复合材料的界面及复合原则.ppt

1、A，1，复合原理和复合材料的界面，A，2，第1节复合原理如果你想制备一种好的复合材料，你应该首先根据所需的性能进行设计，这样你就可以成功地制备出一种具有理想性能的复合材料。复合材料设计应遵循的原则如下：A、3、1。材料成分的选择选择最合适的材料成分尤为重要。在选择材料组件时，首先要明确每个组件在使用中的功能，也就是说，必须明确对材料性能的要求。A、4，以复合材料组分，即复合材料需要达到以下性能，如高强度、高刚性、高耐腐蚀性、耐磨性、耐热性或其它导电和传热性能或一些综合性能如高强度、耐腐蚀性和耐热性。因此，有必要根据复合材料所需的性能来选择复合材料的基体材料和增强材料。例如，如果设计的复合材料用

2、作结构构件，复合的目的是使复合材料具有最佳的强度、刚度和韧性等。一，六。因此，在设计用于结构构件的复合材料时，首先必须清楚的是，其中一个部件主要起承载作用，并且它必须具有高强度和高模量。该组件是要选择的增强材料；其他构件应起到荷载传递和协调的作用，加固材料应粘结在一起。这些组件是要选择的基体材料。一，七。其次，除了性能要求之外，还应考虑复合材料各组成部分之间的相容性，包括物理、化学和机械性能的相容性，使材料各组成部分能够协调工作。在任何使用环境中，伸长、弯曲、应变等。复合材料的各组成部分之间应相互协调或相互配合。第三，我们应该考虑复合材料各组分之间的润湿性，以便在增强材料和基体之间获得具有一定

3、结合强度的理想界面。合适的界面结合强度不仅有利于提高材料的整体强度，更重要的是便于将基体承受的载荷通过界面传递给增强材料，从而充分发挥其增强效果。A、9、如果粘结强度太低，界面很难传递载荷，不能起到潜在材料的作用，影响复合材料的整体强度；然而，过高的粘结强度是不利的，这抑制了复合材料断裂的能量吸收，并且易于发生脆性断裂。此外，应结合整个复合材料的结构来考虑。就颗粒和纤维增强复合材料而言，增强效果与颗粒或纤维的体积含量、直径、分布距离和分布状态有关。颗粒增强和纤维增强复合材料的设计原则如下：A，11，1。颗粒增强复合材料的原理：(1)颗粒应高度分散并均匀分散在基体中，这样它们可以阻碍位错运动(金

4、属、陶瓷基体)或分子链运动(聚合物基体)，从而导致塑性变形。12、(2)粒径的大小应合适。因为粒径太大，会造成应力集中或自身断裂，从而导致材料强度降低；如果颗粒直径太小，它不会大大增强。因此，平均粒度为几微米至几十微米。A、13和(3)中的粒子数通常大于20%。数量太少，无法达到最佳加固效果。(4)颗粒和基体之间应该有一定的附着力。纤维增强复合材料的原理(1)纤维的强度和模量高于基体，即纤维应具有高模量和高强度，因为在大多数情况下，除少数情况外，载荷主要由增强纤维支撑。(2)纤维与基体之间应有一定的粘结作用，两者的结合应保证力通过界面传递给纤维。纤维和基体的热膨胀系数不应一般来说，基体中纤维的

5、体积含量越高，增强效果越显著。纤维直径越细，缺陷越小，纤维强度越高。连续纤维的增强效果远远高于短纤维，不连续短纤维的长度必须大于一定长度(一般长径比 5)才能表现出明显的增强效果。一，十七，二。制备方法的选择在选择材料成分后，必须考虑所采用的复合工艺路线，即具体的制备方法。在选择制备方法时应考虑以下四个方面：A、18、(1)所选择的工艺方法对材料成分的损伤最小，特别是当纤维或晶须掺入基体时，一些机械混合方法往往会对纤维或晶须造成损伤；A、19、(2)可以使任何形式的增强材料(纤维、颗粒、晶须)根据预先设计的要求均匀分布或规则排列；(3)使最终的复合材料充分发挥各组成部分在性能上的作用，即扬长避

