復(fù)合材料的界面理論教學(xué)課件ppt

1、第四章 復(fù)合材料的界面理論,2,界面與表面的幾個(gè)概念,界面(Interface)：密切接觸的兩相之間的過(guò)渡薄層區(qū)域，厚度約幾個(gè)分子大小，稱為界面。例如，液-氣(l-g)，固-氣(s-g)，固-液(s-l)，液-液(l-l)，固-固(g-g)。,表面(surface)：一相為氣體的界面?！」腆w表面：固-氣界面液體表面：液-氣界面,3,界面與表面的幾個(gè)概念,由圖可知，液體表面層分子所受合力不為零，而是受到一個(gè)指向液體內(nèi)部的拉力F。,

2、4,界面與表面的幾個(gè)概念,比表面積：?jiǎn)挝惑w積或單位質(zhì)量的物質(zhì)所具有的表面積。,體積比表面,質(zhì)量比表面,As、V、m-分別為物質(zhì)的總表面積、體積和質(zhì)量。,5,界面與表面的幾個(gè)概念,1cm3立方體分散為小立方體時(shí)體積表面的變化,微小顆粒具有巨大比表面積，往往產(chǎn)生明顯的界面效應(yīng)，必須充分考慮界面性質(zhì)對(duì)系統(tǒng)的影響。,6,由物理、化學(xué)的知識(shí)可知，凡是不同相共存的體系，在相與相之間都存在著界面。復(fù)合材料是由增強(qiáng)體和基體結(jié)合在一起的一個(gè)整體，基體和

3、增強(qiáng)體之間必然存在著界面。界面是復(fù)合材料的重要組成部分，它的結(jié)構(gòu)、性能以及結(jié)合強(qiáng)度等因素，直接關(guān)系到復(fù)合材料的性能。,7,本章主要內(nèi)容,4.1 復(fù)合材料界面的基本概念4.2 常見復(fù)合材料的界面4.3 增強(qiáng)體的表面處理4.4 復(fù)合材料的界面表征方法4.5 界面的優(yōu)化設(shè)計(jì),§4.1 復(fù)合材料界面的基本概念,8,復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)體之間化學(xué)成分有顯著變化、能夠彼此結(jié)合、傳遞載荷的微小區(qū)域。,1、界面的定義,復(fù)合

4、材料的界面雖然很小，但它是有尺寸的，約幾個(gè)納米到幾個(gè)微米，是一個(gè)區(qū)域或一個(gè)帶、或一層，它的厚度呈不均勻分布狀態(tài)。界面在復(fù)合材料中所占的比例很大。,復(fù)合材料的界面是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)域，此區(qū)域的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)都不同于兩相中的任何一相。,9,界面的結(jié)構(gòu)：,復(fù)合材料的界面示意圖,1、外力場(chǎng)2、基體3、基體表面區(qū) 4、相互滲透區(qū)5、增強(qiáng)劑表面區(qū)6、增強(qiáng)劑,10,2、界面的種類,1) 機(jī)械結(jié)合界面?；w與增強(qiáng)材料之間不發(fā)生化

5、學(xué)反應(yīng)，純粹靠機(jī)械連結(jié)，靠纖維的粗糙表面與基體產(chǎn)生摩擦力而實(shí)現(xiàn)的。,在鋼筋與混凝土之間的界面上會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力，為此，在預(yù)應(yīng)力鋼筋的表面帶有螺紋狀突起。,11,表面越粗糙，互鎖作用越強(qiáng)，機(jī)械粘結(jié)作用越有效。但表面積隨著粗糙度增大而增大，其中有相當(dāng)多的孔穴，粘度大的液體是無(wú)法流入。造成界面脫粘的缺陷，而且也形成了應(yīng)力集中點(diǎn)，影響界面結(jié)合?！　〗饘倩w復(fù)合材料和陶瓷復(fù)合材料有這類結(jié)合方式 。 在大多數(shù)情況下，純粹機(jī)械粘結(jié)作用很難遇

6、到，往往是機(jī)械粘結(jié)作用與其它粘結(jié)機(jī)理共同起作用。,12,2、界面的種類,2) 溶解和潤(rùn)濕結(jié)合界面。基體潤(rùn)濕增強(qiáng)材料，相互之間發(fā)生原子擴(kuò)散和溶解，形成結(jié)合。界面是溶質(zhì)原子的過(guò)渡帶。,浸潤(rùn)性是表示液體在固體表面上鋪展的程度。浸潤(rùn)不良會(huì)在界面上產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致界面缺陷和應(yīng)力集中，使界面強(qiáng)度下降。良好的或完全浸潤(rùn)將使界面強(qiáng)度大大提高，甚至優(yōu)于基體本身的內(nèi)聚強(qiáng)度。浸潤(rùn)性僅僅表示了液體與固體發(fā)生接觸時(shí)的情況，而并不能表示界面的粘結(jié)性能。潤(rùn)濕是組分

7、良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件,13,在制備聚合物基復(fù)合材料時(shí)，樹脂對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性是指樹脂能否均勻地分布在增強(qiáng)材科的周圍，這是樹脂與增強(qiáng)材料能否形成良好粘結(jié)的重要前提。 在制備金屬基復(fù)合材料時(shí)，液態(tài)金屬對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性，則直接影響到界面粘結(jié)強(qiáng)度。如W/Cu、W/Ni、C/Ni、BN/ZrO2的復(fù)合體系。,14,2、界面的種類,3)反應(yīng)結(jié)合界面?；w與增強(qiáng)材料間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上生成化合物，以化學(xué)鍵連接基體和增強(qiáng)體，

8、使基體和增強(qiáng)材料結(jié)合在一起。,15,反應(yīng)結(jié)合理論最成功的應(yīng)用是偶聯(lián)劑用于增強(qiáng)體表面與聚合物基體的粘結(jié)。如硅烷偶聯(lián)型具有兩種性質(zhì)不同的官能團(tuán)，一端為親玻璃纖維的官能團(tuán)(X)，一端為親樹脂的官能團(tuán)(R)，將玻璃纖維與樹脂粘結(jié)起來(lái)，在界面上形成共價(jià)鍵結(jié)合。,16,4)交換反應(yīng)結(jié)合界面。基體與增強(qiáng)材料間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成化合物，且還通過(guò)擴(kuò)散發(fā)生元素交換，形成固溶體而使兩者結(jié)合。,2、界面的種類,對(duì)于聚合物基體復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，這種粘結(jié)機(jī)理可看作為分

9、子鏈的纏結(jié)。而對(duì)于金屬和陶瓷基復(fù)合材料，兩組元的互擴(kuò)散可產(chǎn)生完全不同于任一原組元成分及結(jié)構(gòu)的界面層。金屬基復(fù)合材料中界面層常常是AB、AB2、A3B類型的脆性的金屬間化合物,5)混合結(jié)合界面。這種結(jié)合較普遍，是最重要的一種結(jié)合方式。是以上幾種結(jié)合方式中幾個(gè)的組合。,17,18,3、界面的作用（界面效應(yīng)）,傳遞效應(yīng)——界面能傳遞載荷，即將外力傳遞給增強(qiáng)體，起到基體和增強(qiáng)體之間的橋梁作用。阻斷效應(yīng)——結(jié)合適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、中斷材

