復合材料界面

復合材料界面第一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日一、顆粒增強原理

彌散增強原理和顆粒增強原理(1)彌散增強原理

可用位錯繞過理論來解釋。載荷主要由基體承擔，彌散顆粒阻礙基體的位錯運動，微粒阻礙基體位錯運動能力越大，增強效果越好。

在剪切應力τi的作用下，位錯的曲率半徑為：

Gm：基體的剪切模量；b：柏氏矢量2第二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日當R=Df/2時，屈服強度為：

若微粒直徑為dp，體積分數為Vp

時有：

微粒尺寸越小，體積分數越高，強化效果越好。3第三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日(2)顆粒增強原理

增強體是尺寸較大(粒徑大于1μm)的堅硬顆粒。雖然載荷主要由基體承擔，但顆粒也承受載荷并約束基體的變形，微粒阻礙基體位錯運動能力越大，增強效果越好。

復合材料的屈服強度：顆粒尺寸越小，體積分數越高，增強效果越好。4第四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日二、單向排列連續(xù)纖維增強原理

對高性能纖維復合材料結構設計多用層板理論，纖維復合材料被認為是單向層片按照一定的順序進行疊放。

5第五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日(1)縱向強度和剛度

a.復合材料應力-應變曲線的初始階段

復合材料的彈性模量為：

纖維、基體對復合材料性能的貢獻正比于各自的體積分數，稱為“混合法則”。

6第六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日在復合材料中，在已知各組分材料的力學性能、物理性能的情況下，復合材料的力學性能和物理性能主要取決于組成復合材料的材料組分的體積百分比（vol.%）：Pc：復合材料的某性能，如強度、彈性模量、熱導率等；Pi：各組分材料的對應復合材料的某性能；V

：組成復合材料各組分的體積百分比；i：表示組成復合材料的組分數。7第七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日SiC/硼硅玻璃復合材料的強度隨纖維體積含量線性增加8第八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日顆粒增強復合材料的彈性模量與顆粒體積分量的關系9第九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日10第十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日纖維與基體彈性模量比值越大，纖維體積含量越高，則纖維承載越大。因此，對于給定的纖維/基體復合材料體系，應盡可能提高纖維的體積分數。但要考慮基體對纖維的潤濕、浸漬程度問題，界面強度降低以及氣孔率增加會破壞材料性能。11第十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日b.復合材料初始變形后的行為四個階段：

纖維和基體均為線彈性變形

纖維繼續(xù)線彈性變形，基體非線性變形

纖維和基體都非線性變形

隨纖維斷裂，復合材料斷裂

對于脆性纖維復合材料，可能看不到第三階段。12第十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日c.斷裂強度纖維控制復合材料斷裂所需的最小體積分數：當基體斷裂應變>纖維斷裂應變時，

σfu：纖維強度；(σm)εf：對應纖維斷裂應變值的基體應力13第十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日當基體斷裂應變<纖維斷裂應變時，

σmu：基體強度；σf*：對應基體斷裂應變值時纖維承受的應力(2)橫向強度和剛度

纖維對橫向強度不僅沒有增強作用，反而有相反作用。纖維在與相鄰的基體中所引起的應力和應變將對基體形成約束，使得復合材料的斷裂應變比未增強基體低得多。14第十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日三、短纖維增強原理

作用于復合材料的載荷并不直接作用于纖維，而是作用于基體材料并通過纖維端部與端部附近的纖維表面將載荷傳遞給纖維。當纖維長度超過應力傳遞發(fā)生的長度時，端頭效應可以忽略，纖維可以被認為是連續(xù)的，但對于短纖維復合材料，端頭效應不可忽略，同時復合材料性能是纖維長度的函數。

將能夠達到最大纖維應力(σf)max的最短纖維長度定義為載荷傳遞長度lf：

載荷從基體向纖維的傳遞就發(fā)生在纖維的lf長度上。載荷傳遞長度的最大值lc稱為“臨界纖維長度”。15第十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日2.2復合材料的界面

定義：是一層具有一定厚度(納米以上)、結構隨基體和增強體而異的、與基體有明顯差別的新相——界面相(界面層)。一、聚合物基復合材料的界面界面的形成：第一階段：基體與增強纖維的接觸與浸潤過程；增強纖維吸附那些能降低其表面能的物質。第二階段：聚合物的固化階段。聚合物通過物理的或化學的變化而固化，形成固定的界面層。16第十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日界面的結合力界面的區(qū)域(厚度)界面的微觀結構宏觀結合力：材料的幾何因素

