第四章-复合材料的界面.ppt

第四章第四章 复复合材料的界面合材料的界面 4.1概述概述一、定义一、定义复合材料的界面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。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二、界面结合方式的分类1)1)机械结合机械结合。基体与增强材料之间不发生化学反应，纯粹靠机械。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。连结，靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。2)2)溶解和润湿结合溶解和润湿结合。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散。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。和溶解，形成结合。界面是溶质原子的过渡带。3)3)反应结合反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，在界面上生成化。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。合物，使基体和增强材料结合在一起。4)4)交换反应结合交换反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，生成化合物，。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。且还通过扩散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。5)5)混合结合混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。是以。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。上几种结合方式中几个的组合。三、复三、复合材料的界面效应合材料的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。电阻R1电阻R1电阻R2（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。诱导效应诱导效应ROMHOHOHOHMHOOHSiRSiH2ORMHOOHSi无机表面聚合物表面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。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。四、界面结合强度对复合材料性能的影响四、界面结合强度对复合材料性能的影响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。许多因素影响着界面结合强度，如表面几何形状、分布状况、纹理结构、表面杂质、吸附气体程度、吸水情况、表面形态、在界面的溶解、扩散和化学反应、表面层的力学特性、润湿速度等。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。因此，在研究和设计界面时，不应只追求因此，在研究和设计界面时，不应只追求界面结合而应考虑到最优化和最佳综合性界面结合而应考虑到最优化和最佳综合性能。能。五、五、复复合材料组分的相容性合材料组分的相容性物理相容性物理相容性：1.是指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。2.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。3.另一个重要的物理关系是热膨胀系数。基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面结合产生重要的影响，从而影响材料的各类性能。例如：对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因为热膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却是将受到张应力；对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于抗拉强度，处于压缩状态比较有利。