复合材料的界面理论

并有大量的文献报道，但由于材料的多样化
及界面的复杂性，至今尚无一个普通性的理 论来说明复合材料的界面行为。 对复合材料来讲，材料组元之间相互浸 润是复合的首要条件。
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一、浸润性
复合材料在制备过程中，只要涉及到 液相与固相的相互作用，必然就有液相与
固相的浸润问题。
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在制备聚合物基复合材料时，一般是把
5一增强剂表面；6-增强剂
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基体和增强物通过界面结合在一起，
构成复合材料整体，界面结合的状态和强
度对复合材料的性能有重要影响。 因此，对于各种复合材料都要求有合 适的界面结合强度。
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界面的结合强度一般是以分子间力、 表面张力(表面自由能)等表示的；而实际
上有许多因素影响着界面结合强度。
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如表面的几何形状、分布状况、纹理结构；
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在化学成分上，除了基体、增强物及
涂层中的元素外，还有基体中的合金元素
和杂质、由环境带来的杂质。
这些成分或以原始状态存在，或重新
组合成新的化合物。
因此，界面上的化学成分和相结构是 很复杂的。
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界面是复合材料的特征，可将界面的机能 归纳为以下几种效应。
(1)传递效应 界面能传递力，即将外力 （载荷）传递给增强物，起到基体和增强物之 间的桥梁作用。
式中称为接触角。
COS [( SG SL ) / LG ]
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由可知浸润的程度。 ＝0o时，液体完全浸润固体； ＝180o时，不浸润；
0o＜ ＜180o时，不完全浸润(或称部 分浸润)，随角度下降，浸润的程度增加。 ＞90o时常认为不发生液体浸润。
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因而在任何复合材料中，界面和改善界 面性能的表面处理方法是关于这种复合材料 是否有使用价值、能否推广使用的一个极重 要的问题。 界面效应既与界面结合状态、形态和物

改变强化材料表面的性质
• 对SiC晶须表面采用化学方法处理后XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)分析的结 果。由C(1s)和Si(2p)的波谱可以看出，有的地方存在SiO2，有的地方不存在SiO2。 利用这样的表面状态的差来增强界面的结合力。
6.6.2 向基体添加特定的元素
• 在用烧结法制造复合材料的过程中，为了有助于 烧结，往往向基体添加一些元素。有时为了使纤 维与基体发生适度的反应以控制界面，也可以添 加一些元素。在SiCPCS纤维强化玻璃陶瓷（LAS） 中，如果采用通常的LAS成分的基体，在晶化处 理时会在界面产生裂纹。而添加百分之几的Nb时， 热处理过程中会发生反应，在界面形成数微米的 NbC相，获得最佳界面，从而达到高韧化的目的。
5.5 界面行为
5.5.1 界面的脱粘与剥离（Debonding）
研究界面的脱粘与剥离的意义
研究思路 ➢ 考虑基体中仅有一根纤维，受到拉伸载荷为Pf的情
况 ➢ 分析复合材料中强化材料与基体间应力传递的方
式 解析法： ➢ 应用最大剪切应力理论 ➢ 应用断裂力学理论
脱粘、剥离与滑动的关系为一旦发生脱粘与剥离，剥离部分就产生滑 动。解析法可以应用最大剪切应力理论，也可以应用断裂力学理论。
临界值
• 断裂的机制 张开型裂纹 φ=0
剪切型裂纹 φ=90 φ=tan-1（KⅡ/KⅠ）
界面对复合材料性能的影响
• 界面特性
复合材料性能
界面黏结强度下降复合材料弹性模量下降
• 但界面特性与复合材料性能的定量关系少
• 界面参数 （强度，韧性）
• 脆性组元的界面区域，尺寸与厚度相当的缺 陷 断裂力学模型
5.2.1 界面应力与非弹性过程

