第4章_复合材料界面

4.1概述
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。
1、外力场 2、基体 3、基体表面区 4、相互渗透区 5 、增强剂表面区 6、增强剂 复合材料的界面示意图
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。
• 事实上由于材料中总有范德华力存在，纯粹的机械结合 很难实现。但机械结合存在于所有复合材料中。
• (2)溶解和润湿结合（扩散结合）。首先液态基体润湿增 强材料，然后发生相互原子扩散，产生互相溶解，形成 结合。界面是溶质浓度从0到100％的过渡带。 • 这种结合是靠原子范围内电子的相互作用产生的，因此 要求复合材料各组元的原子彼此接近到几个原子直径的 范围内才能实现。 • 增强物表面吸附的气体和污染物都会妨碍这种结合的形 成。所以必须进行预处理，除去吸附的气体和污染膜。 I类界面多属这种结合形式。 • (3)反应结合（化学结合）。基体与增强材料间发生化学 反应，在界面上生成化合物。如Ti-B系，在界面上生成 TiB2，从而使基体与增强材料结合在一起。
4)交换反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，生成化合物，
且还通过扩散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。
5)混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。是以
上几种结合方式中几个的组合。
基体和增强物通过界面结合在一起，
构成复合材料整体，界于各种复合材料都要求有合 适的界面结合强度。
基体与增强材料相互作用分类
五、界面的结合力与界面结合类型 1、界面的三类结合力
• 机械结合力就是摩擦力，它决定于增强物的比表面 和粗糙度以及基体的收缩，比表面和粗糙度越大， 基体收缩越大、摩擦力也越大。机械结合力存在于 所有复合材料中。
• 物理结合力包括范德华力和氢键，它存在于所有复 合材料中，在聚合物基复合材料中占有很重要的地 位。
复合材料的界面理论 界面的控制 不同基体的界面改性方法
界面与表面的几个概念
界面(interface)：密切接触的两相之间的 过渡薄层区域，厚度约几个分子大小，称 为界面。液-气（l-g）,固-气（s-g）,固-液 （s-l）,液-液（l-l）,固-固（g-g）。 表面(surface)：一相为气体的界面。 固体表面：固-气界面 液体表面：液-气界面
第4章 复合材料的界面
教学目的及要求
• 了解：界面的力学和物理化学要求，增强体 表面处理的方法。 • 掌握：界面、润湿性、界面相容性的概念， 改善润湿性的途径，增强体表面处理的目的， 界面的功能及结合类型。
主要内容
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6
概述 复合材料的界面效应
复合材料组分的相容性
可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛
等现象。
但界面间粘结过强的材料呈脆性也降 低了材料的复合性能。
界面最佳态的衡量是当受力发生开裂 时，这一裂纹能转为区域化而不产生近一 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。
由此可见，在研究和设计界面时，
不应只追求界面粘结而应考虑到最优 化和最佳综合性能。
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。
如表面的几何形状、分布状况、纹理结构；
表面吸附气体和蒸气程度；
表面吸水情况，杂质存在； 表面形态在界面的溶解、浸透、扩散和化
学反应；
表面层的力学特性，润湿速度等。
由于界面区相对于整体材料所占比重甚 微，欲单独对某一性能进行度量有很大困难。 因此常借于整体材料的力学性能来表征
界面结合方式的分类
1)机械结合。基体与增强材料之间不发生化学反应，纯粹靠机械
连结，靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。 2)溶解和润湿结合。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散 和溶解，形成结合。界面是溶质原子的过渡带。 3)反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，在界面上生成化 合物，使基体和增强材料结合在一起。
O
M
H
O
O
M
O
M
无机表面
H
H
H
H
H2O O O H
偶联剂处理后的界面
未处理增强体的界面
影响界面效应的因素
