4复合材料的界面结合特性2

4.4 树脂基复合材料界面的破树脂基复合材料界面的破坏机理坏机理n4.4.1 界面破坏的能量流散概念界面破坏的能量流散概念n4.4.2 介质引起界面破坏的机理介质引起界面破坏的机理n4.4.3 金属基复合材料的界面稳定性金属基复合材料的界面稳定性 4.4 树脂基复合材料界面的破树脂基复合材料界面的破坏机理坏机理假设：假设：1）、从整体上假定复合材料中的纤维与基体）、从整体上假定复合材料中的纤维与基体是紧密地胶接在一起的；是紧密地胶接在一起的；2）、分析组分的各自作用时，假定纤维与基）、分析组分的各自作用时，假定纤维与基体是完全分割的，各自有自己的应力行为。体是完全分割的，各自有自己的应力行为。n 树脂固化时将对纤维产生压应力，而对基体树脂固化时将对纤维产生压应力，而对基体则有拉应力。则有拉应力。)(TEfmmm4.4 树脂基复合材料界面的破坏机理树脂基复合材料界面的破坏机理基体中拉应力基体中拉应力纤维中压应力纤维中压应力界面上剪应力界面上剪应力内应力内应力补充：复合材料断裂过程补充：复合材料断裂过程脱粘或基体脱粘或基体剪切破坏剪切破坏初始开裂初始开裂纤维纤维抽出抽出纵向拉伸破坏模式纵向拉伸破坏模式应力分布区域化应力分布区域化nB：空管：空管nC：基体无裂纹，纤维轮廓及断头不清晰：基体无裂纹，纤维轮廓及断头不清晰nD：基体有菱形裂纹：基体有菱形裂纹4.4.1 4.4.1 界面破坏的能量流散概念界面破坏的能量流散概念n当裂纹受到外因素作用时，裂纹的发展当裂纹受到外因素作用时，裂纹的发展过程将是逐渐通过树脂最后到达纤维表过程将是逐渐通过树脂最后到达纤维表面。面。n在裂纹扩展的过程中，将随着裂纹的发在裂纹扩展的过程中，将随着裂纹的发展逐渐消耗能量，并且由于能量的流散展逐渐消耗能量，并且由于能量的流散而减缓裂纹的发展。而减缓裂纹的发展。裂纹峰垂直于纤维表面的微裂纹裂纹峰垂直于纤维表面的微裂纹裂纹能量在界面上流散示意图裂纹能量在界面上流散示意图裂纹由于界面能量流散裂纹由于界面能量流散而减弱裂纹生长，或能而减弱裂纹生长，或能量消耗在界面脱胶而分量消耗在界面脱胶而分散了裂纹峰上的能量集散了裂纹峰上的能量集中，因此未造成纤维的中，因此未造成纤维的破坏。破坏。树脂在玻璃纤维界面上生成的键可分为两种树脂在玻璃纤维界面上生成的键可分为两种:1 1）范德华力（）范德华力（2.5104J/mol）2 2）化学键（）化学键（(1.21.8)105J/mol ）作用：能量流散时化学键的破坏将吸收更大的能量作用：能量流散时化学键的破坏将吸收更大的能量。混乱分布的键混乱分布的键集中分布的键集中分布的键化学键集中时，裂化学键集中时，裂纹峰能量集中引起纹峰能量集中引起纤维的断裂纤维的断裂裂纹峰扩展破坏集裂纹峰扩展破坏集中化学键中化学键树脂层脱粘破坏树脂层脱粘破坏 如果树脂与纤维界面上的化学键是分散的，如果树脂与纤维界面上的化学键是分散的，裂纹发展受能量流散影响将引起脱粘破坏。裂纹发展受能量流散影响将引起脱粘破坏。n25%的硼纤维增强环的硼纤维增强环氧树脂系统，采用氧树脂系统，采用80%亚聚氨酯进行纤亚聚氨酯进行纤维的间断涂层，其韧度维的间断涂层，其韧度提高提高400%，而强度几，而强度几乎没有下降。乎没有下降。界面控制技术界面控制技术n间断粘结界面的裂纹在间断粘结界面的裂纹在弱粘结区被钝化。弱粘结区被钝化。4.4.2 介质引起界面破坏的机理介质引起界面破坏的机理n 清洁的玻璃表面暴露在大气中立即会吸附一清洁的玻璃表面暴露在大气中立即会吸附一层水分子。表面的引力可以通过连续的水膜传层水分子。表面的引力可以通过连续的水膜传递。递。n因此，玻璃表面经多层吸附而形成厚的水膜，因此，玻璃表面经多层吸附而形成厚的水膜，并且加热到并且加热到25时也不易除去。只有在真空中时也不易除去。只有在真空中（0.0133Pa），），800C下方可基本将物理下方可基本将物理和化学吸附水除去。和化学吸附水除去。