复合材料的界面.ppt

第,2,章 复合材料的界面,内 容 纲 要,掌握界面定义、组成,掌握界面的作用,掌握界面理论,掌握界面的设计方法,了解界面评价方法,1,1,2,3,4,5,6,1,、外力场,2,、基体,3,、基体表面区,4,、相互渗透区,5,、增强体表面区,6,、增强体,复合材料界面示意图,一、界面定义,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。,一、界面定义,界面特点,性能和结构上不同于基体和增强体,具有一定的厚度,连接基体与增强体材料,能够传递载荷,二、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。,二、界面效应,（,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。,二、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。,二、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。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。,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。,二、界面效应,界面结合较弱,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，不应只追求界面结合而应考虑到最优化和最佳综合性能。,二、界面效应,物理相容性：,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。另外，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。,复合材料组分的相容性,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。,二、界面效应,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时将受到张应力；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。而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。,二、界面效应,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。,复合材料组分的相容性,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。但对高温复合材料来说，以下因素与复合材料化学相容性有关的问题则十分重要：,二、界面效应,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,：各组分的表面能可能很高，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。,二、界面效应,1,、界面润湿理论,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。,此处,为表面张力；,F,为自由能；,A,为面积；,T,和,V,分别为温度和体积。,从热力学观点来考虑两个结合面与其表面能的关系，一般用表面张力来表征。,表面张力即为温度和体积不变的情况下，自由能随表面积增加的增量。,三、界面理论,当两个结合面结合了，则体系中由于减少了两个表面和增加了一个界面使自由能降低了。体系由于两个表面结合而导致自由能的下降定义为,粘合功,。,式中,S,、,L,和,SL,下标分别代表固体、液体和固液体。如图所示，,角为接触角。接触角表示了液体润湿固体的情况。,液滴在固体表面的不同润湿情况,三、界面理论,当,90,，液体不润湿固体；,=180,固体表面完全不能被液体润湿；,当,90,，液体润湿固体；,=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。,根据力的合成,L,cos =,S,-,SL,，,粘合功可表示为：,W,A,=,S,+,L,-,SL,=,L,（,1+cos,）。,粘合功,W,A,最大时，,cos =1,，即,=0,，液体完全平铺在固体表面。同时,=,SL,S,=,L,。,三、界面理论,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，如范德华力键合。,因此润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条件。,热力学说明两个表面结合的内在因素，表示结合的可能性；动力学反映实际产生界面结合的外界条件，如温度、压力等的影响，表示结合过程的速度问题。,三、界面理论,2,、界面粘结,粘结是指不同种类的两种材料相互接触并结合在一起的一种现象。,当基体浸润增强材料后紧接着便发生基体与增强材料的粘结。对于一个给定的复合材料体系，同时可能会有不同的粘结机理,(,如机械粘结、静电粘结等,),起作用，而且在不同的生产过程中或复合材料的使用期间，粘结机理还会发生变化，如由静电粘结变成反应粘结。体系不同，粘结的种类或机理不同。,界面的粘结强度直接影响着复合材料的力学性能以及其它物理、化学性能，如耐热性、耐蚀性、耐磨性等。因此自,50,年代以来复合材料的界面粘结机理一直是人们致力研究的内容。,三、界面理论,（,1,）机械作用理论,表面机械互锁结合示意图,机械作用机理如图所示，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,。很显然表面越粗糙，互锁作用越强，因此机械粘结作用越有效。在受到平行于界面的作用力时，机械粘结作用可达到最佳效果，获得较高的剪切强度。但若界面受拉力作用时，除非界面有如图中,A,处所示的,锚固形态,，否则拉伸强度会很低。在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很难遇到，往往是机械粘结作用与其它粘结机理共同起作用。