10、料破壞、減緩應(yīng)力集中、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用。,界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能歸納為以下幾種效應(yīng)：,19,阻止裂紋的擴(kuò)展,20,3、界面的作用（界面效應(yīng)）,不連續(xù)效應(yīng)——在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應(yīng)性、磁性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等。,21,散射和吸收效應(yīng)——光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機(jī)械沖擊及耐熱沖擊性等。,3、界面的作用（界面效應(yīng)）,22,誘導(dǎo)效

11、應(yīng)——一種物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)（通常是增強(qiáng)體）使另一種與之接觸的物質(zhì)（通常是基體）的表面結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)彈性、低膨脹性、耐沖擊性和耐熱性等。,3、界面的作用（界面效應(yīng)）,23,界面效應(yīng)是任何一種單一材料所沒有的特性，它對(duì)復(fù)合材料具有重要的作用。例：在顆粒均勻分布強(qiáng)化金屬基體中，顆粒阻止晶格位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高復(fù)合材料強(qiáng)度；在纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料中，纖維與基體界面阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展等。界面效應(yīng)既與界面結(jié)

12、合狀態(tài)、形態(tài)和物理-化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，也與復(fù)合材料各組分的浸潤(rùn)性、相容性、擴(kuò)散性等密切相關(guān)。,24,界面的結(jié)合強(qiáng)度主要取決于界面的結(jié)構(gòu)、物理與化學(xué)性能。具有良好結(jié)合強(qiáng)度的界面，可以產(chǎn)生如下強(qiáng)化效應(yīng)：阻止裂紋的擴(kuò)散，提高材料的韌性；通過(guò)應(yīng)力傳遞，使強(qiáng)化相承受較大的外載荷，提高復(fù)合材料的承載能力；分散和吸收各種機(jī)械沖擊和熱沖擊的能量，提高抗外加沖擊的能力；使強(qiáng)化相與基體產(chǎn)生既相互獨(dú)立又相互協(xié)調(diào)的作用，彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，獲得新的材料使用性能

13、。,界面對(duì)復(fù)合材料性能的影響,（1）界面結(jié)合強(qiáng)度是影響復(fù)合效果的最主要因素：,25,界面結(jié)合較差，增強(qiáng)體不能發(fā)揮作用；界面結(jié)合過(guò)強(qiáng)，材料破壞過(guò)程的裂紋容易擴(kuò)展到界面，直接沖擊增強(qiáng)體則呈脆性斷裂。 最佳狀態(tài)的界面，裂紋沿界面擴(kuò)展形成曲折的路徑耗散較多的能量，即這時(shí)的復(fù)合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。 研究和設(shè)計(jì)界面時(shí)，不應(yīng)只追求界面結(jié)合強(qiáng)度而應(yīng)考慮到復(fù)合材料綜合力學(xué)性能。,26,（2）影響界面結(jié)合強(qiáng)度的因素,①?gòu)?fù)合材料組

14、成與結(jié)構(gòu)形成：一般認(rèn)為纖維狀的強(qiáng)化相與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，比顆粒狀的強(qiáng)化相的要好。②組元的物理與化學(xué)性能：強(qiáng)化相與基體熱膨脹系數(shù)是否一致，相差過(guò)大會(huì)影響結(jié)合強(qiáng)度；能否產(chǎn)生界面浸潤(rùn)、擴(kuò)散或化學(xué)反應(yīng)。③制備與成形工藝：工藝不同，對(duì)界面產(chǎn)生浸潤(rùn)、擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)的影響不同。,27,28,4、界面的潤(rùn)濕性,從熱力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)考慮兩個(gè)結(jié)合面與其表面能的關(guān)系，一般用表面張力來(lái)表征其表面能。,表面張力,皂膜有上下兩個(gè)面，因此：,F= ?·2l

15、,?，引起液面收縮的單位長(zhǎng)度上的力，稱為表面張力。 單位：N·m-1。,表面張力的方向沿著液面方向作用。,29,表面功,用外力 F 使皂膜面積增大dA 時(shí)，需克服表面張力作可逆表面功：,?，使液體增加單位表面積時(shí)環(huán)境所作的可逆功，稱為比表面功。單位：J·m-2,30,比表面吉布斯函數(shù)（表面能）,等溫、等壓下系統(tǒng)的吉布斯函數(shù)變等于可逆非體積功：,表面張力、比表面功、比表面能三者物理意義不同，但數(shù)值和量綱是等

16、同的，單位均可化為 N·m-1。,?，等溫等壓下，增加單位表面時(shí)系統(tǒng)所增加的吉布斯函數(shù)，稱為比表面吉布斯函數(shù)。單位：J·m-2,31,界面張力與界面自由能,兩相之間的界面層的張力稱為界面張力.兩相之間的界面層的自由能稱為界面自由能。,潤(rùn)濕性是指固體—液體在分子水平上緊密接觸的可能程度，或液體在固體表面自動(dòng)鋪展的程度。,潤(rùn)濕條件,①鋪展系數(shù)Sl/g,4、界面的潤(rùn)濕性,32,②接觸角θ,4、界面的潤(rùn)濕性,根據(jù)力的合成:

17、粘合功可表示為：,直觀表示液體潤(rùn)濕固體的情況。,33,粘合功WA最大時(shí)， cos ? =1，即? = 0º，液體完全平鋪在固體表面。,當(dāng)?=0º，液體完全鋪展在固體表面；當(dāng)0º<?<180º，液體部分潤(rùn)濕固體；當(dāng)?=180º，固體表面完全不能被液體潤(rùn)濕；固體與液體點(diǎn)接觸。,接觸角隨溫度、保持時(shí)間、吸附氣體等而變化。,34,4、界面的潤(rùn)濕性,影響潤(rùn)濕性的因素,固體表面的

18、原始狀態(tài)，如吸附的氣體、氧化膜等使接觸角增大，潤(rùn)濕性下降；固體表面的粗糙度，與原始接觸角有關(guān)；固體或液體中的夾雜物或固體與液體間的反應(yīng)產(chǎn)物，可改變固體的表面張力、粗糙度等。,35,4、界面的潤(rùn)濕性,改善潤(rùn)濕性的途徑,表面處理或表面涂層；改變成分：使基體表面能減小，更易潤(rùn)濕增強(qiáng)體；溫度：升高溫度，表面能下降；溫度過(guò)高會(huì)產(chǎn)生脆性相；壓力：液體進(jìn)入纖維需克服纖維之間的毛細(xì)管壓力氣氛：固體和液體的表面張力隨表面吸附的氣體性質(zhì)不同