对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求避免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差太大。化学相容性：化学相容性：化学相容性是一个复杂的问题。对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两相化学势相等，比表面能效应也最小。对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。纤维和基体间的直接反应则是更重要的相容性问题。对复合材料来说，以下因素与复合材料化学相容性有关的问题则十分重要：1）相反应的自由能 F：代表该反应的驱动力。设计复合材料时，应确定所选体系可能发生反应的自由能的变化。2）化学势U：各组分的化学势不等，常会导致界面的不稳定。3）表面能T：各组分的表面能很高，导致界面的不稳定。4）晶界扩散系数D：由晶界或表面扩散系数控制的二次扩散效应常使复合体系中组分相的关系发生很大变化。4.2 复合材料的界面理论复合材料的界面理论一、界一、界面润湿理论面润湿理论：界面润湿理论是基于液态树脂对纤维表面的浸润亲和，即物理和化学吸附作用。液态树脂对纤维表面的良好浸润是十分重要的。浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润将使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。液滴在固体表面的不同润湿情况 接触角表示了液体润湿固体的情况。当90，液体不润湿固体；当=180,固体表面完全不能被液体润湿；当90，液体润湿固体；当=0，液体完全平铺在固体表面。接触角随温度、保持时间、吸附气体等而变化。浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触时的情况，而并不能表示界面的粘结性能。一种体系的两个组元可能有极好的浸润性，但它们之间的结合可能很弱，如范德华物理键合。因此润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条件。二、二、机械作用理论：当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不平将发生机械互锁。三、静电理论 当复合材料不同组分表面带有异性电荷时，将发生静电吸引。仅在原子尺度量级内静电作用力才有效 表面静电吸引结合示意图 四、化学键理论：在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形成共价键结合。在理论上可获得最强的界面粘结能（210-220 J/mol）。表面结合化学键示意图 五、五、界面反应或界面扩散界面反应或界面扩散理论理论 在复合材料组分之间发生原子或分子间的扩散或反应，从而形成反应结合或扩散结合。界面反应结合或扩散结合示意图 4.3 聚合物基复合材料界面聚合物基复合材料界面一、界面的形成一、界面的形成对于聚合物基复合材料，其界面的形成可以分成两对于聚合物基复合材料，其界面的形成可以分成两个阶段：个阶段：第一阶段是基体与增强纤维的第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润接触与浸润过程。由过程。由于增强纤维对基体分子的各种基团或基体中各组分于增强纤维对基体分子的各种基团或基体中各组分的吸附能力不同，它总是要吸附那些能降低其表面的吸附能力不同，它总是要吸附那些能降低其表面能的物质，并优先吸附那些能较多降低其表面能的能的物质，并优先吸附那些能较多降低其表面能的物质。因此界面聚合层在结构上与聚合物本体是不物质。因此界面聚合层在结构上与聚合物本体是不同的。同的。第二阶段是聚合物的第二阶段是聚合物的固化阶段固化阶段。在此过程中聚。在此过程中聚合物通过物理的或化学的变化而固化，形成固合物通过物理的或化学的变化而固化，形成固定的界面层。固化阶段受第一阶段影响，同时定的界面层。固化阶段受第一阶段影响，同时它直接决定着所形成的界面层的结构。以热固它直接决定着所形成的界面层的结构。以热固性树脂的固化过程为例，树脂的固化反应可借性树脂的固化过程为例，树脂的固化反应可借助固化剂或靠本身官能团反应来实现。在利用助固化剂或靠本身官能团反应来实现。