6、短，各组成部分仍保持其固有特性。A，20，在选择制备方法时还应考虑性能价格比，在满足复合材料应用要求的情况下，应尽量选择简单易行的工艺，以降低制备成本。根据不同的增强材料和基体特性，应采用不同的制备方法。例如，在金属基复合材料中，当纤维、颗粒和晶须用于增强时，也使用固体方法，但是当纤维用于增强时，通常使用扩散结合；当用颗粒或晶须增强时，通常使用粉末冶金。因为如果在颗粒或晶须的增强中采用扩散结合，制造过程将非常复杂，并且不能保证颗粒或晶须的均匀分散。A，22，第2节复合材料的界面复合材料的界面是指基体和增强体之间化学成分发生显著变化的微小区域，它们相互结合并在载荷传递中发挥作用。尽管复合材料的界

7、面非常小，但是它的尺寸范围从几纳米到几微米，并且它是一个区域或带或层，并且它的厚度不均匀分布。A，24，界面通常包括以下部分：基体和加强件之间的原始接触面的一部分；基体和增强体之间相互作用产生的反应产物，以及该产物与基体和增强体之间的接触面；A、25、基体与钢筋的互扩散层；钢筋表面涂层；基体上的氧化物与增强体之间的界面及其反应产物等。A，26，在化学成分上，除了基体、增强体和涂层中的元素外，还有合金元素和基体中的杂质以及环境带来的杂质。这些成分要么以原始状态存在，要么重组成新的化合物。因此，界面处的化学成分和相结构非常复杂。A，27，界面是复合材料的特征，而界面的功能可以概括为以下效果。(1)

8、传递效应界面能传递力，即把外力传递给钢筋，在基体和钢筋之间起到桥梁的作用。(2)结合适当界面的阻塞效应可以防止裂纹扩展，中断材料损伤，减缓应力集中。不连续效应导致界面物理性质和界面摩擦的不连续，例如电阻、电感、磁性、耐热性和尺寸稳定性。(4)散射和吸收效应光波、声波、热弹性波和冲击波在界面处产生散射和吸收，例如透光率、隔热性、隔音性、抗机械冲击性和抗热冲击性。诱导效应一种物质(通常是增强体)的表面结构改变了另一种物质(通常是聚合物基体)的结构，后者由于诱导效应而与之接触，从而导致一些现象，如强弹性、低膨胀性、抗冲击性和耐热性。在界面上产生的这些效应是任何单体材料都不具有的特性，并且它们具有因此

9、，在任何复合材料中，界面和改善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和能否推广的一个非常重要的问题。界面效应不仅与界面的结合状态、形态和物理化学性质有关，还与界面两侧组分材料的润湿性、相容性和扩散性密切相关。A，32，复合材料中的界面不是简单的几何平面，而是多层结构的过渡区。界面区域从不同于增强剂的内部性质的点开始，并达到与树脂基质的整体性质一致的点。A，33，界面区域的结构和性质不同于这两个相的任何一个。在结构上，该界面区由五个子层组成(如下图所示):A，34，界面区1示意图外力场；双位点树脂基质；3-基底表面积；4-互穿区域5-增强剂表面；6-增强剂，各亚层的性能与树脂基体和增

10、强剂的性能、偶联剂的种类和性能以及复合材料的成型方法密切相关。35，基体和增强体通过界面结合在一起形成整个复合材料，界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响。因此，各种复合材料都需要合适的界面结合强度。A，36，界面结合强度一般由分子间力、表面张力(表面自由能)等表示，但实际上有许多因素影响界面结合强度。A、37等表面几何形状、分布和纹理；表面吸附气体和蒸汽的程度；表面吸水，杂质存在；界面表面形态的溶解、渗透、扩散和化学反应；表面层的机械性能、润湿速度等。因为界面面积占整个材料的一小部分，所以很难单独测量某一特性。因此，界面性质通常由整个材料的机械性质来表征，例如层间剪切强度(ILSS)

11、，这是研究界面粘附的好方法。如果结合断口形貌分析，可以进一步研究界面的其他性质。参考文献A，39，因为复合材料的失效形式随着所施加的力的类型和原材料的结构组成而变化，失效可以从树脂基体或增强剂或界面开始。甲，40。从力学分析可以看出，大多数界面性能差的材料都是剪切破坏，在材料的横截面上可以观察到脱粘、纤维拔出和纤维应力松弛等现象。然而，具有强界面粘附性的材料的脆性也降低了材料的复合性能。界面的最佳状态是当裂纹在应力作用下发生时，裂纹可以转变成区域化而不会进一步界面脱粘。也就是说，复合材料此时具有最大的断裂能和一定的韧性。可以看出，在研究和设计界面时，我们不仅要追求界面结合，还要考虑优化和最佳综