19、而不同,潤(rùn)濕性僅僅表示液體與固體發(fā)生接觸時(shí)的情況，而并不能表示界面的粘結(jié)性能。一種體系的兩個(gè)組元可能有極好的潤(rùn)濕性，但它們之間的結(jié)合可能很弱，如范德華物理鍵合。因此潤(rùn)濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。,37,§4.2 常見復(fù)合材料的界面,4.2.1 聚合物基復(fù)合材料的界面,聚合物基復(fù)合材料是由增強(qiáng)體（纖維、顆粒、晶須）和聚合物基體（熱固性或熱塑性樹脂）復(fù)合而成的多相材料，使復(fù)合材料具備了原組成材料所沒有的性能，并且由

20、于界面的存在，纖維和基體所發(fā)揮的作用，是各自獨(dú)立而又相互依存的。,38,1、界面的形成,聚合物基復(fù)合材料分為熱塑性聚合物基復(fù)合材料和熱固性聚合物基復(fù)合材料。,熱塑性復(fù)合材料的成型分兩步：①熱塑性聚合物基體的熔體和增強(qiáng)體之間的接觸與潤(rùn)濕；②復(fù)合后體系冷卻凝固成型。,熱塑性聚合物熔體的粘度很高，很難通過(guò)纖維束中單根纖維間的狹小縫隙而滲透到所有的單根纖維表面。,措施：延長(zhǎng)浸漬時(shí)間、增大體系壓力、降低熔體粘度以及改變?cè)鰪?qiáng)材料織物結(jié)構(gòu)等措施。

21、,39,熱固性復(fù)合材料的成型工藝方法與熱塑性復(fù)合材料不同，聚合物基體樹脂粘度低，又可溶解在溶劑中，有利于聚合物基體對(duì)增強(qiáng)材料的潤(rùn)濕。工藝上常最用預(yù)先形成預(yù)浸料(干法、濕法)的辦法，以提高聚合物基體對(duì)增強(qiáng)體的潤(rùn)濕程度。,應(yīng)用最廣泛的是不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂三大類熱固性樹脂,40,聚合物基復(fù)合材料的界面在成型過(guò)程中形成，分為兩個(gè)階段： 第一階段：基體與增強(qiáng)體的接觸與潤(rùn)濕。增強(qiáng)體對(duì)基體分子中不同基團(tuán)或基體中各組分的吸附能力不同；

22、優(yōu)先吸附能較多降低其表面能的物質(zhì)或基團(tuán)，因此聚合物的界面結(jié)構(gòu)與本體不同。這一過(guò)程是增強(qiáng)體與基體形成緊密的接觸而導(dǎo)致界面良好結(jié)合的必要條件，是界面形成與發(fā)展的關(guān)鍵階段。,41,第二階段：聚合物的固化過(guò)程。聚合物通過(guò)物理或化學(xué)過(guò)程固化，形成固定界面層。以熱固性樹脂的固化為例，在固化劑的固化過(guò)程中，固化反應(yīng)是以固化劑為中心的輻射狀向四周擴(kuò)展，形成中心密度大、邊緣密度小的非均勻固化結(jié)構(gòu)，密度大的部分稱膠粒，密度小的部分稱膠絮。第一階段

23、與第二階段往往是連續(xù)的，有時(shí)是同時(shí)進(jìn)行的。,42,聚合物基復(fù)合材料界面層的結(jié)構(gòu)：界面結(jié)合力的性質(zhì)、界面層的厚度、界面層的組成和微觀結(jié)構(gòu)。①界面的結(jié)合力：存在于兩相之間，分為宏觀結(jié)合力和微觀結(jié)合力。宏觀結(jié)合力主要指材料的幾何因素，如表面的凹凸不平、裂紋、空隙等所產(chǎn)生的機(jī)械鉸合力；微觀結(jié)合力包括化學(xué)鍵和次價(jià)鍵?；瘜W(xué)鍵的結(jié)合力最強(qiáng)，對(duì)界面強(qiáng)度起主要作用。,43,聚合物基復(fù)合材料界面層的結(jié)構(gòu)：②界面層的厚度（數(shù)十nm）：由基體和增強(qiáng)體的

24、結(jié)合界面再加上基體和增強(qiáng)體表面的薄層而構(gòu)成。③界面的微觀結(jié)構(gòu)：由表面原子及表面亞原子構(gòu)成。 基體和增強(qiáng)體表面原子間的距離，取決于原子間的化學(xué)親合力、原子和基團(tuán)的大小，以及復(fù)合材料制成后界面上產(chǎn)生的收縮量。,44,2、界面作用機(jī)理,界面是產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)的根本原因。 界面使纖維和基體形成一個(gè)整體，通過(guò)它傳遞應(yīng)力。如果增強(qiáng)體表面沒有應(yīng)力集中，而且全部表面都形成了界面，則界面區(qū)傳遞應(yīng)力是均勻的。若基體與纖維間的濕潤(rùn)性不好，

25、膠接面不完全，那么應(yīng)力的傳遞面積僅為纖維面積的一部分，所以為使復(fù)合材料內(nèi)部能均勻傳遞應(yīng)力，顯示出優(yōu)良的性能，要求復(fù)合材料的制備過(guò)程中形成一個(gè)完整的界面區(qū)。,45,2、界面作用機(jī)理,在聚合物基復(fù)合材料中，聚合物基體以溶液或熔融流動(dòng)狀態(tài)與增強(qiáng)體相接觸，然后進(jìn)行固化反應(yīng)使兩相結(jié)合在一起。此過(guò)程中，兩相間的作用機(jī)理一直是人們關(guān)心的話題，但至今尚不完全清楚。界面作用機(jī)理是指界面發(fā)揮作用的微觀機(jī)理。目前的理論主要包括：浸潤(rùn)吸附理論、化學(xué)鍵理論、

26、物理吸附理論、過(guò)渡層理論、拘束層理論、擴(kuò)散層理論、減弱界面局部應(yīng)力作用理論、靜電吸引理論等。,46,（1）浸潤(rùn)吸附理論,該理論于1963年由Zisman提出。理論認(rèn)為：浸潤(rùn)是形成復(fù)合材料界面的基本條件之一。浸潤(rùn)不良會(huì)在界面上產(chǎn)生空隙，易因應(yīng)力集中而使復(fù)合材料發(fā)生開裂；如果完全浸潤(rùn)，則基體與增強(qiáng)相間的粘結(jié)強(qiáng)度將大于基體的內(nèi)聚強(qiáng)度，將提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。,樹脂與增強(qiáng)體兩相間的結(jié)合屬于機(jī)械粘接與潤(rùn)濕吸附。由于充分的潤(rùn)濕，兩相界面處產(chǎn)生的物理

27、吸附主要是由范德華力的作用實(shí)現(xiàn)粘接。,47,樹脂與增強(qiáng)體間的結(jié)合包括機(jī)械粘接與潤(rùn)濕吸附兩個(gè)階段。第一階段，機(jī)械粘結(jié)。高聚物大分子借助宏觀布朗運(yùn)動(dòng)從溶液或熔體中，移動(dòng)到增強(qiáng)體表面；再通過(guò)微布朗運(yùn)動(dòng)，大分子鏈節(jié)逐漸向增強(qiáng)體表面的極性基團(tuán)靠近。沒有溶劑時(shí)，大分子鏈節(jié)只能局部靠近表面，而在壓力作用下或加熱使粘度降低時(shí)，便可與表面靠得很近。第二階段，潤(rùn)濕吸附。當(dāng)增強(qiáng)體與粘基體分子間距< 0.5 nm時(shí)，范德華力開始發(fā)生作用，從而形成偶極