在利用固化剂固化的过程中，固化剂所在位置是固化固化剂固化的过程中，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、边缘密度小的非扩展，最后形成中心密度大、边缘密度小的非均匀固化结构。均匀固化结构。界面层的结构大致包括界面层的结构大致包括界面的结合力界面的结合力、界面的区界面的区域域(厚度厚度)和和界面的微观结构界面的微观结构等几个方面。界面结合等几个方面。界面结合力存在于两相之间，并由此产生复合效果和界面力存在于两相之间，并由此产生复合效果和界面强度。界面结合力又可分为宏观结合力和微观结强度。界面结合力又可分为宏观结合力和微观结合力，前者主要指材料的几何因素，如表面的凹合力，前者主要指材料的几何因素，如表面的凹凸不平、裂纹、孔隙等所产生的机械铰合力；后凸不平、裂纹、孔隙等所产生的机械铰合力；后者包括化学键和次价键，这两种键的相对比例取者包括化学键和次价键，这两种键的相对比例取决于组成成分及其表面性质。化学键结合是最强决于组成成分及其表面性质。化学键结合是最强的结合，可以通过界面化学反应而产生。通常进的结合，可以通过界面化学反应而产生。通常进行的增强纤维表面处理就是为了增大界面结合力。行的增强纤维表面处理就是为了增大界面结合力。水的存在常使界面结合力显著减弱，尤其是玻璃水的存在常使界面结合力显著减弱，尤其是玻璃表面吸附的水严重削弱玻璃纤维与树脂之间的界表面吸附的水严重削弱玻璃纤维与树脂之间的界面结合力。面结合力。界面及其附近区域的性能、结构都不同于组界面及其附近区域的性能、结构都不同于组分本身，因而构成了界面层。或者说。界面分本身，因而构成了界面层。或者说。界面层是由纤维与基体之间的界面以及纤维和基层是由纤维与基体之间的界面以及纤维和基体的表面薄层构成的，基体表面层的厚度约体的表面薄层构成的，基体表面层的厚度约为增强纤维的数十倍，它在界面层中所占的为增强纤维的数十倍，它在界面层中所占的比例对复合材料的力学性能有很大影响。对比例对复合材料的力学性能有很大影响。对于玻璃纤维复合材料，界面层还包括偶联剂于玻璃纤维复合材料，界面层还包括偶联剂生成的偶联化合物。增强纤维与基体表面之生成的偶联化合物。增强纤维与基体表面之间的距离受化学结合力、原子基团大小、界间的距离受化学结合力、原子基团大小、界面固化后收缩等方面因素影响。面固化后收缩等方面因素影响。4.4 金属基复合材料界面金属基复合材料界面在金属基复合材料中往往由于基体与增在金属基复合材料中往往由于基体与增强物发生相互作用生成化合物。基体与强物发生相互作用生成化合物。基体与增强物的互扩散而形成扩散层，增强物增强物的互扩散而形成扩散层，增强物的表面预处理涂层，使界面的形状、尺的表面预处理涂层，使界面的形状、尺寸、成分、结构等变得非常复杂。寸、成分、结构等变得非常复杂。一、界面的类型一、界面的类型界面比聚合物基复合材料复杂的多。其中界面比聚合物基复合材料复杂的多。其中I类界面是平整的，厚度仅为分子层的程度。类界面是平整的，厚度仅为分子层的程度。除原组成成分外，界面上基本不含其它物除原组成成分外，界面上基本不含其它物质；质；II类界面是由原组成成分构成的犬牙交类界面是由原组成成分构成的犬牙交错的溶解扩散型界面；错的溶解扩散型界面；III类界面则含有亚类界面则含有亚微级左右的界面反应物质微级左右的界面反应物质(界顶反应层界顶反应层)。界。界面类型还与复合方法有关。面类型还与复合方法有关。二、金属基纤维复合材料的界面结合形式：二、金属基纤维复合材料的界面结合形式：（1）物理结合）物理结合 物理结合是指借助材料表面的粗物理结合是指借助材料表面的粗糙形态而产生的机械铰合，以及借助基体收缩应糙形态而产生的机械铰合，以及借助基体收缩应力包紧纤维时产生的摩擦结合。这种结合与化学力包紧纤维时产生的摩擦结合。这种结合与化学作用无关。纯属物理作用，结合强度的大小与纤作用无关。纯属物理作用，结合强度的大小与纤维表面的粗糙程度有很大关系。维表面的粗糙程度有很大关系。(2)溶解和浸润结合溶解和浸润结合 这种结合与表这种结合与表41中的中的II类界类界面对应。纤维与基体的相互作用力是极短程的，面对应。纤维与基体的相互作用力是极短程的，只有若干原子间距。由于纤维表面常存在氧化物只有若干原子间距。由于纤维表面常存在氧化物膜，阻碍液态金属的浸润，这时就需要对纤维表膜，阻碍液态金属的浸润，这时就需要对纤维表面进行处理如利用超声波法通过机械摩擦力破面进行处理如利用超声波法通过机械摩擦力破坏氧化物膜，使纤维与基体的接触角小于坏氧化物膜，使纤维与基体的接触角小于90度，度，发生浸润或局部互溶以提高界面结合力。