n玻璃纤维增强聚合物复合材料表面上的吸附水玻璃纤维增强聚合物复合材料表面上的吸附水侵入界面后，发生水与玻璃纤维和树脂的化学侵入界面后，发生水与玻璃纤维和树脂的化学变化，引起界面脱粘，造成复合材料的破坏。变化，引起界面脱粘，造成复合材料的破坏。4.4.2 介质引起界面破坏的机理介质引起界面破坏的机理1)水对玻璃纤维的作用，水对玻璃纤维的作用，碱性水破坏硅碱性水破坏硅氧网络氧网络2）使基体水解，）使基体水解，如碱催化聚酯树脂的降如碱催化聚酯树脂的降解解3）溶胀，）溶胀，溶胀超过固化收缩后，产生拉溶胀超过固化收缩后，产生拉应力。应力。进入界面的水将使树脂发生溶胀，初期的溶胀将抵消在进入界面的水将使树脂发生溶胀，初期的溶胀将抵消在室温下的固化收缩，当溶胀超过了固化收缩时，则界面上产室温下的固化收缩，当溶胀超过了固化收缩时，则界面上产生拉伸应力。生拉伸应力。当力大于界面粘结力时，产生界面破坏。当力大于界面粘结力时，产生界面破坏。图图4.12 界面上产生的径向拉伸应力示意图界面上产生的径向拉伸应力示意图水进入复合材料的途径水进入复合材料的途径n树脂黏度大，裹入的空气相连树脂黏度大，裹入的空气相连成通道成通道n水溶性无机物溶解水溶性无机物溶解n树脂的热收缩在基体和界面上树脂的热收缩在基体和界面上产生微裂纹产生微裂纹水的破坏作用：减小了纤维的内聚能，水的破坏作用：减小了纤维的内聚能，脆化了纤维材料脆化了纤维材料EWW:表面能或内聚能塑性变形所需的能量n水助长裂纹的扩张，还有两方面的作用，水助长裂纹的扩张，还有两方面的作用，就是就是（1）表面腐蚀导致表面缺陷或产生微弱）表面腐蚀导致表面缺陷或产生微弱腐蚀产物腐蚀产物（2）凝结在裂纹顶端的水能产生相当大）凝结在裂纹顶端的水能产生相当大的毛细压力的毛细压力n促进纤维中原有微裂纹的扩展，引起材促进纤维中原有微裂纹的扩展，引起材料的破坏。料的破坏。4.4.3 金属基复合材料的界面稳定性金属基复合材料的界面稳定性受两类因素影响：受两类因素影响：n物理方面的因素物理方面的因素-高温下基体与增强体之高温下基体与增强体之间的溶融、溶解间的溶融、溶解-析出析出n化学方面的因素化学方面的因素-使用过程中界面化学引使用过程中界面化学引起的：起的：包括连续界面反应、交换反应和包括连续界面反应、交换反应和暂稳态界面的变化暂稳态界面的变化物理方面的不稳定因素物理方面的不稳定因素n例：用粉末冶金法制成的例：用粉末冶金法制成的钨丝增强镍钨丝增强镍合金合金材料，由于成型温度较低，钨丝材料，由于成型温度较低，钨丝未溶入合金，故其强度基本不变，未溶入合金，故其强度基本不变，但但在在1100C左右使用左右使用50h，则钨丝直，则钨丝直径仅为原来的径仅为原来的60%，强度明显降低，强度明显降低，表明钨丝已溶入镍合金基体中。表明钨丝已溶入镍合金基体中。n硼向外扩散以致纤维内部留下空洞，硼向外扩散以致纤维内部留下空洞，占面积占面积10%以上以上930C 下下1小时小时连连续续界界面面反反应应化学方面的不稳定因素化学方面的不稳定因素n交换反应：交换反应：如如碳纤维碳纤维与与铝铝含钛、铜合金的含钛、铜合金的MMC中，由于中，由于钛与碳反应自由能低则优先形成碳化钛，钛与碳反应自由能低则优先形成碳化钛，造成界面附近铜、铝元素的富集造成界面附近铜、铝元素的富集，实验观察到确，实验观察到确有有CuAl2金属间化合物存在。金属间化合物存在。n暂稳态界面的变化：暂稳态界面的变化：硼纤维增强硼纤维增强Al，如用固态扩，如用固态扩散方法，这层氧化膜将不会受到破坏，但它是不散方法，这层氧化膜将不会受到破坏，但它是不稳定的，在长期的热效应作用下，氧化膜会球化，稳定的，在长期的热效应作用下，氧化膜会球化，这与残余的氧化层表面能有关，这种界面上出现这与残余的氧化层表面能有关，这种界面上出现的局部球化会影响复合材料的性能。的局部球化会影响复合材料的性能。小结：小结：复合材料界面破坏机理大致有三种：复合材料界面破坏机理大致有三种：1.1.微裂纹破坏理论微裂纹破坏理论2.2.界面破坏理论界面破坏理论3.3.