28、－偶極鍵、偶極－誘導(dǎo)偶極鍵、氫鍵等。 （吸附產(chǎn)生的根本原因）,48,熱力學(xué)說(shuō)明增強(qiáng)體與基體結(jié)合的內(nèi)在因素，表示結(jié)合的可能性；動(dòng)力學(xué)反應(yīng)實(shí)際界面結(jié)合的外界條件，表明結(jié)合過(guò)程的速度問題。產(chǎn)生良好界面結(jié)合的條件如下：①液體的粘度盡量低；② ?S 略大于?L。欲使基體能在纖維表面鋪展，基體的表面張力必須要小于增強(qiáng)體或經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑處理后的臨界表面張力。,49,例如，雙酚A環(huán)氧樹脂的表面張力為42.5×10-5 N/m，聚酯樹脂為

29、35×10-5 N/m，所以要求玻璃纖維的臨界表面張力對(duì)環(huán)氧樹脂至少是42.5×10-5 N/m以上，對(duì)聚酯樹脂應(yīng)在35×10-5 N/m以上；否則在界面上將會(huì)引起空隙。 浸潤(rùn)性僅僅表示了液體與固體發(fā)生接觸時(shí)的情況，而并不能表示界面的粘結(jié)性能。一種體系的兩個(gè)組元可能有極好的浸潤(rùn)性，但它們之間的結(jié)合可能很弱，如范德華物理鍵合。因此潤(rùn)濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。,50,浸潤(rùn)吸附理論的局限性：

30、①剝離高聚物薄膜時(shí)所需能量大大超過(guò)了克服分子間力所需的能量，表明界面上不僅僅存在分子間力的作用；②該理論是以基體與增強(qiáng)體的極性基團(tuán)的相互作用為基礎(chǔ)的，因此它不能解釋為什么非極性聚合物間也會(huì)有粘接力。,51,（2）化學(xué)鍵理論,最老，應(yīng)用最廣,該理論于1949年提出。理論認(rèn)為：基體樹脂表面的活性官能團(tuán)與增強(qiáng)體表面的官能團(tuán)能起化學(xué)反應(yīng)，在界面上形成共價(jià)鍵結(jié)合。理論上可獲得最強(qiáng)的界面粘結(jié)能。,52,若基體與增強(qiáng)體之間不能直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，

31、可以通過(guò)加入偶聯(lián)劑實(shí)現(xiàn)界面結(jié)合。偶聯(lián)劑是實(shí)現(xiàn)這種化學(xué)鍵結(jié)合的架橋劑。,偶聯(lián)劑是一種高分子化合物，這種化合物一般都含有兩部分性質(zhì)不同的基團(tuán)。一種官能團(tuán)能很好地與增強(qiáng)纖維表面結(jié)合；另一種官能團(tuán)能很好地與合成樹脂結(jié)合。于是，偶聯(lián)劑分子像“橋”一樣，將增強(qiáng)材料與基體通過(guò)共價(jià)鍵牢固地連接在一起了。因此，“偶聯(lián)劑”也叫“架橋劑” 。,53,當(dāng)硅烷偶聯(lián)劑表面帶有不飽和基團(tuán)時(shí)，可提高玻纖增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料的強(qiáng)度。碳纖維經(jīng)硝酸、濃堿或等離子體

32、輻照處理后，表面產(chǎn)生了—COOH、C=O、C—OH等含氧活性基團(tuán)，提高了與環(huán)氧基體的反應(yīng)能力，形成界面化學(xué)鍵，大大提高了與環(huán)氧樹脂的復(fù)合強(qiáng)度。,54,化學(xué)鍵理論一直比較廣泛地被用來(lái)解釋偶聯(lián)劑的作用。它對(duì)指導(dǎo)選擇偶聯(lián)劑有一定的實(shí)際意義。但是，化學(xué)鍵理論不能解釋為什么有的偶聯(lián)劑官能團(tuán)不能與樹脂反應(yīng)，卻仍有較好的處理效果。如碳纖維復(fù)合材料，當(dāng)碳纖維經(jīng)過(guò)某些柔性聚合物涂層處理后，力學(xué)性能可改善。而柔性聚合物與樹脂和碳纖維都不起化學(xué)反應(yīng)。此時(shí)

33、，主要是物理效應(yīng)起作用。按化學(xué)鍵理論，基體與增強(qiáng)體之間的偶聯(lián)劑只要單分子層就行，實(shí)際上偶聯(lián)劑在增強(qiáng)體表面不是單分子層結(jié)構(gòu)而是多分子層。,化學(xué)鍵理論的局限性,55,（3）物理吸附理論,也稱機(jī)械作用理論該理論認(rèn)為，增強(qiáng)纖維與樹脂基體之間的結(jié)合是屬于機(jī)械鉸合和基于次價(jià)鍵作用的物理吸附。,界面的機(jī)械聯(lián)結(jié)示意圖,首先熔融態(tài)或溶液態(tài)基體滲入增強(qiáng)體的空隙內(nèi)，然后在一定條件下基體凝固或固化而被機(jī)械地“鑲嵌”在孔隙中，于是便產(chǎn)生了猶如螺栓、釘子、鉤子

34、那樣的機(jī)械結(jié)合力。,56,復(fù)合材料的內(nèi)應(yīng)力，例如，從加工溫度冷卻時(shí)，基體材料收縮引起的熱殘余應(yīng)力，對(duì)機(jī)械聯(lián)結(jié)有重要影響。如果內(nèi)應(yīng)力是垂直于纖維表面的徑向應(yīng)力，它將顯著增大機(jī)械聯(lián)結(jié)的效果。,機(jī)械結(jié)合力主要取決于材料的幾何因素。盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中有相當(dāng)多的空穴，粘稠的液體無(wú)法流入，形成造成界面脫粘的缺陷，同時(shí)形成應(yīng)力集中點(diǎn)。,事實(shí)上，機(jī)械理論是與其他粘接理論的協(xié)同作用的理論，沒有一個(gè)粘接系統(tǒng)是只由機(jī)械作用而形成的。,偶聯(lián)

35、劑的作用主要是促進(jìn)基體與增強(qiáng)體表面的完全潤(rùn)濕。物理吸附理論可以看作化學(xué)鍵理論的一種補(bǔ)充。,57,（4）過(guò)渡層理論,聚合物基復(fù)合材料固化時(shí)，聚合物將產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，而且基體與纖維的熱膨脹系數(shù)相差較大，因此在固化過(guò)程中，纖維與基體界面上就會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，這種附加應(yīng)力會(huì)使界面破壞，導(dǎo)致復(fù)合材料的性能下降。外載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力在復(fù)合材料中的分布也是不均勻的。因?yàn)橛^察復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)可知，纖維與樹脂的界面不是平滑的，結(jié)果在界面上某些部位集中了