当然，发生浸润或局部互溶以提高界面结合力。当然，液态金属对纤维的涅润性也与温度有关。液态金属对纤维的涅润性也与温度有关。(3)反应结合。反应结合与表反应结合。反应结合与表41中的中的111类类界面对应。其特征是在纤维与基体之间形成界面对应。其特征是在纤维与基体之间形成新的化合物层，即界面反应层。界面反应层新的化合物层，即界面反应层。界面反应层往往不是单一的化合物，如硼纤维增强钛铝往往不是单一的化合物，如硼纤维增强钛铝合金、在界面反应层内有多种反应产物。一合金、在界面反应层内有多种反应产物。一般情况下，随反应程度增加，界面结合强度般情况下，随反应程度增加，界面结合强度亦增大，但由于界面反应产物多为脆性物质，亦增大，但由于界面反应产物多为脆性物质，所以当界面层达到一定厚度时，界面上的残所以当界面层达到一定厚度时，界面上的残余应力可使界面破坏，反而降低界面结合强。余应力可使界面破坏，反而降低界面结合强。三、影响界面稳定性的因素三、影响界面稳定性的因素与聚合物基复合材料相比，耐高温是金属基复合与聚合物基复合材料相比，耐高温是金属基复合材料的主要特点。因此，金属基复合材料的界面材料的主要特点。因此，金属基复合材料的界面能否在所允许的高温环境下长时间保持稳定，是能否在所允许的高温环境下长时间保持稳定，是非常重要的。影响界面稳定性的因素包括非常重要的。影响界面稳定性的因素包括物理的物理的和化学的两个方面和化学的两个方面。1.物理方面的不稳定因素物理方面的不稳定因素 主要指在主要指在高温条件下增强纤维与基体之间的熔高温条件下增强纤维与基体之间的熔融融。例如、用粉末冶金法制成的钨丝增强镍合金。例如、用粉末冶金法制成的钨丝增强镍合金材料，由于成型温度较低，钨丝直径未溶入合金，材料，由于成型温度较低，钨丝直径未溶入合金，故其强度基本不变，但若在故其强度基本不变，但若在1100左右使用左右使用50h，则钨丝直径仅为原来的，则钨丝直径仅为原来的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。在某些场合这种在某些场合这种互溶现象不一定产生不良的效果。互溶现象不一定产生不良的效果。2 化学方面的不稳定因素化学方面的不稳定因素 主要与复合材料在主要与复合材料在加工和使用过程中发加工和使用过程中发生的界面化学作用生的界面化学作用有关。它包括连续界面反有关。它包括连续界面反应、交换式界面反应和暂稳态界面变化等几应、交换式界面反应和暂稳态界面变化等几种现象。其中，连续界面反应对复合材料力种现象。其中，连续界面反应对复合材料力学性能的影响最大。这种反应有两种可能：学性能的影响最大。这种反应有两种可能：发生在增强纤维一侧，或者基体一侧。前者发生在增强纤维一侧，或者基体一侧。前者是基体原于通过界层层向纤维扩散，后者则是基体原于通过界层层向纤维扩散，后者则相反。相反。3.交换式界面反应的不稳定因素交换式界面反应的不稳定因素 主要出现在含有两种或主要出现在含有两种或两种以上元素的合金两种以上元素的合金的基体中。的基体中。增强纤维优先与合金基体中某一元素增强纤维优先与合金基体中某一元素反应反应，使含有该元素的化合物在，使含有该元素的化合物在界面层富集界面层富集，而，而在在界面层附近的基体中则缺少这种元素界面层附近的基体中则缺少这种元素，导致非，导致非界面化合物的其它元素在界面附近富集。同时，界面化合物的其它元素在界面附近富集。同时，化合物的元素与基体中的元素不断发生交换反应，化合物的元素与基体中的元素不断发生交换反应，直至达到平衡。例如，在碳纤维铝钛铜合金材直至达到平衡。例如，在碳纤维铝钛铜合金材料中，由于碳与钛反应的自由能低，故优先生成料中，由于碳与钛反应的自由能低，故优先生成碳化钛，使得界面附近的铝、铜富集。碳化钛，使得界面附近的铝、铜富集。暂稳态界面变化是由于增强纤维表面局部存在氧暂稳态界面变化是由于增强纤维表面局部存在氧化层所致。对于硼纤维铝材料，若采用固态扩化层所致。对于硼纤维铝材料，若采用固态扩散法成型工艺。界面上将产生氧化层，但它的稳散法成型工艺。界面上将产生氧化层，但它的稳定性差，在长时间热环境下氧化层容易发生球化定性差，在长时间热环境下氧化层容易发生球化而影响复合材料性能。而影响复合材料性能。界面结合状态对金属基复合材料沿纤维方向的抗界面结合状态对金属基复合材料沿纤维方向的抗张强度有很大影响对剪切强度、疲劳特性能等张强度有很大影响对剪切强度、疲劳特性能等也有不同程度的影响。也有不同程度的影响。界面结合强度过高或过低都不利，适当的界面结界面结合强度过高或过低都不利，适当的界面结合强度才能保证复合材料具有最佳的抗张强度。