基体裂纹越来越大。当应力达到Ｂ点后,复合材料内纤维开始断裂,Ｂ点应力即为复合材料的极限强度。3.第三个阶段为ＢＣ段。此阶段对应于纤维脱粘、纤维断裂和纤维拔出等过程，基体开裂、基体裂纹逐渐向纤维与基体间界面扩展、应力在基体中的传播、界面的形变、纤维脱粘、纤维断裂和纤维拔出等复杂过程吸收大量外在能量，从而达到增韧增强目的。第九十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日

1)界面的粘结形式

2)界面的作用

3)界面性能的改善2.陶瓷基复合材料的界面第九十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日

对于陶瓷基复合材料来讲，界面的粘结形式主要有两种：

(1)机械粘结

(2)化学粘结1)界面的粘结形式第一百页，共一百二十六页，2022年，8月28日由于陶瓷基复合材料往往是在高温条件下制备，而且往往在高温环境中工作，因此增强体与陶瓷之间容易发生化学反应形成化学粘结的界面层或反应层。若基体与增强体之间不发生反应或控制它们之间发生反应，那么当从高温冷却下来时，陶瓷的收缩大于增强体，由于收缩而产生的径向压应力r

与界面剪应力有关：第一百零一页，共一百二十六页，2022年，8月28日＝r式中，是摩擦系数，一般为0.1~0.6。此外，基体在高温时呈现为液体(或粘性体)，它也可渗入或浸入纤维表面的缝隙等缺陷处，冷却后形成机械结合。第一百零二页，共一百二十六页，2022年，8月28日

实际上，高温下原子的活性增大，原子的扩散速度较室温大的多，由于增强体与陶瓷基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。

此时，增强体与基体之间的界面是具有一定厚度的界面反应区，它与基体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性的。例如Al2O3/SiO2系中会发生反应形成强的化学键结合。第一百零三页，共一百二十六页，2022年，8月28日2、界面的作用对于陶瓷基复合材料来讲，界面粘结性能影响陶瓷基体和复合材料的断裂行为。对于陶瓷基复合材料的界面来说，一方面应强到足以传递轴向载荷，并具有高的横向强度；第一百零四页，共一百二十六页，2022年，8月28日另一方面，陶瓷基复合材料的界面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。因此，陶瓷基复合材料界面要有一个最佳的界面强度。第一百零五页，共一百二十六页，2022年，8月28日

强的界面粘结往往导致脆性破坏，如下图(a)所示，裂纹可以在复合材料的任一部位形成，并迅速扩展至复合材料的横截面，导致平面断裂。纤维基体(a)强界面结合第一百零六页，共一百二十六页，2022年，8月28日平面断裂主要是由于纤维的弹性模量不是大大高于基体，因此在断裂过程中，强的界面结合不产生额外的能量消耗。第一百零七页，共一百二十六页，2022年，8月28日若界面结合较弱，当基体中的裂纹扩展至纤维时，将导致界面脱粘，其后裂纹发生偏转、裂纹搭桥、纤维断裂以致最后纤维拔出(图b)。(b)弱界面结合第一百零八页，共一百二十六页，2022年，8月28日a不良结合b结合适中c结合稍强d结合过强C/AlMMC不同结合状态下的断口形貌

第一百零九页，共一百二十六页，2022年，8月28日

裂纹的偏转、搭桥、断裂以致最后纤维拔出等，这些过程都要吸收能量，从而提高复合材料的断裂韧性，避免了突然的脆性失效。第一百一十页，共一百二十六页，2022年，8月28日3、界面性能的改善为获得最佳的界面结合强度