36、比平均應(yīng)力高的應(yīng)力。這種應(yīng)力集中將首先使纖維與基體間的化學(xué)鍵斷裂，使復(fù)合材料內(nèi)部形成微裂紋，這樣也會(huì)使復(fù)合材料的性能下降。,58,為消除內(nèi)應(yīng)力，界面區(qū)應(yīng)該存在一個(gè)過(guò)渡層，起到應(yīng)力松弛作用，因此該理論稱為“過(guò)渡層”理論。一種理論認(rèn)為，過(guò)渡層應(yīng)該是塑性層，塑性變形能松弛界面的應(yīng)力，減小界面應(yīng)力的作用，這種理論稱為“變形層理論”；傳統(tǒng)處理方法中，界面上的偶聯(lián)劑數(shù)量不足以滿足應(yīng)力松弛要求。因此，又提出“優(yōu)先吸附”理論和“柔性層”理論。理論

37、認(rèn)為塑性層不僅由偶聯(lián)劑，而且還由優(yōu)先吸附形成的柔性層組成，柔性層的厚度大于偶聯(lián)劑層。,,,,59,優(yōu)先吸附理論,界面上可能發(fā)生增強(qiáng)體表面優(yōu)先吸附樹脂中的某些組分，這些組分與樹脂有良好的相容性，可以大大改善樹脂對(duì)增強(qiáng)體的浸潤(rùn)；,由于優(yōu)先吸附作用，在界面上可以形成“柔性層”，“柔性層”極可能是一種欠固化的樹脂層，它是“可塑的”，可以起到松馳界面上應(yīng)力集中的作用，故可以防止界面脫粘。,60,該理論也認(rèn)為在基體和增強(qiáng)體之間存在一個(gè)松弛應(yīng)力的過(guò)渡

38、層，但是該過(guò)渡層并非柔性的變形層。偶聯(lián)劑是界面的組成部分。該部分過(guò)渡層是介于高模量增強(qiáng)體和低模量基體材料之間的中等模量物質(zhì)，能起到均勻傳遞應(yīng)力，從而減弱界面應(yīng)力的作用，這種理論稱為“拘束層理論”。,（5）拘束層理論,61,（6）擴(kuò)散層理論,這種物理結(jié)合是指復(fù)合材料的增強(qiáng)體和基體的原子或分子越過(guò)兩組成物的邊界相互擴(kuò)散而形成的界面結(jié)合。,,62,擴(kuò)散層理論認(rèn)為：高聚物之間的粘結(jié)作用與其自粘作用（同種分子間的擴(kuò)散）一樣，也是高聚物分子鏈及

39、鏈段的相互擴(kuò)散（不同種分子）引起的，由此而產(chǎn)生強(qiáng)大的粘接力。該理論的根據(jù)是基于高聚物的最根本特征：大分子鏈結(jié)構(gòu)及柔順性。兩相高聚物分子的相互擴(kuò)散實(shí)際是相互溶解，相互溶解能力的大小由溶解度參數(shù)決定，溶解度參數(shù)越相近，二者越容易互溶。,63,64,偶聯(lián)劑的使用使這一理論在纖維復(fù)合材料領(lǐng)域中得到應(yīng)用。近年來(lái)所提出的相互貫穿網(wǎng)絡(luò)理論實(shí)際上是化學(xué)鍵理論和擴(kuò)散理論在某種程度上的結(jié)合。擴(kuò)散理論有局限，高聚物基體與無(wú)機(jī)物之間顯然不會(huì)發(fā)生界面擴(kuò)散

40、問題。,65,（7）減弱界面局部應(yīng)力作用理論,該理論認(rèn)為：處于基體與增強(qiáng)體界面間的偶聯(lián)劑，提供了一種具有“自愈能力”的化學(xué)鍵，這種化學(xué)鍵在外載荷作用下，處于不斷形成與斷裂的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。低分子物（主要是水）的應(yīng)力侵蝕，將使界面的化學(xué)鍵斷裂，在應(yīng)力作用下，偶聯(lián)劑能沿增強(qiáng)體的表面滑移，滑移到新的位置后，已經(jīng)斷裂的鍵又能重新結(jié)成新的鍵，使基體與增強(qiáng)體之間仍保持一定的粘結(jié)強(qiáng)度。這個(gè)變化過(guò)程的同時(shí)使應(yīng)力松弛，從而減弱了界面上某些點(diǎn)的應(yīng)力集中，這

41、種界面上化學(xué)鍵斷裂與再生的動(dòng)平衡，不僅阻止了水等低分子物的破壞作用，而且由于這些低分子物的存在，起到了松弛界面局部應(yīng)力的作用。,66,例如，經(jīng)水解后的偶聯(lián)劑（硅醇）在接近覆蓋水膜的親水增強(qiáng)材料表面時(shí)，由于它也具有生成強(qiáng)力氫鍵的能力，所以具有足以同水爭(zhēng)奪與增強(qiáng)體表面作用的機(jī)會(huì)，結(jié)果同增強(qiáng)體的表面的羥基鍵合。,67,偶聯(lián)劑的功能：(a)有機(jī)硅烷水解形成硅醇；(b)硅醇的羥基與玻纖表面上的羥基形成氫鍵；(c) 在玻纖表面上鍵合形成聚硅氧烷；(

42、d)連接著玻纖的聚硅氧烷上的官能R基團(tuán)與聚合物 基體反應(yīng),68,（8）靜電吸引理論,合適的偶聯(lián)劑使復(fù)合材料的基體和增強(qiáng)體的表面帶有異性電荷，引起相互吸引，從而形成界面結(jié)合力。,界面靜電吸引結(jié)合示意圖,靜電粘結(jié)理論的最有力證明是觀察聚合物薄膜從各種表面剝離時(shí)所發(fā)現(xiàn)的電子發(fā)射現(xiàn)象，由電子發(fā)射速度算出剝離功大小與計(jì)算的粘結(jié)功值和實(shí)際結(jié)果相當(dāng)吻合。,69,靜電引力引起的界面強(qiáng)度取決于電荷密度。靜電相互作用距離很短，僅在原子尺度量級(jí)內(nèi)靜電作用力

43、才有效 。因此表面的污染將大大減弱這種結(jié)合作用。局限性：不能圓滿解釋屬性相近的聚合物也能牢固粘接的事實(shí)。根據(jù)該理論，非極性聚合物之間是不能粘接的，但實(shí)際上，這類粘接具有高的粘接強(qiáng)度。,70,(1)改善樹脂基體對(duì)增強(qiáng)體的浸潤(rùn)度在聚合物基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)考慮如何改善增強(qiáng)材料與基體間的浸潤(rùn)性。樹脂基體浸潤(rùn)性增加，孔隙率減小，粘合強(qiáng)度增加； 延長(zhǎng)浸漬時(shí)間，增大體系壓力、降低熔體粘度對(duì)增強(qiáng)體進(jìn)行表面改性，增加表面能，