12、合性能。例如，在一些应用中，如果需要能量吸收或者纤维应力很大，可能需要控制界面的部分剥离。以淀粉或明胶为增强玻璃纤维表面润湿剂的粗纱，已用于制备高冲击强度的防弹服。A、44、由于界面尺寸小且不均匀，化学成分和结构复杂，机械环境复杂，没有直接、准确的定量分析界面结合强度、界面厚度和界面应力状态的方法；45岁。因此，对于界面结合状态、形态、结构及其对复合材料性能的影响，目前还没有合适的测试方法。通常，拉曼光谱、电子质谱、红外扫描、X衍射等测试需要逐步探索和统一认识。甲，46。此外，很难对成分和相结构进行全面分析。因此，到目前为止，对复合材料界面的认识还很不充分，不可能建立一个完整的理论和通用模型。

13、虽然有界面结合强度对复合材料的整体力学性能有很大影响，过高或过低的界面结合都是不利的。因此，人们非常重视复合界面微区的研究和优化设计，从而制备出综合性能最佳的复合材料。下图显示了影响复合材料界面效应的因素及其与复合材料性能的关系。增强材料：纤维、晶须、颗粒、片状基体：聚合物、金属、陶瓷、碳等。大量事实证明，复合材料的界面本质上是厚度在纳米级以上的夹层或界面。51界面相是一种新相，其结构随增强材料而变化，与基体明显不同。界面相还包括预先涂覆在增强材料表面上的表面处理剂层和在增强材料经受表面处理后反应的界面层。A，52，结构复合材料，界面层的作用是通过界面层将施加在整体上的力从基体传递到增强部件，

14、这需要足够的界面结合强度。在粘合过程中，两个表面之间的相互润湿是第一个条件。53，界面层的另一个功能是能够在一定的应力条件下脱粘，并将增强纤维从基体中拉出并引起摩擦。这样，外部载荷的能量可以通过脱粘来吸收，增加表面能、拉功和摩擦功，从而提高其抗损伤能力。从以上两个方面考虑，要求界面具有最佳的结合状态。在设计复合材料时，仅仅考虑复合材料具有中等粘附力的界面层是不够的，还要考虑哪种界面层是最合适的。A，55，关于界面层有两种观点，一种是界面层的模量应该在增强材料和基体材料之间，最好形成梯度过渡。另一种观点认为，界面层的模量低于增强材料和基体的模量，最好是橡胶状弹性体，受力时变形大。A，56，前者从

15、机械的角度来看，会产生好的结果；根据可变形层理论，集中在界面上的应力点可以迅速分散，从而提高整体力学性能。前两种观点有一些实验上的支持，但还没有定论。然而，如果界面层的模量高于增强材料和基体的模量，将会产生不良影响，这是普遍公认的观点。实验表明，金属基复合材料容易发生界面反应，产生脆性界面反应层。在低应力条件下，界面将被破坏，从而降低复合材料的整体性能。因此，界面层控制是复合材料设计的一个重要方面。界面层的形态、厚度和结构可以通过先进的科学仪器进行观察和分析，如原子发射光谱法、电子探针法、电子能谱法、扫描电镜法、电子能谱法和透射电镜法等。在碳纤维表面涂覆惰性涂层和能与基体树脂反应或聚合的涂层。

16、对比发现，惰性涂层效果较好，而活性涂层效果较差，因为它降低了相界面的润湿性。不良的润湿会导致界面处的空隙，这将容易导致复合材料的应力集中和裂纹。甲，62。此外，选择合适的偶联剂非常重要。用于处理增强材料表面的所选偶联剂应包含能与增强材料发生化学反应的官能团和能与聚合物基体发生化学反应的官能团。例如，用硅烷作为玻璃纤维的偶联剂可以大大改善复合材料的性能，碳纤维经过氧化处理或等离子体处理以及适当的涂层后可以获得良好的效果。金属基复合材料的界面设计金属基复合材料的特点是界面反应容易产生脆性界面。如果基体是一种合金，某些元素就很容易转变成金属基复合材料界面控制的研究主要包括以下两个方面：1 .增强材料的表面处理，增强材料部