合强度才能保证复合材料具有最佳的抗张强度。一般情况下，界面结合强度越高，沿纤维方向的一般情况下，界面结合强度越高，沿纤维方向的剪切强度越大。在交变载荷作用下，复合材料界剪切强度越大。在交变载荷作用下，复合材料界面的松脱会导致纤维与基体之间摩擦生热加剧破面的松脱会导致纤维与基体之间摩擦生热加剧破坏过程。因此就改善复合材料的疲劳性能而言，坏过程。因此就改善复合材料的疲劳性能而言，界面强度稍强一些为好。界面强度稍强一些为好。四、残余应力四、残余应力 在金属基复合材料结构设计中，除了要在金属基复合材料结构设计中，除了要考虑化学力面的因素外，还应注意增强纤考虑化学力面的因素外，还应注意增强纤维与金属基体的物理相容性。物理相容性维与金属基体的物理相容性。物理相容性要求金属基体有足够的韧性和强度，以便要求金属基体有足够的韧性和强度，以便能够更好地通过界面将载荷传送给增强纤能够更好地通过界面将载荷传送给增强纤维；还要求在材料中出现裂纹或位错维；还要求在材料中出现裂纹或位错(金属金属晶体中的一种缺陷，其特征是两维尺度很晶体中的一种缺陷，其特征是两维尺度很小而第三维尺度很大，金属发生塑性形变小而第三维尺度很大，金属发生塑性形变时伴随着位错的移动时伴随着位错的移动)移动时基体上产生的移动时基体上产生的局部应力不在增强纤维上形成高应力。局部应力不在增强纤维上形成高应力。物理相容性中最重要的是要求纤维与基体的热膨物理相容性中最重要的是要求纤维与基体的热膨胀系数匹配。如果基体的韧性较强、热膨胀系数胀系数匹配。如果基体的韧性较强、热膨胀系数也较大，复合后容易产生拉伸残余应力，而增强也较大，复合后容易产生拉伸残余应力，而增强纤维多为脆性材料，复合后存易出现压缩残余应纤维多为脆性材料，复合后存易出现压缩残余应力。因而不能选用模量很低的基体与模量很高的力。因而不能选用模量很低的基体与模量很高的纤维复合，否则纤维容易发生屈曲。纤维复合，否则纤维容易发生屈曲。当纤维中残余应力是压应力时，应注意纤维的屈当纤维中残余应力是压应力时，应注意纤维的屈曲；当基体的残余应力为拉应力时，应考虑界面曲；当基体的残余应力为拉应力时，应考虑界面和基体中的裂纹扩展。如果情况相反，那么纤维和基体中的裂纹扩展。如果情况相反，那么纤维和基体正好发挥各自所长。和基体正好发挥各自所长。因此，在选择金属基复合材料的组分材料时，为因此，在选择金属基复合材料的组分材料时，为避免过高的残余应力，要求增强纤维与基体的热避免过高的残余应力，要求增强纤维与基体的热膨胀系数不要相差很大。膨胀系数不要相差很大。在陶瓷基复合材料中，增强纤维与基体之间形成的在陶瓷基复合材料中，增强纤维与基体之间形成的反应层质地比较均匀，对纤维和基体都有能很好地反应层质地比较均匀，对纤维和基体都有能很好地结合，但通常它是脆性的。因增强纤维的横截面多结合，但通常它是脆性的。因增强纤维的横截面多为圆形，故界面反应层常为空心圆筒状。其厚度可为圆形，故界面反应层常为空心圆筒状。其厚度可以控制。当反应层达到某以控制。当反应层达到某厚度时，复合材料的抗厚度时，复合材料的抗张强度张强度开始降低开始降低。此时反应层的厚度可定义为。此时反应层的厚度可定义为第一第一临界厚度临界厚度。如果反应层厚度继续增大、材料强度亦。如果反应层厚度继续增大、材料强度亦随之降低。直至达随之降低。直至达某一强度时不再降低某一强度时不再降低，这时反应，这时反应层厚度称为层厚度称为第二临界厚度第二临界厚度。4.5 陶瓷基复合材料的界面陶瓷基复合材料的界面通常增强纤维的表面比较光滑。比表面积小，表面通常增强纤维的表面比较光滑。比表面积小，表面能较低，具有活性的表面一般不超过总表面的能较低，具有活性的表面一般不超过总表面的10、呈现憎液性，所以这类纤维较难通过化学的或物理呈现憎液性，所以这类纤维较难通过化学的或物理的作用与基体形成牢固的结合。为了改进纤维与基的作用与基体形成牢固的结合。为了改进纤维与基体之间的界面结构，改善二者的复合性能，需要对体之间的界面结构，改善二者的复合性能，需要对增强纤维进行适当的表面处理。所谓表面处理就是增强纤维进行适当的表面处理。所谓表面处理就是在增强材料表面涂覆上一种称为表面处理剂的物质，在增强材料表面涂覆上一种称为表面处理剂的物质，这种表面处理剂包括浸润剂及一系列偶联剂和助剂这种表面处理剂包括浸润剂及一系列偶联剂和助剂等物质，以利于增强材料与基体间形成一个良好的等物质，以利于增强材料与基体间形成一个良好的粘结界面，从而达到提高复合材料各种性能的目的。粘结界面，从而达到提高复合材料各种性能的目的。