复合材料
第三部分 复合材料的增强材料
第十五章 复合材料的界面及界面优化设计
教学目的:通过本章的学习，掌握复合材料的界面及 作用，聚合物基复合材料的界面及改性方法，几种聚 合物基复合材料的形成和改善界面的途径，界面表征 的方式。 重点内容: 1、复合材料的界面及界面改性方法。 2、复合材料改善界面的途径。 难点:复合材料界面与性能的关系。 熟悉内容:复合材料界面的研究内容及方法。
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主要英文词汇：
Composite material---复合材料 Composite interface---复合材料界面 Residual stress of composite interface---复合材料界面 残余应力 Reaction of composite interface---复合材料界面反应 Modification of composite interface---复合材料的界 面改性 Mechanics of composite interface---复合材料界面力学
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Bonding strength of composite interface---复合材料界面 黏结强度 Optimum design of composite interface---复合材料界面 优化设计 Compatibility of composite interface---复合材料界面相 容性 Mechanics of composite---复合材料力学 Micromechanics of composite---复合材料细观力学
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参考教材或资料：
1、复合材料学----周祖福 （武汉理工大学出版社，2004年） 2、现代复合材料----陈华辉 邓海金 李 明 （中国物质出版社,1998） 3、复合材料概论----王荣国 武卫莉 （哈尔滨工业大学出版社,1999） 4、复合材料--------吴人洁（天津大学出版社,2000） 5、复合材料科学与工程---倪礼忠,陈麒(科学出版社,2002) 6、复合材料及其应用—尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社,2003） 7、高性能复合材料学---郝元恺,肖加余 (化学工业出版社,2004) 8、新材料概论--- 谭毅, 李敬锋(冶金工业出版社,2004) 9、先进复合材料----鲁 云 朱世杰 马鸣图 （机械工业已出版社,2004） 10、复合材料--------周曦亚（化学工业出版社,2005）
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15、复合材料的界面及界面优化设计
21世纪对材料要求多样化，复合材料开发有很大发 展，复合材料整体性能的优劣与界面结构和性能关系密 切。
15.1复合材料的界面概念
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。大量事实证明，复合材料的界面 复合材料的界面实质上 界面相 是纳米级以上厚度的界面层(Interlayer)或称界面相 (Interphase)。
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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 界面特征 必然性:复合材料是两种或两种以上材料组成的新型材料，就 必然性: 具有界面的存在 复合材料的关键 首先界面是基体和增强材料的结合处，即二者的分子在界面 形成原子作用力。 其次，界面又作为基体和增强材料之间传递载荷的媒介或过 渡带。
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界面：增强体和基体接触而构成。是一层具有一定厚度
（纳米以上）、结构随基体和增强体而异的，与基体有明 显差别的新相（界面相、界面层）。 界面的作用：是增强相和基体连接的纽带，也是应力及其 它信息传递的桥梁。 界面为复合材料极为重要的微结构，其结构与性能直 接影响了复合材料的性能。 增强体（纤维、微纤、晶须、颗粒）与基体在成型过 程中发生不同相互作用和界面反应，形成了各种界面结 构。 界面的研究内容：界面的形成过程，界面的性质，界 面的粘合，应力传递行为对宏观力学性能影响规律。
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界面的性能研究： ---聚合物基复合材料：涉及化学反应，比较复杂；界面的
界面在复合材料中的必然性与重要性
硬化、强化——跨越界面的载荷传递 韧性——裂纹的偏转，纤维的拔出 塑性——界面附近峰值应力的松弛
要求：高粘结强度（可有效把载荷传递给纤维），对环境破坏 具有良好的抵抗能力。
---金属基复合材料：通常需要有适中的粘结界面；界面处
的塑性行为可能是有益的。 控制组元之间在成型时或在高温工作条件下的化学反应； 控制组元之间化学反应要比避免环境破坏更为重要。 界面效应影响因素：增强体与基体两相材料之间的湿润、吸 附、相容等热力学问题；两相材料自身的结构、形态及物理、 化学等性质有关；界面形成过程中的诱导发生的界面附加应力 有关；复合材料成型时两相材料相互作用和界面的反应程度有 关。
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15.2 界面效应及界面结合强度 界面黏结强度的重要性： PMC——高的界面强度，有效地将载荷传递给纤维 PMC——高的界面强度，有效地将载荷传递给纤维 CMC——界面处能量的耗散 CMC——界面处能量的耗散 MMC——强的界面，有益的非弹性过程 MMC——强的界面，有益的非弹性过程 15.2.1 界面效应
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：界面可将复合材料体系中基体承受的外力 传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。 （2）阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻 止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。 （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。
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（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。
15.2.2 界面的结合状态和强度
界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响。对 于每一种复合材料都要求有合适的界面结合强度。 界面结合较差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。
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由于界面区 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 整体材料的力学性能来表征界面性能，如层间 层间 剪切强度(ILSS)就是研究界面粘结的良好办法； 剪切强度 如再能配合断裂形貌分析 断裂形貌分析等即可对界面的其他性能作较深 入的研究。 通过力学分析 力学分析可看出，界面性能较差的材料 界面性能较差的材料大多呈剪切破 坏，且在材料的断面可观察到脱粘 纤维拔出、纤维应力松弛 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 界面间粘结过强的材料呈脆性也降低了材料的复合性 能。
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界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时，这一裂纹能转为 这一裂纹能转为 界面最佳态 区域化而不产生近一步界面脱粘。 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 一定的韧性。 最大断裂能和一定的韧性 由此可见，在研究和设计界面 研究和设计界面时，不应只追求界面粘结 界面粘结而 应考虑到最优化和最佳综合性能 最优化和最佳综合性能。 例如，在某些应用中，如果要求能量吸收 纤维应力很大 能量吸收或纤维应力很大 时，控制界面的部分脱粘也许是所期望的，用淀粉或明胶作为 增强玻璃纤维表面浸润剂的E粗纱已用于制备具有高冲击强度 E 粗纱 的避弹衣。
由于界面尺寸很小 不均匀、化学成分及结构复杂 力 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 学环境复杂 状态尚无直接的、准确的定量分析方法；所以，对于界面结合 状态、形态、结构以及它对复合材料性能的影响尚没有适当的 试验方法，通常需要借助拉曼光谱 电子质谱、红外扫描 x 拉曼光谱、电子质谱 红外扫描、x 衍射等试验逐步摸索和统一认识；另外，对于成分和相结构 成分和相结构也 衍射 很难作出全面的分析。 因此，这今为止，对复合材料界面的认识 界面的认识还是很不充分 的，不能以一个通用的模型 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 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，以便掌根其规律。
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15.3 复合材料组分的相容性和界面理论
15.3.1 复合材料的相容性 (1) 物理相容性： ------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。 ------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。 ------基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界 面结合及各类性能产生重要的影响。
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