(機械鉸合力)微觀結合力：化學鍵和次價鍵界面層結構17第十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日界面作用機理：指界面發(fā)揮作用的微觀機理。(A)界面浸潤理論

1963年Zisman提出，指出填充劑被液體樹脂良好浸潤是重要的。表面張力：：表面張力；F：自由能；A：面積基體和增強體兩表面結合，自由能下降，可定義為粘合功WA：：固氣的界面張力；：液氣的界面張力；：固液的界面張力18第十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日如果一滴液體滴在固體表面，θ為接觸角：θ>900：液體不能潤濕固體(θ=1800時，完全不潤濕固體)θ<900：液體能潤濕固體(θ=00時，完全潤濕固體)根據力的合成：θ19第十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日由(4-2)、(4-3)得到可見，當θ=00時，WA最大，表明液體全部鋪平在固體上，同時和熱力學說明了結合的可能性；動力學表明了結合的速度問題。1964年，Zisman提出了能產生良好結合的兩個條件：

(1)液體粘度要盡量低

(2)略大于問題：復合材料中增強體表面越粗造，界面結合就越好？20第二十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日聚合物基復合材料界面及改性方法(1)改善樹脂基體對增強材料的浸潤程度熱塑性聚合物基復合材料：a.基體熔體與基體與增強材料間的接觸和潤濕；b.復合體系冷卻凝固定型。措施：延長浸潤時間，增大體系壓力，降低熔體粘度，改善織物結構。熱固性聚合物基復合材料：措施：常采用預先形成預浸料(干法、濕法)的辦法，以提高聚合物基體對增強體的浸潤程度。

先決條件：充分浸潤，使界面不出現(xiàn)空隙和缺陷。21第二十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日(2)適度的界面結合強度結合方法：a.物理機械結合b.化學結合結合強度要適中，為什么？

界面黏結太弱，界面容易發(fā)生脫粘，纖維不能充分發(fā)揮作用；

界面黏結太強，容易導致增強材料的脆性破壞。22第二十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日23韌性斷裂脆性斷裂第二十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日24(3)減少復合材料成型中形成的殘余應力

增強材料與基體之間熱導率、熱膨脹系數、彈性模量、泊松比等均不同，成型中界面處形成熱應力，如果不能有效松弛，將成殘余應力。降低應力傳遞能力，使復合材料的力學性能下降。

解決方法：在增強材料與基體間引入一層可形變的界面層。第二十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日(4)調節(jié)界面內應力和減緩應力集中內應力的形成：a.界面黏結強度不均勻b.界面結晶成核作用c.界面附近的聚合物分子鏈發(fā)生取向解決方法：控制復合材料成型中的冷卻歷程；對材料進行適當熱處理；25第二十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日二、金屬基復合材料界面及改性方法界面結合方式：a.化學結合(主要的)b.物理結合c.擴散結合d.機械結合(1)金屬基復合材料界面結構及界面反應界面區(qū)：基體與增強體的接觸連接面；

反應產物和析出相；

增強體的表面涂層作用區(qū)；

元素的擴散和偏聚層；

近界面的高密度位錯區(qū)。26第二十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日金屬基復合材料界面的典型結構：a.有界面反應產物的界面微結構輕微的界面反應有利：局部區(qū)域中形成粒狀、棒狀、片狀的反應產物嚴重的界面反應有害：形成界面反應層27第二十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日b.有元素偏聚和析出相的界面微結構

由于增強體表面吸附作用，金屬基體中的合金元素在增強體表面富集，形成界面析出相。28第二十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日c.增強體與基體直接進行原子結合的界面反應

增強體和基體直接原子結合的界面結構，界面平直，無中間相存在。29第二十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日d.其他類型的界面結構

不同金屬元素在高溫下發(fā)生擴散、吸附和偏聚，在界面形成濃度梯度層。e.金屬基復合材料的界面反應

增強了金屬基體與增強體界面結合強度產生脆性的界面反應產物

造成增強體損傷和改變基體成分

30第三十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日d.其他類型的界面結構

不同金屬元素在高溫下發(fā)生擴散、吸附和偏聚，在界面形成濃度梯度層。e.金屬基復合材料的界面反應

增強了金屬基體與增強體界面結合強度產生脆性的界面反應產物

造成增強體損傷和改變基體成分界面反應分三類：弱界面反應

中等強度界面反應強界面反應