化学结构破坏理论化学结构破坏理论4.5 4.5 复合材料界面优化设计复合材料界面优化设计 复合材料界面优化设计的含义是对复合材料界面相进复合材料界面优化设计的含义是对复合材料界面相进行设计及控制，以使整体材料的综合性能达到最优状态。行设计及控制，以使整体材料的综合性能达到最优状态。综合考虑，综合考虑，最大限度地最大限度地体现出整体体现出整体优越性优越性界面的功能：传递应力、粘结与脱粘。界面的功能：传递应力、粘结与脱粘。复合材料界面的优化设计是一个复杂的因素。复合材料界面的优化设计是一个复杂的因素。1 1、首先应该注意材料的应用要求；、首先应该注意材料的应用要求；2 2、弹性模量的设计；、弹性模量的设计；3 3、界面的残余应力；、界面的残余应力；4 4、基体与增强体的相容性；、基体与增强体的相容性；5 5、相间的动力学效果；、相间的动力学效果；6 6、偶联剂的性能。、偶联剂的性能。应用要求应用要求1 1、制品首先满足的强度问题。、制品首先满足的强度问题。2 2、制品的工作环境。、制品的工作环境。3 3、制品的生产成本、使用寿命等。、制品的生产成本、使用寿命等。EgEg、纵向强度、横向强度、抗压强度等纵向强度、横向强度、抗压强度等EgEg、潮湿环境下、酸性环境下、碱性环境潮湿环境下、酸性环境下、碱性环境下，紫外线多的环境下，下，紫外线多的环境下，要选择相对应的要选择相对应的树脂。树脂。EgEg、对于某些工程材料在满足要求时尽量对于某些工程材料在满足要求时尽量降低生产成本；降低生产成本；考虑使用年限等问题。考虑使用年限等问题。弹性模量的设计弹性模量的设计见解见解1 1、界面、界面相的模量应当相的模量应当介于增强体与介于增强体与基体之间；基体之间；见解见解2 2、保证、保证相当的粘结程相当的粘结程度下，界面相度下，界面相的模量应当是的模量应当是最低的；最低的；界 面 相界 面 相的 模 量的 模 量基 体基 体和 增 强和 增 强体 的 模体 的 模量。量。Why？高模量的界面首先破坏，起不到高模量的界面首先破坏，起不到传递力的作用，且造成裂纹源，传递力的作用，且造成裂纹源，形成增强体的低应力破坏形成增强体的低应力破坏残余应力残余应力足够重视足够重视见解见解1 1、如何、如何减弱复合材料减弱复合材料界面的残余应界面的残余应力；力；见解见解2 2、如何、如何在材料中利用在材料中利用复合材料界面复合材料界面的残余应力；的残余应力；影响复影响复合材料合材料性能的性能的发挥和发挥和性能稳性能稳定定相容性相容性条件？条件？影响复影响复合材料合材料性能的性能的发挥和发挥和性能稳性能稳定定G 0保证增保证增强体及强体及基体充基体充分接触分接触先决条件先决条件各种各种外加外加剂的剂的使用使用动力学效果动力学效果润湿？润湿？润湿润湿程度程度考虑考虑1、相间浸润的、相间浸润的热力学效果热力学效果2、相间浸润的、相间浸润的动力学效果动力学效果判断润判断润湿程度湿程度判断润判断润湿过程湿过程及如何及如何润湿润湿偶联剂的性能偶联剂的性能界面改界面改性剂性剂粘结基体和增强体的桥梁化 学 功 能物 理 功 能其他结构因素4.5 复合材料界面优化设计复合材料界面优化设计4.5.1 改善树脂基复合材料的原则改善树脂基复合材料的原则1）改善树脂基体对增强材料的浸润程度）改善树脂基体对增强材料的浸润程度2）适度的界面粘结）适度的界面粘结3）减少复合材料成型中形成的残余应力减少复合材料成型中形成的残余应力4）调节界面内应力、减缓应力集中）调节界面内应力、减缓应力集中4.5.2 金属基复合材料界面优化及界面反应控制金属基复合材料界面优化及界面反应控制的途径的途径1）纤维增强体的表面涂层处理）纤维增强体的表面涂层处理2）金属基体合金化）金属基体合金化3）优化制备工艺方法和参数）优化制备工艺方法和参数作业：作业：n解释界面破坏的能量流散概念，并说明解释界面破坏的能量流散概念，并说明其在界面破坏上的应用。其在界面破坏上的应用。n简述非树脂基复合材料的界面类型分类。简述非树脂基复合材料的界面类型分类。n如何对复合材料界面进行优化设计。如何对复合材料界面进行优化设计。