4.6 增强材料的表面处理增强材料的表面处理本世纪本世纪40年代初期发展起来的玻璃纤维增强塑料即年代初期发展起来的玻璃纤维增强塑料即玻璃钢，由于它具有质轻、高强、耐腐蚀、绝缘性玻璃钢，由于它具有质轻、高强、耐腐蚀、绝缘性好等优良性能、已被广泛应用于航空、汽车、机械、好等优良性能、已被广泛应用于航空、汽车、机械、造船、建材和体育器材等方面。玻璃纤维的表面状造船、建材和体育器材等方面。玻璃纤维的表面状态及其与基体之间的界面状况对玻璃纤维复合材料态及其与基体之间的界面状况对玻璃纤维复合材料的性能有很大影响。玻璃纤维的主要成分是硅酸盐。的性能有很大影响。玻璃纤维的主要成分是硅酸盐。通常玻璃纤维与树脂的界面粘结性不好通常玻璃纤维与树脂的界面粘结性不好，故常采用，故常采用偶联剂涂层偶联剂涂层的方法对纤维表面进行处理。的方法对纤维表面进行处理。一、玻璃纤维的表面处理一、玻璃纤维的表面处理有机铬合物类表面处理剂有机铬合物类表面处理剂，是有机酸与氯化铬的络，是有机酸与氯化铬的络合物。合物。另一类常用的偶联剂是另一类常用的偶联剂是有机硅烷偶联剂有机硅烷偶联剂。用表面处理剂处理玻璃纤维的方法，目前采用的用表面处理剂处理玻璃纤维的方法，目前采用的有三种：有三种：1.前处理法：这种方法既能满足抽丝和纺织工序前处理法：这种方法既能满足抽丝和纺织工序要求、又能促使纤维和树脂浸润与粘接的处理剂要求、又能促使纤维和树脂浸润与粘接的处理剂代替纺织型浸润剂，在玻璃纤维抽丝过程中。涂代替纺织型浸润剂，在玻璃纤维抽丝过程中。涂覆到玻璃纤维上所以这种处理剂又叫做覆到玻璃纤维上所以这种处理剂又叫做“增强增强型湿润剂型湿润剂”经增强型浸润剂处理过的玻璃纤维，经增强型浸润剂处理过的玻璃纤维，织成的布叫前处理布。这种纤维布在制成复合材织成的布叫前处理布。这种纤维布在制成复合材料时，可直接使用不需再经处理。料时，可直接使用不需再经处理。2.后处理法；这是目前国内外普遍采用的处理方后处理法；这是目前国内外普遍采用的处理方法。处理过程分两步进行：第一布先除去抽丝过法。处理过程分两步进行：第一布先除去抽丝过程涂覆在玻璃纤维表面的纺织浸润剂。第二步，程涂覆在玻璃纤维表面的纺织浸润剂。第二步，纤维经处理剂浸渍、水洗、烘干，使玻璃纤维表纤维经处理剂浸渍、水洗、烘干，使玻璃纤维表面上覆上一层处理剂。面上覆上一层处理剂。3.迁移法迁移法此方法是将化学处理剂加入到树脂胶粘此方法是将化学处理剂加入到树脂胶粘剂中，在纤维浸胶过程中，处理剂与经剂中，在纤维浸胶过程中，处理剂与经过热处理后的纤维接触，当树脂固化时过热处理后的纤维接触，当树脂固化时产生偶联作用。这种方法处理的效果比产生偶联作用。这种方法处理的效果比以上两种方法差。以上两种方法差。二、二、碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理由于碳纤维本身的由于碳纤维本身的结构特征结构特征(沿纤维轴择沿纤维轴择优取向的同质多晶优取向的同质多晶)，使其与树脂的界面，使其与树脂的界面粘结力不大粘结力不大(特别是石墨碳纤维特别是石墨碳纤维)。因此用。因此用未经表面处理的碳纤维制成的复合材料未经表面处理的碳纤维制成的复合材料其层间剪切强度较低，可用于碳纤维表其层间剪切强度较低，可用于碳纤维表面处理的方法较多，如氧化、沉积、电面处理的方法较多，如氧化、沉积、电聚合与电沉积、等离于体处理等。聚合与电沉积、等离于体处理等。最早采用的是氧化法，目的在于增加纤维最早采用的是氧化法，目的在于增加纤维表面粗糙度和极性基含量。氧化法有液相表面粗糙度和极性基含量。氧化法有液相氧化和气相氧化之分。液相氧化法又可分氧化和气相氧化之分。液相氧化法又可分成介质直接氧化和阳极氧化。成介质直接氧化和阳极氧化。沉积法一般指在高温或还原件气氛中，使烃类、沉积法一般指在高温或还原件气氛中，使烃类、金属卤化物等以金属卤化物等以碳、碳化物的形式在纤维表面形碳、碳化物的形式在纤维表面形成沉积膜或生长晶须成沉积膜或生长晶须。从而实现对纤维。从而实现对纤维表面进行表面进行改性改性的目的。例如，使低分子碳化物的目的。例如，使低分子碳化物(如如CH4，C2H2。C2H6)在通电的碳纤维表面沉积形成碳氢化在通电的碳纤维表面沉积形成碳氢化合物涂层；在纤维表面涂覆二茂铁、乙酰丙酮铬合物涂层；在纤维表面涂覆二茂铁、乙酰丙酮铬等金属有机配合物溶液，使之等金属有机配合物溶液，使之与纤维表面的碳原与纤维表面的碳原于结合，起到连接基体的偶联作用于结合，起到连接基体的偶联作用；使纤维在氧；使纤维在氧化性气氛中进行短时间热处理，然后用适当的树化性气氛中进行短时间热处理，然后用适当的树脂涂覆纤维表面等。