44、提高浸潤(rùn)性；增強(qiáng)體比表面積增加，界面增大，粘合強(qiáng)度提高。 改變?cè)鰪?qiáng)體織物結(jié)構(gòu),3、改善界面結(jié)合的原則,,,71,(2)適度的界面粘結(jié)強(qiáng)度需要一定的界面結(jié)合強(qiáng)度，但不是愈高愈好(3)減少?gòu)?fù)合材料中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力可在界面產(chǎn)生塑性層，緩解殘余應(yīng)力(4)調(diào)節(jié)界面內(nèi)應(yīng)力和減緩應(yīng)力集中適當(dāng)?shù)臒崽幚?，可消除或緩解界面?nèi)應(yīng)力和減緩應(yīng)力集中,3、改善界面結(jié)合的原則,72,4.2.2 金屬基復(fù)合材料的界面,金屬基復(fù)合材料由于基體

45、與增強(qiáng)體復(fù)合的溫度較高，因此，基體與增強(qiáng)體易發(fā)生相互作用而生成化合物，或基體與增強(qiáng)體發(fā)生互相擴(kuò)散而形成擴(kuò)散層。為改善界面潤(rùn)濕性，常在增強(qiáng)體表面進(jìn)行涂層處理。這些均使界面的形狀、尺寸、成分、結(jié)構(gòu)等變得非常復(fù)雜。,73,1、 界面的類型,74,類型I界面,類型II界面,類型III界面,75,2、 界面結(jié)合機(jī)理,不同的界面結(jié)合形式形成不同的界面類型：,（1）機(jī)械結(jié)合（物理結(jié)合）,定義：基體與增強(qiáng)體之間僅僅依靠純粹的粗糙表面相互嵌入（互鎖）

46、作用，以及借助基體收縮應(yīng)力包緊纖維時(shí)產(chǎn)生的摩擦而進(jìn)行的連接，稱為機(jī)械結(jié)合。,產(chǎn)生類型I界面,機(jī)械結(jié)合界面示意圖,76,機(jī)械結(jié)合的特點(diǎn)：（1）界面粗糙度對(duì)結(jié)合力起決定作用。因此，表面刻蝕的增強(qiáng)體比光滑表面構(gòu)成的復(fù)合材料強(qiáng)度大2~3倍。（2）載荷平行于界面時(shí)承擔(dān)的應(yīng)力大，而垂直于界面時(shí)承擔(dān)的應(yīng)力非常小。,機(jī)械結(jié)合的最突出的例子是硼纖維增強(qiáng)鋁復(fù)合材料(Bf/A1)。采用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法生產(chǎn)的硼纖維，表面是玉米棒狀，與金屬鋁進(jìn)行復(fù)

47、合時(shí)，由于溫度升高使鋁變軟，經(jīng)外力壓實(shí)鋁填充硼纖維的粗糙表面，形成與硼纖維的機(jī)械結(jié)合。,77,（2）溶解與浸潤(rùn)結(jié)合,產(chǎn)生類型II界面,定義：在復(fù)合材料制造過(guò)程中基體與增強(qiáng)體之間首先發(fā)生浸潤(rùn)，然后相互溶解，所形成的結(jié)合方式稱為溶解與浸潤(rùn)結(jié)合。浸潤(rùn)作用通常是主要的，而溶解是次要的，因?yàn)橐话阍诟邷叵略拥臄U(kuò)散時(shí)間很短。,特點(diǎn)：作用力短，只有幾個(gè)原子距離。,增強(qiáng)體表面通常存在氧化物膜，使增強(qiáng)體與基體不潤(rùn)濕。需要破壞氧化物層才能使增強(qiáng)體與基體潤(rùn)濕

48、并產(chǎn)生一定的結(jié)合力。隨復(fù)合溫度提高，液態(tài)金屬基體的表面能降低，粘度下降，潤(rùn)濕程度增加，界面結(jié)合力增強(qiáng)。,78,（3）反應(yīng)結(jié)合,產(chǎn)生類型III界面,定義：基體與增強(qiáng)體間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上形成一種新的化合物而產(chǎn)生的結(jié)合稱為反應(yīng)結(jié)合。這是一種最復(fù)雜、最重要的結(jié)合方式。,反應(yīng)結(jié)合的本質(zhì)：能夠發(fā)生反應(yīng)的兩種元素或化合物，通過(guò)相互接觸和相互擴(kuò)散發(fā)生某種化學(xué)反應(yīng)。,隨反應(yīng)程度的增加，界面結(jié)合強(qiáng)度也增大，但由于界面反應(yīng)產(chǎn)物多為脆性物質(zhì)，所以當(dāng)界面

49、層達(dá)到一定厚度時(shí)，界面上的殘余應(yīng)力可使界面破壞，反而降低界面結(jié)合強(qiáng)度。要實(shí)現(xiàn)良好的反應(yīng)結(jié)合，必須選擇最佳的制造工藝參數(shù)(溫度、壓力、時(shí)間、氣氛等)來(lái)控制界面反應(yīng)的程度。,79,80,3、 界面穩(wěn)定性的影響因素,界面結(jié)合狀態(tài)對(duì)金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度的影響 界面結(jié)合強(qiáng)度過(guò)高或過(guò)低對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度都不利，適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)合強(qiáng)度才能保證復(fù)合材料具有最佳的抗張強(qiáng)度。,碳纖維增強(qiáng)鋁的抗張強(qiáng)度和斷口形貌,81,與聚合物基復(fù)合材料相比，耐高溫是金屬基復(fù)合材料

50、的主要特點(diǎn)。因此，金屬基復(fù)合材料的界面能否在所允許的高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，是非常重要的。影響界面穩(wěn)定性的因素包括物理和化學(xué)兩個(gè)方面。,（1）物理因素,a.不穩(wěn)定因素主要表現(xiàn)為增強(qiáng)體與基體在高溫條件下發(fā)生溶解現(xiàn)象；當(dāng)增強(qiáng)體表面溶入基體材料時(shí)，必然會(huì)損傷增強(qiáng)體，降低增強(qiáng)體的增強(qiáng)作用，結(jié)果會(huì)降低復(fù)合材料的強(qiáng)度。,82,例：粉末冶金制備的W絲/Ni，鎢在鎳中有很大的固溶度，在1100℃左右使用50小時(shí)后，鎢絲發(fā)生溶解，造成鎢絲直徑僅為原

51、來(lái)的60%，大大影響鎢絲的增強(qiáng)作用，如不采取措施，將產(chǎn)生嚴(yán)重后果。為此，可采用鎢絲涂覆阻擋層或在鎳基合金中添加少量合金元素，如鈦和鋁，可以起到一定的防止鎢絲溶入鎳基合金的作用。,83,b.界面上的溶解作用有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)先溶解又析出的現(xiàn)象。,溶解又析出的過(guò)程可使增強(qiáng)體的聚集態(tài)形貌和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。,例： 碳纖維增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料。在600℃以上高溫下，在界面處碳先溶入鎳，而后又析出，析出的碳是石墨結(jié)構(gòu)，密度增大而在界面留下空隙，給鎳提供了滲入碳