• • • • • • • • 界面上产生的这些效应，是任何一种单体材料所没有的特 性，它对复合材料具有重要作用。 1）界面效应与界面的结合状态、形态、界面周围的结构等 物理、化学性能密切相关； 2）与基体材料和增强材料的结构、形态、状态、物理、化 学等性质紧密相关； 3）与基体和增强物之间的润湿、相容等热力学性质有关； 4）与基体和增强物之间直接的或间接的化学反应有关； 5）与基体的杂质、环境介质有关； 6）与增强物的表面处理、制造工艺及参数紧密相关。 因此是一门范围极广的科学，必须综合分析才行。
界面的分类（基体与增强体的相互作用类型）
• 金属基复合材料大都在高温下制造，其界面比聚合物基复合材料复杂得 多。根据增强物和基体的相互作用情况，界面可以归纳为三种类型。 • I类界面：基体与纤维不互相作用，也不互溶。 I类界面相对而言是比较 平整的，而且只有分子层厚度，界面除了原组成物质外，基本上不含其 他物质； • Ⅱ类界面：基体与纤维间不发生化学反应，但互溶； Ⅱ 类界面为原组成 物质构成的犬牙交错的溶解扩散界面，基体的合金元素和杂质可能在界 面上富集或贫化； • Ⅲ类界面：基体与纤维间发生化学反应，在界面上生成化合物。 Ⅲ类界 面则有亚微米级左右的界面反应产物层。 • 应当指出，各类界面间没有严格的界限，在不同条件下同样组成的物质， 或在相同条件下不同组成的物质可以构成不同类型的界面。 • 准I类界面。例如，在Cu-W复合材料中，如果基体是纯Cu，形成I类界面； 如果基体是Cu-Cr合金，形成Ⅱ类界面；如果基体是Cu-Ti合金，则合金中 的Ti将与W发生反应而形成Ⅲ类界面。
散射和吸收效应
4.2 复合材料的界面效应
•
（ 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。
诱导效应
R Si 聚合物表面 R Si O R Si H H O
微小颗粒具有巨大比表面积，往往产生明显的界面效应，必须 充分考虑界面性质对系统的影响。
4.1概述
• 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， 此区域的结构与性质都不同于两相中的任何 一相。它的厚度呈不均匀分布状态。
复合材料的界面虽然很小，但它 是有尺寸的，约几个纳米到几个微米，
是一个区域或一个带、或一层，它的
厚度呈不均匀分布状态。
2界面区构成：界面通常包含以下几个部分：
基体和增强物的部分原始接触面；
基体与增强物相互作用生成的反应产物，
此产物与基体及增强物的接触面； 基体和增强物的互扩散层；
增强物上的表面涂层；
(4)交换反应结合。
基体与增强材料间发生化学反应，生成化合物，并且还通过 扩散发生元素交换，形成固溶体而将两者结合。
因此，界面上的化学成分和相结构是
很复杂的。
4.2 复合材料的界面效应
•
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。 例 在粒子弥散强化金属中，微形粒子阻止晶格 位错，从而提高复合材料强度； 在纤维增强塑料中，纤维与基体界面阻止裂 纹进一步扩展等。 • 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。
有的表面积。
体积比表面 质量比表面
def As AV V
def As Am m
As、V、m-分别为物质的总表面积、体积和质量。
界面与表面的几个概念
1cm3立方体分散为小立方体时体积表面的变化
立方体边长 粒子数 总表面积 体积表面 l/m As/m2 AV／m-1 10-2 1 610-4 6102 10-3 103 610-3 6103 10-4 106 610-2 6104 10-5 109 610-1 6105 10-6 1012 6100 6106 10-7 1015 6101 6107 10-8 1018 6102 6108 10-9 1021 6103 6109
基体和增强物上的氧化物及它们的反应产物之间的接触面 等。
• 3、化学成分：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 转来的杂质。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。 • 4、残余应力：由于基体和增强物的膨胀系数的不匹配， 弹性性能的差别，金属基复合材料在制造过程和加工过 程中，在界面上产生残余应力，此残余应力往往超过、 甚至大大超过基体的屈服强度，致使界面附近的基体的 微观结构及性能发生明显变化，对复合材料的宏观力学 性能产生严重影响。 • 5、合适的界面结合强度：基体和增强物通过界面结合 在一起，也即构成复合材料整体。界面结合的状态和强 度无疑对复合材料的性能有重要影响，因此对于各种金 属基复合材料都要求有合适的界面结合强度。
复合材料界面的复杂性与局限性
• 复杂性：由于界面尺寸很小且不均匀、化学成分及结 构复杂、力学环境复杂，对于界面的结合强度、界面 的厚度、界面的应力状态尚无直接的、准确的定量分 析方法，对于成分和相结构也很难作出全面的分析。
• 局限性：因此，迄今为止对复合材料界面的认识还是 很不充分的，更谈不上以一个通用的模型来建立完整 的理论。尽管存在很大的困难，但由于界面的重要性， 所以吸引着大量研究者致力于认识界面的工作，以便 掌握其规律。