沉积法对纤维力学性能影响脂涂覆纤维表面等。沉积法对纤维力学性能影响不大，主要是不大，主要是利用涂层来增加纤维与基体之间的利用涂层来增加纤维与基体之间的界面结合力界面结合力。电聚合法是将碳纤维作为阳极，在电解液中加入电聚合法是将碳纤维作为阳极，在电解液中加入带不饱和键的丙烯酸酯、苯乙烯、醋酸乙烯、丙带不饱和键的丙烯酸酯、苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯晴等单体，烯晴等单体，通过电极反应产生自由基通过电极反应产生自由基，在纤维，在纤维表面发生聚合而表面发生聚合而形成含有大分子支链的碳纤维形成含有大分子支链的碳纤维。电聚合反应速度很快，只需电聚合反应速度很快，只需数秒到数分钟数秒到数分钟，对纤，对纤维几乎没有损伤。经电聚合处理后，碳纤维复合维几乎没有损伤。经电聚合处理后，碳纤维复合材料的层间剪切强度和冲击强度都有一定程度的材料的层间剪切强度和冲击强度都有一定程度的提高。提高。电沉积法与电聚合法电沉积法与电聚合法类似类似，利用电化学的方法使，利用电化学的方法使聚合物沉积和覆盖于纤维表面聚合物沉积和覆盖于纤维表面，改进纤维表面对，改进纤维表面对基体的基体的粘附作用粘附作用。若使含有羟基的单体在纤维表。若使含有羟基的单体在纤维表面沉积，则碳纤维与环氧树脂基体之间可形成化面沉积，则碳纤维与环氧树脂基体之间可形成化学键，有利于改进复合材料的剪切性能、抗冲击学键，有利于改进复合材料的剪切性能、抗冲击性能等。性能等。等离子技术处理碳纤维表面等离子技术处理碳纤维表面等离子体是利用辉光放电产生的。用于处理增强等离子体是利用辉光放电产生的。用于处理增强纤维表面的等离子体主要为低温等离子体。等离纤维表面的等离子体主要为低温等离子体。等离子体处理时所需能量远低于热化学反应。改性子体处理时所需能量远低于热化学反应。改性只只发生在纤维表面发生在纤维表面处理时间短而效率高。如可除去处理时间短而效率高。如可除去纤维弱的表面层、改变纤维表面形态纤维弱的表面层、改变纤维表面形态(刻蚀或氧化刻蚀或氧化)、创立一些活性位置、创立一些活性位置(反应官能团反应官能团)以及由纤维表以及由纤维表层向内部扩散并发生交联层向内部扩散并发生交联(特别是对碳纤维或有机特别是对碳纤维或有机纤维纤维)等，从而改善纤维表面浸润性和与树脂基体等，从而改善纤维表面浸润性和与树脂基体的反应性。的反应性。三、三、Kevlar纤维的表面处理纤维的表面处理适用适用Kevlar纤维表面处理的方法不多，通纤维表面处理的方法不多，通过过有机化学反应有机化学反应和和等离于体等离于体处理，处理，在纤维在纤维表面引进或产生活性基团，表面引进或产生活性基团，从而改善纤维从而改善纤维与基体之间的界面粘结性能。有机化学反与基体之间的界面粘结性能。有机化学反应常常因使用强酸、强碱等试剂，容易给应常常因使用强酸、强碱等试剂，容易给纤维力学性能带来不良影。等离子体表面纤维力学性能带来不良影。等离子体表面处理纤维表面应用较多。处理纤维表面应用较多。四、四、金属基复合材料增强纤维的表面处理金属基复合材料增强纤维的表面处理对于金属基复合材料，表面处理的目的主要是对于金属基复合材料，表面处理的目的主要是改改善纤维的浸润性善纤维的浸润性和和抑制纤维与金属基体之间界面抑制纤维与金属基体之间界面反应层的生成反应层的生成。钛的比强度高，它在中等温度下的强度高于铝合钛的比强度高，它在中等温度下的强度高于铝合金，但钛的刚性差。如果用硼纤维增强钛，就可金，但钛的刚性差。如果用硼纤维增强钛，就可以得到强度和刚度都很高的复合材料。硼纤维与以得到强度和刚度都很高的复合材料。硼纤维与钛复合时容易在界面处发生反应形成界面层，由钛复合时容易在界面处发生反应形成界面层，由于界面层的脆性，受到外力作用时界面层将成为于界面层的脆性，受到外力作用时界面层将成为新的裂纹源，并与纤维中原有的裂纹源一起作用。新的裂纹源，并与纤维中原有的裂纹源一起作用。为改善界面性能必须控制界面层的厚度。为改善界面性能必须控制界面层的厚度。方法有：方法有：1.采取采取快速制造工艺以减少反应时间快速制造工艺以减少反应时间 2.低温工艺低温工艺以以降低反应速度降低反应速度。3.采用可减小反应活性的纤维采用可减小反应活性的纤维涂层涂层等。等。利用利用D技术在硼纤维表面形成碳化硅或碳技术在硼纤维表面形成碳化硅或碳化硼涂层，化硼涂层，可以抑制热压成型时硼与钛之间的可以抑制热压成型时硼与钛之间的界面反应。界面反应。