52、纖維擴(kuò)散聚集的位置。而且隨溫度的提高鎳滲入量增加，在碳纖維表層產(chǎn)生鎳環(huán)，嚴(yán)重?fù)p傷了碳纖維，使其強(qiáng)度嚴(yán)重下降。,84,（2）化學(xué)因素,化學(xué)不穩(wěn)定因素主要是復(fù)合材料在加工工藝和使用過(guò)程中發(fā)生的界面化學(xué)作用所致，包括：連續(xù)界面反應(yīng)、交換式界面反應(yīng)和暫穩(wěn)態(tài)界面變化等現(xiàn)象。,a.連續(xù)界面反應(yīng)金屬基復(fù)合材料在熱處理及使用時(shí)經(jīng)歷不同的熱過(guò)程中，界面反應(yīng)可連續(xù)進(jìn)行。影響界面反應(yīng)的因素主要是溫度與時(shí)間：其中，X為反應(yīng)層厚度；K為反應(yīng)速度常數(shù)，隨反應(yīng)

53、溫度升高而增加；t為反應(yīng)時(shí)間。,85,例如，硼纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料中的界面反應(yīng)是由硼纖維的硼原子向基體擴(kuò)散，在硼纖維外層形成一層白色的反應(yīng)產(chǎn)物TiB2。由于硼原子向外擴(kuò)散，在纖維的表層留下孔洞，孔洞面積可達(dá)10%以上，這會(huì)對(duì)硼纖維的強(qiáng)度產(chǎn)生極不利影響。上圖為硼纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料在不同溫度下界面反應(yīng)層(二硼化物)的厚度與時(shí)間的關(guān)系。高溫時(shí)在很短時(shí)間內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物就可以達(dá)到足以引起破壞的厚度。,86,b.交換式界面反應(yīng)主要出現(xiàn)在當(dāng)基體為含有

54、兩種或兩種以上元素的合金時(shí)。當(dāng)增強(qiáng)體與含有兩種以上元素的金屬基體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物后，反應(yīng)產(chǎn)物還會(huì)與其它基體元素發(fā)生交換反應(yīng)，產(chǎn)生界面的不穩(wěn)定。,例如，硼纖維/鈦鋁合金，硼與鈦在界面首先發(fā)生反應(yīng)： Ti(Al) + B → (Ti·Al)B2再發(fā)生交換反應(yīng): (Ti·Al)B2 + Ti → TiB2 + Ti(Al)電子探針

55、證實(shí)了界面反應(yīng)的最終產(chǎn)物是TiB2。,87,c.暫穩(wěn)態(tài)界面變化暫穩(wěn)態(tài)界面是由于增強(qiáng)體表面局部氧化所產(chǎn)生的氧化膜與基體間發(fā)生反應(yīng)而在界面上形成另一種氧化物所形成的界面。界面上的氧化層穩(wěn)定性差，在長(zhǎng)時(shí)間熱環(huán)境下容易發(fā)生球化而影響復(fù)合材料的性能。,例如：在硼纖維增強(qiáng)鋁中，由于硼纖維上吸附有氧，并與之生成BO2，當(dāng)這層氧化物在擴(kuò)散結(jié)合時(shí)未受到破壞，但它是不穩(wěn)定的。在一定溫度下，由于鋁與氧親和力強(qiáng)，可以還原BO2，生成Al2O3，這種界面結(jié)合

56、亦稱之為氧化結(jié)合。在長(zhǎng)期熱效應(yīng)的作用下，界面上的Al2O3氧化膜會(huì)發(fā)生球化，從而影響復(fù)合材料的性能 。,88,在金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了要考慮化學(xué)方面的因素外，還應(yīng)注意增強(qiáng)纖維與基體金屬的物理相容性。①要求金屬基體有足夠的韌性和強(qiáng)度，以便能夠更好地通過(guò)界面將載荷傳遞給增強(qiáng)纖維；②要求在材料中出現(xiàn)裂紋或位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力不在增強(qiáng)纖維上形成高應(yīng)力；③物理相容性中最重要的是要求纖維與基體的熱膨脹系數(shù)匹配。,4、 殘余應(yīng)

57、力,,（1）有界面反應(yīng)的界面結(jié)構(gòu)輕微的界面反應(yīng)能有效改善金屬基體與增強(qiáng)體的浸潤(rùn)和結(jié)合；嚴(yán)重的界面反應(yīng)將造成增強(qiáng)體的損傷和形成脆性界面相等，十分有害；界面結(jié)構(gòu)：界面反應(yīng)通常是在局部區(qū)域中發(fā)生的，形成顆粒、棒狀、片狀的反應(yīng)產(chǎn)物，而不是同時(shí)在增強(qiáng)體和基體相接觸的界面上發(fā)生層狀物。有嚴(yán)重的界面反應(yīng)才可能形成界面反應(yīng)層。,89,5、 金屬基復(fù)合材料界面的典型結(jié)構(gòu),金屬基復(fù)合材料中的典型結(jié)構(gòu)主要有以下幾種：,90,例如：碳（石墨）/鋁復(fù)合

58、材料在制備工藝參數(shù)控制合適時(shí)，界面反應(yīng)輕微，界面形成少量細(xì)小的Al4C3。制備溫度過(guò)高、冷卻速度過(guò)慢將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)，形成大量條狀的Al4C3。,91,（2）有偏聚和析出的界面結(jié)構(gòu)金屬基復(fù)合材料的基體選用金屬合金，很少選用純金屬?；w合金中含有各種金屬化合物析出相，如鋁合金中加入銅、鎂、鋅等元素會(huì)生成細(xì)小的Al2Cu、Al2CuMg、Al2MgZn等金屬間化合物。由于增強(qiáng)體表面吸附作用，基體金屬中合金元素在增強(qiáng)體的表面富集，為

59、在界面區(qū)生成析出相創(chuàng)造了有利條件。例，在碳纖維增強(qiáng)鋁或鎂復(fù)合材料中均可發(fā)現(xiàn)界面上有Al2Cu、Mg17Al12化合物析出相存在。,92,（3）增強(qiáng)體與基體直接進(jìn)行原子結(jié)合的界面結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體與基體直接進(jìn)行原子結(jié)合，形成清潔、平直的界面，界面上既無(wú)反應(yīng)產(chǎn)物也無(wú)析出相。該種界面結(jié)構(gòu)常見于內(nèi)生增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。,93,（4）其他類型的界面結(jié)構(gòu)由于金屬基復(fù)合材料組成體系和制備方法的特點(diǎn)，多數(shù)金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，即使同一種復(fù)合材

60、料也存在不同類型的界面結(jié)構(gòu)，即有增強(qiáng)體與基體直接原子結(jié)合的清潔、平直界面結(jié)構(gòu)，也有界面反應(yīng)產(chǎn)物的界面結(jié)構(gòu)，也有析出物的界面結(jié)構(gòu)等。,94,6、 金屬基復(fù)合材料的界面反應(yīng),金屬基復(fù)合材料制備過(guò)程中會(huì)發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)，這也就決定了界面結(jié)構(gòu)和特征，界面反應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果如下：,（1）界面結(jié)合強(qiáng)度得到提高；（2）產(chǎn)生脆性的界面反應(yīng)產(chǎn)物；（3）造成增強(qiáng)體表面損傷和基體成分改變。,（1）弱界面反應(yīng)；（2）中等程度界面反應(yīng)；（3）強(qiáng)烈界面反