有机硅烷类偶联剂的反应机理 (ⅰ)有机硅烷水解，生成硅醇。
R X Si X X H2O HO R Si R OH + 3HX
(ⅱ)玻璃纤维表面吸水，生成羟基。
OH Si O OH Si O
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(ⅲ)硅醇与吸水的玻璃纤维表面反应，又分三步 第一步：硅酸与吸水的玻璃纤维表面生成氢键；
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3.3.2增强材料的表面处理
1.碳纤维的表面处理 表面处理的作用：使复合材料不仅具有良好的界面粘接力、 层间剪切强度，而且其界面的抗水性、断裂韧性及尺寸稳 定性均有明显的改进。此外，通过碳纤维表面改性处理， 还可制得具有某种特殊功能的复合材料。
1）氧化法 （1）气相法(或干法):以空气、氧气、臭氧等氧化剂，采用 等离子表面氧化或催化氧化法。 （2）液相法（或湿法）：有硝酸、次氯酸钠加硫酸、重铬 酸钾加硫酸、高锰酸钾加硝酸钠加硫酸氧化剂及电解氧化 法等。
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3.3增强材料的表面性质与处理

3.3.1表面性质
表面性质:表面的物理特性、化学特性和表面自由能。 表面性质与材料的组成和结构有关。 1. 物理持性: 指材料的表面形态和比表面积。 2. 化学特性: 指材料表面化学组成和表面反应活性。 增强材料表面的化学组成及结构，决定了增强材料 表面自由能的大小、润湿性及化学反应活性。关系 到增强材料是否需进行表面处理，其表面是否容易 与环境接触物反应(如与氧、水、有机物等反应)，表 面与基体材料间是否能形成化学键。 增强纤维内部的化学组成与其表面层的化学组成不 完全相同。 3

第三步：高温干燥(水分蒸发)，硅醇与吸水玻璃纤维间进行 醚化反应；
R HO H O Si O Si O H O H H R O O H O Si O Si O H OH -H2O O R Si O Si O O R Si O Si

复合材料的界面理论1、界面形成及其形成1.1界面的定义复合材料的界面是指基体与增强相之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。

复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域，约几个纳米到几个微米。

此区域的结构与性质都不同于两相中的任何一相。

这一界面区由五个亚层组成，每一亚层的性能都与基体和增强相的性质、复合材料成型方法有关。

界面区域如图1-1所示。

1.2界面的形成复合材料体系对界面要求各不相同，它们的成形加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为两个阶段: 第一阶段:增强体与基体在一组份为液态(或粘流态)时的接触与浸润过程。

在复合材料的制备过程中，要求组份间能牢固的结合，并有足够的强度。

要实现这一点，必须要使材料在界面上形成能量最低结合，通常都存在一个液态对固体的相互浸润。

所谓浸润，即把不同的液滴放到不同的液态表面上，有时液滴会立即铺展开来，遮盖固体的表面，这一现象称为“浸润”。

第二阶段:液态(或粘流态)组份的固化过程，即凝固或化学反应。

固化阶段受第一阶段的影响，同时它也直接决定着所形成的界面层的结构。

以固热性树脂的固化过程为例，固化剂所在位置是固化反应的中心，固化反应从中心以辐射状向四周扩展，最后形成中心密度大、边缘密度小的非均匀固化结构，密度大的部分称为胶束或胶粒，密度小的称胶絮。

2、界面对复合材料性能的影响及影响界面结合强度的因素 2.1界面对复合材料性能的影响复合材料内界面结合强度是影响复合效果的最主要因素。

界面的结合强度主要取决于界面的结构、物理与化学性能。

具有良好结合强度的界面，可以产生如下强化效应:(1)阻止裂纹的扩散，提高材料的韧性;(2)通过应力传递，使强化相承受较大的外载荷，提高复合材料的承载能力;(3)分散和吸收各种机械冲击和热冲击的能量，提高抗外加冲击的能力;(4)使强化相与基体产生既相互独立又相互协调的作用，弥补各自的缺点，获得新的材料使用性能。