氧化铝纤维是一种较理想的金属基复合材料氧化铝纤维是一种较理想的金属基复合材料的增强纤维。但它与液态金属的浸润性差，的增强纤维。但它与液态金属的浸润性差，一般常采用金属涂层的方法改进其浸润性。一般常采用金属涂层的方法改进其浸润性。例如，为使铝或银能够浸润，可采用例如，为使铝或银能够浸润，可采用技术在技术在氧化铝纤维表面涂覆镍或镍合金层氧化铝纤维表面涂覆镍或镍合金层。为了尽量提高复合材料中纤维的体积含量，为了尽量提高复合材料中纤维的体积含量，涂层厚度必须很薄涂层厚度必须很薄。而极薄的涂层。而极薄的涂层又容易在又容易在液态金属中溶解掉液态金属中溶解掉，所以对制造工艺过程要，所以对制造工艺过程要严格控制严格控制。利用利用D技术在技术在硼纤维表面涂覆碳化硅硼纤维表面涂覆碳化硅有助有助于于改善浸润性改善浸润性和和阻止界面反应阻止界面反应。虽然氮化硼涂。虽然氮化硼涂层对抑制界面反应有比较好的效果，但却给纤层对抑制界面反应有比较好的效果，但却给纤维与基体的界面结合带来不良影响。另外，为维与基体的界面结合带来不良影响。另外，为防防止硼纤维和铝发生氧化反应，复合材料的防防止硼纤维和铝发生氧化反应，复合材料的成型与固化应在情性气氛中进行。成型与固化应在情性气氛中进行。常用常用表表面强化的方面强化的方法简介法简介 方法目的表面覆盖CVD离子镀熔射强度、耐腐蚀性、耐磨性耐磨性耐腐蚀性、绝热性表面改质离子注入强度、耐磨性1、CVD 法法 CVDCVD（化学气相沉积）是用热、电磁波等手段，（化学气相沉积）是用热、电磁波等手段，使以气相提供的原料在基体表面反应，生成固相使以气相提供的原料在基体表面反应，生成固相的物质并沉积在基体的表面。控制沉积过程，可的物质并沉积在基体的表面。控制沉积过程，可以在表面形成覆盖膜。具有以下特点：以在表面形成覆盖膜。具有以下特点：1)1)致密，且易于对应于复杂的基体形状。致密，且易于对应于复杂的基体形状。2)2)纯度高，对于氮化物、碳化物等难烧结物质，也纯度高，对于氮化物、碳化物等难烧结物质，也可以不添加助烧剂。可以不添加助烧剂。2、离子镀离子镀离离子子镀镀是是指指用用等等离离子子方方法法发发出出金金属属离离子子，在在基基体体表表面面与与氧氧、氮氮、甲甲烷烷等等气气体体反反应应并并沉沉积积。采采用用电电场场对对离离子子加加速速，可可促促进进在在表表面面的的附附着着，称称为为离离子子束束混混合合。在在CVDCVD法法中中必必须须适适当当地地选选择择原原材材料料才才能能使使反反应应进进行行。与与此此相相比比，离离子子镀镀仅仅需需选选择择金金属属与与气气体体，就就几几乎乎能能形形成成所所有有的的化化合合物物。另另外外，成成膜膜的的温温度度较较低低。在在有有些些场场合合，对对于于低低温温使使用用的的工工件件则则不不必必考考虑虑热热膨膨胀胀系系数数的的影影响响。即即使使是是作作为为结结构构材材料料的的陶陶瓷瓷，为为了了提提高高其其耐耐磨磨性性，也也可可以以进进行行表表面面涂涂层层。在在SiSi3 3N N4 4烧烧结结体体上上用用这这种种方方法法得得到到了了数数 m m TiNTiN层层。该该方方法法的的缺缺点点在在于于成成膜膜的的速速度度较较慢慢，且且难难以以对应于复杂的形状。对应于复杂的形状。3、熔射熔射定义：将高速气流所携带的陶瓷颗粒通过气体火焰或等离子定义：将高速气流所携带的陶瓷颗粒通过气体火焰或等离子进行熔融，冲击到基体表面，使之固化和粘附。进行熔融，冲击到基体表面，使之固化和粘附。特点：熔射时颗粒与基体基本上不反应，所以膜主要靠钉扎特点：熔射时颗粒与基体基本上不反应，所以膜主要靠钉扎作用的机械粘附。由于熔射的溶体急速冷却，所以往往含有作用的机械粘附。由于熔射的溶体急速冷却，所以往往含有裂纹。裂纹。实用例：对于金属，为了提高耐热性，在其表面熔射实用例：对于金属，为了提高耐热性，在其表面熔射ZrO2。ZrO2自身以及具有裂纹的微细结构可以起到隔热的作用。自身以及具有裂纹的微细结构可以起到隔热的作用。进一步做高温处理使之反应，有希望得到较强的化学结合，进一步做高温处理使之反应，有希望得到较强的化学结合，但同时由于热膨胀系数的差异也可能导致剥离。但同时由于热膨胀系数的差异也可能导致剥离。4、离子注入离子注入 定定义义：用用电电场场将将离离子子加加速速，冲冲击击到到基基体体表表面面，可可以以达到一定的深度。达到一定的深度。对对Si Si3 3N N4 4烧烧结结体体注注入入碳碳的的场场合合，1MeV1MeV约约能能达达到到1 1 m m的的深深度度。加加速速电电压压通通常常为为KeVKeVMeVMeV，所所以以深深度度在在1 1 m m以下。以下。作作用用