复合材料的界面.ppt

第2章复合材料的界面内容纲要一、界面定义二、界面效应（3）不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性和磁场尺寸稳定性等。（4）散射和吸收效应：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、隔热性、隔音性、耐机械冲击性等。（5）诱导效应：一种物质（通常是增强剂）的表面结构使另一种（通常是聚合物基体）与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强弹性、低膨胀性、耐热性和冲击性等。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。界面效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性质有关，也与复合材料各组分的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。界面结合较弱的复合材料大多呈剪切破坏，且在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象。
界面结合过强的复合材料则呈脆性断裂，也降低了复合材料的整体性能。
界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域化而不进一步界面脱粘；即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。
因此，在研究和设计界面时，不应只追求界面结合而应考虑到最优化和最佳综合性能。物理相容性：是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。另外，由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增强剂上形成高的局部应力。例如对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因为热膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却时将受到张应力；对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于抗拉强度，处于压缩状态比较有利。而对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求避免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差太大。化学相容性：化学相容性是一个复杂的问题。对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两相化学势相等，比表面能效应也最小。1）相反应的自由能ΔF：代表该反应的驱动力。设计复合材料时，应确定所选体系可能发生反应的自由能的变化。1、界面润湿理论
界面润湿理论是基于液态树脂对纤维表面的浸润亲和，即物理和化学吸附作用。液态树脂对纤维表面的良好浸润是十分重要的。浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润将使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。当两个结合面结合了，则体系中由于减少了两个表面和增加了一个界面使自由能降低了。体系由于两个表面结合而导致自由能的下降定义为粘合功。当θ>90°，液体不润湿固体；θ=180°,固体表面完全不能被液体润湿；
当θ<90°，液体润湿固体；θ=0°，液体完全平铺在固体表面。接触角随温度、保持时间、吸附气体等而变化。浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触时的情况，而并不能表示界面的粘结性能。一种体系的两个组元可能有极好的浸润性，但它们之间的结合可能很弱，如范德华力键合。因此润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条件。2、界面粘结（1）机械作用理论三、界面理论当复合材料的基体及增强材料的表面带有异性电荷时，在基体与增强材料之间将发生静电吸引力，如下图所示。静电互作用的距离很短，仅在原子尺度量级内静电作用力才有效。因此表面的污染等将大大减弱这种粘结作用。（3）化学键理论
化学作用是指增强材料表面的化学基（图中标有A面)与基体表面的相容基(标有B面)之间的化学粘结。化学作用理论最成功的应用是偶联剂用于增强材料表面与聚合物基体的粘结。如硅烷偶联剂具有两种性质不同的官能团，一端为亲玻璃纤维的官能团，一端为亲树脂的官能团，将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面上形成共价键结合，如图所示。（4）界面反应或界面扩散理论
在复合材料组分之间发生原子或分子间的扩散或反应，从而形成反应结合或扩散结合。界面反应结合或扩散结合示意图四、界面的设计四、界面的设计四、界面的设计四、界面的设计四、界面的设计四、界面的设计四、界面的设计四、界面的设计四、界面的设计四、界面的设计四、界面的设计四、界面的设计四、界面的设计四、界面的设计四、界面的设计四、界面的设计界面性能较差---呈剪切破坏、可观察到界面脱粘、纤维拔出纤维应力松弛等现象。1）三点弯曲法：从上式可知，最大剪应力与最大拉应力之比取决于S和
D，短跨度和厚试样将使此比值增加，即增加了剪切失效的可能性。2)Iosipescu剪切试验试验（2）单纤维试验法（3）声发射（AcousticEmissin，AE）法：复合材料的损伤断裂过程十分复杂，包括纤维、基体和界面的破坏和断裂。各组元断裂时释放的声能与其弹性模量和断裂时各组元的形变量有关。由于各组元断裂时释放的声能不同，即声发射信号的强弱不同，那么利用声发射技术就可以区分和识别复合材料界面的破坏和断裂，从而可以分析界面的结合状况，同时计算出界面强度。五、界面的表征上图分