61、應(yīng),95,（1）弱界面反應(yīng)； 對(duì)復(fù)合材料性能不利。界面具有較大的沖擊能量，但是承受沖擊載荷能力較低。（2）中等程度界面反應(yīng)； 對(duì)復(fù)合材料性能有利、有害。界面能夠有效傳遞載荷，又能使纖維和基體脫粘、纖維拔出、摩擦，從而提高塑性能量的吸收。（3）強(qiáng)烈界面反應(yīng) 對(duì)復(fù)合材料性能有利、有害。復(fù)合材料脆性破壞，沖擊性能差。,96,如何控制適中的界面結(jié)合？,（1）增強(qiáng)體表面涂層處理；可有效改善基體與增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性和粘著性

62、；可以起到防止增強(qiáng)體與基體之間的擴(kuò)散、滲透和反應(yīng)阻擋層的作用；減輕增強(qiáng)體與基體之間的熱應(yīng)力集中；防止增強(qiáng)體在運(yùn)輸和制備時(shí)造成的損傷。,97,如何控制適中的界面結(jié)合？,（2）金屬基體合金化；向液態(tài)金屬中加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪?，可以阻止或減緩界面反應(yīng)。合金元素的加入原則：元素能與增強(qiáng)體發(fā)生輕微反應(yīng)，生成致密的產(chǎn)物覆蓋在增強(qiáng)體表面，阻止與基體主金屬的直接接觸，能改善增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性。,98,如何控制適中的界面結(jié)合？,（3）優(yōu)化制備方法和

63、工藝參數(shù)金屬基復(fù)合材料的界面反應(yīng)程度主要取決于制備方法和工藝參數(shù)。溫度越高，在高溫下停留時(shí)間越長(zhǎng)，則反應(yīng)越劇烈、嚴(yán)重，因此制備方法和工藝參數(shù)的選擇應(yīng)首先考慮溫度、高溫停留時(shí)間和冷卻速度。,99,4.2.3 陶瓷基復(fù)合材料的界面,陶瓷基復(fù)合材料的基體為陶瓷，增強(qiáng)體包括金屬和陶瓷材料。,1、 界面的結(jié)合方式,（1）機(jī)械結(jié)合高溫時(shí)，陶瓷基體呈現(xiàn)液態(tài)，可滲入或浸入纖維表面的縫隙等缺陷處，冷卻后形成機(jī)械結(jié)合?；w與增強(qiáng)體從高溫冷卻下來(lái)時(shí)，

64、陶瓷基體的收縮大于增強(qiáng)體，由于收縮，基體對(duì)增強(qiáng)體產(chǎn)生壓應(yīng)力。,100,（2）物理結(jié)合 機(jī)械結(jié)合 + 次價(jià)鍵作用（3）化學(xué)結(jié)合，最主要的結(jié)合方式。 陶瓷基復(fù)合材料在高溫下制備時(shí)，增強(qiáng)體與陶瓷基體之間容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)粘結(jié)的界面層或反應(yīng)層。（4）擴(kuò)散結(jié)合 高溫下原子的活性增大，原子的擴(kuò)散速度較室溫大得多，由于增強(qiáng)體與陶瓷基體的原子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。,101,2、 界面的穩(wěn)定性,外生型復(fù)

65、合材料的制備過(guò)程中，增強(qiáng)體與基體之間總存在一定的相互作用。復(fù)合材料很難達(dá)到理想的熱力學(xué)平衡狀態(tài)。基體與增強(qiáng)體滿足反應(yīng)所需的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件時(shí)，會(huì)在界面處發(fā)生下列兩種情況：,（1）界面處無(wú)反應(yīng)產(chǎn)物，只形成固溶體。增強(qiáng)體與基體之間的擴(kuò)散消耗導(dǎo)致復(fù)合材料強(qiáng)度降低。,102,（2）界面處有反應(yīng)物，反應(yīng)層厚度顯著影響復(fù)合材料的性能。,內(nèi)生型陶瓷復(fù)合材料中，由于增強(qiáng)體是在基體中通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，熱力學(xué)穩(wěn)定，界面處不會(huì)再有反應(yīng)發(fā)生。所以增強(qiáng)體

66、與基體的界面始終干凈，無(wú)反應(yīng)物產(chǎn)生。,103,3、 界面的控制,同4.2.3節(jié)金屬基復(fù)合材料的界面控制。（1）增強(qiáng)體表面改性或表面涂層；促進(jìn)基體與增強(qiáng)體之間的潤(rùn)濕，改善基體與增強(qiáng)體之間的結(jié)合力，防止增強(qiáng)體與基體間發(fā)生界面反應(yīng)和擴(kuò)散。（2）向陶瓷基體中添加特定元素；使基體與增強(qiáng)體之間發(fā)生適度的反應(yīng)以控制界面。,104,4、 熱殘余應(yīng)力,產(chǎn)生原因：陶瓷基體與增強(qiáng)體的熱膨脹系數(shù)不同①當(dāng)纖維熱膨脹系數(shù)小于基體時(shí)，纖維受壓應(yīng)力，基體受

67、拉應(yīng)力。②當(dāng)纖維熱膨脹系數(shù)大于基體時(shí)，陶瓷基復(fù)合材料中較常見。纖維受拉應(yīng)力，陶瓷受壓應(yīng)力。,105,§4.3 增強(qiáng)體的表面處理,為了獲得良好的界面粘結(jié)，通常要對(duì)增強(qiáng)體的表面進(jìn)行有針對(duì)性的處理，以改善其表面性能，獲得與基體的良好界面粘結(jié)。,增強(qiáng)體的表面處理，指在增強(qiáng)體的表面進(jìn)行涂層，該涂層具有浸潤(rùn)劑、偶聯(lián)劑和助劑等功能，利于增強(qiáng)體與基體間形成一個(gè)良好的界面結(jié)構(gòu)，從而改善和提高復(fù)合材料的各種性能。,106,4.3.1 玻璃纖

68、維,自然環(huán)境暴曬后的強(qiáng)度影響1、2、3 — 不同表面處理劑處理4 — 未處理,人工加速老化后的強(qiáng)度影響1、2、3 — 不同表面處理劑處理4 — 未處理,,,107,按化學(xué)組成分，表面處理劑主要分為有機(jī)鉻絡(luò)合物和有機(jī)硅烷兩大類，此外還有鈦酸酯等。,1、有機(jī)酸氯化鉻絡(luò)合物類處理劑,簡(jiǎn)稱有機(jī)鉻絡(luò)合物，這類絡(luò)合物通常是由堿式氯化鉻與羧酸反應(yīng)而制得。,有機(jī)鉻絡(luò)合物無(wú)水條件下的結(jié)構(gòu)式為：,,R為不飽和有機(jī)基團(tuán),108,有機(jī)鉻絡(luò)合物應(yīng)用最廣的