,三、界面理论,三、界面理论,(a),(d),(c),(b),图,1,硝酸溶液（浓度为,30,）浸泡后碳纤维（,a)0h,(b)3h,（,c)6h,（,d)9h,当复合材料的基体及增强材料的表面带有异性电荷时，在基体与增强材料之间将发生静电吸引力，如下图所示。静电互作用的距离很短，仅在原子尺度量级内静电作用力才有效。因此表面的污染等将大大减弱这种粘结作用。,（,2,）静电理论,表面静电吸引结合示意图,三、界面理论,（,3,）化学键理论,化学作用是指增强材料表面的化学基（图中标有,A,面,),与基体表面的相容基,(,标有,B,面,),之间的化学粘结。,化学作用理论最成功的应用是偶联剂用于增强材料表面与聚合物基体的粘结。如硅烷偶联剂具有两种性质不同的官能团，一端为亲玻璃纤维的官能团，一端为亲树脂的官能团，将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面上形成共价键结合，如图所示。,表面结合化学键示意图,三、界面理论,（,4,）界面反应或界面扩散理论,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。,X=k t,1/2,X,：反应层厚度；,k,：反应速度常数。,三、界面理论,D,：扩散系数；,Q,：扩散激活能。,温度明显影响着扩散系数,，若,Q,250KJ,mo1,，并代入上式，则在,1000,时扩散系数,210,34,，要比室温大得多。,互扩散层的程度即反应层的厚度,X,取决于时间,t,和温度可近似表示为,界面反应结合或扩散结合示意图,三、界面理论,k,反应速度常数，与扩散系数有关。复合材料在使用过程中，尤其在高温使用时，界面会发生变化并可形成界面层，此外先前形成的界面层也会继续增长并形成复杂的多层界面。,四、界面的设计,四、界面的设计,四、界面的设计,四、界面的设计,四、界面的设计,四、界面的设计,四、界面的设计,四、界面的设计,四、界面的设计,四、界面的设计,四、界面的设计,四、界面的设计,四、界面的设计,四、界面的设计,四、界面的设计,四、界面的设计,界面性能较差,-,呈剪切破坏、可观察到界面脱粘、纤维拔出纤维应力松弛等现象。,1,、界面结合强度的测定,（,1,）宏观测试法：,五、界面的表征,宏观试验法是利用复合材料的宏观性能来评估纤维与基体之,间界面应力状态的方法。此类方法中最常用的是三点弯曲和,Iosipescu,试验法。,界面结合过强,-,材料呈脆性断裂。,界面结合最佳状态,-,当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域而不产生进一步界面脱粘，即这时的复合材料具有最大的断裂能和一定的韧性。,1,）三点弯曲法：,三点弯曲方法最简单，所以应用最为广泛。上图给出三点弯曲试验的示意图及试样受载荷作用时剪切应力和拉伸应力的变化。若施加载荷,P,，则作用于下表面中心处最大拉应力为：,式中,B,、,D,、,S,如图所示、,B,和,D,分别是试样宽度和,高度,，,S,是跨度,。的方向平行于试样长度方向。,五、界面的表征,从上式可知，最大剪应力与最大拉应力之比取决于,S,和,D,，,短跨度和厚试样将使此比值增加，即增加了剪切失效的可能性。,五、界面的表征,2)Iosipescu,剪切试验试验,Iosipescu,剪切试验示意图,Iosipescu,剪切试验,(,下图,),是由,Iosipescu,于,1967,年提出用于,测试金属材料剪切性能的试验，后被推广用于测定复合材料的剪切性能,。试样为高度比厚度大的梁，在长度方向的中点上下两侧边缘各切一个,90,。,切口，切口深度为梁高的,20,25,。此方法的目的是通过力偶作用产生抵消力矩，在试样中点产生一种纯剪切状态。然而实际上试样截面上仍存在着剪应力分布不均的情况。尽管如此，此种方法仍被认为是,可信度较高的测定剪切强度,的方法。,五、界面的表征,（,2,）单纤维试验法,最直接的试验方法是将部分嵌入基体材料中的单根纤维拨出,来，如图所示，这种方法原理很简单，但实施起来却有些困难，尤其是对于细的脆性纤维。由此试验的应力一应变关系图，可以求出截面剪切强度以及纤维拨出和脱粘的能量。,纤维拔出试验应力应变曲线示意图,五、界面的表征,（,3,）声发射（,Acoustic Emissin,，,AE,）法：,用仪器检测分析声发射信号，推断声发射源的技术称为声发射技术。,声发射是当固体材料在外部条件（如载荷、温度、磁场、环境介质等）发生变化时，由于其内部原因而产生的瞬时弹性应力波发射。声发射信号包括有材料内部缺陷或微观结构变化动态信息，借助灵敏的电子仪器可以检测到声发射信号。,五、界面的表征,复合材料的损伤断裂过程十分复杂，,包括纤维、基体和界面的破坏和断裂,。各组元断裂时释放的声能与其弹性模量和断裂时各组元的形变量有关。由于各组元断裂时释放的声能不同，即声发射信号的强弱不同，那么利用声发射技术就可以区分和识别复合材料界面的破坏和断裂，从而可以分析界面的结合状况，同时计算出界面强度。,五、界面的表征,五、界面的表征,上图分别表示了不同纤维表面处理的,SiC,F,/Al,复合材料拉伸过程中的,AE,行为。图中样品,AE,过程出现的信号大小及次数的不同、对应于样品中不同部位的断裂破坏、次数及其强度，同时,E-A,相关图包络的,斜率不同的切线数目的不同也对应于不同的断裂机制。,可以看出，富碳和富,SiO,2,处理的,SiC,F,/Al,拉伸过程中具有不同的,AE,行为，定性地反映了两种纤维复合材料,具有不同的界面以及不同的断裂行为和机制,。同时根据相关公式可以定量地求出复合材料的界面强度。,五、界面的表征,2,、界面结构的表征,界面的微观结构、形貌和厚度可通过先进仪器观察分析。包括俄歇电子谱仪（,AES,）、电子探针（,EP,）、,X,光电子能谱仪（,XPS,）、扫描二次离子质谱仪（,SSIMS,）、电子能量损失仪（,EELS,）、,X,射线反射谱仪（,GAXP,）、透射电子显微镜（,TEM,）、扫描电镜（,SEM,）和拉曼光谱（,Raman,）等。,五、界面的表征,复合材料成型后，由于基体的固化或凝固发生,体积收缩或膨胀,（通常为收缩），而增强体则体积相对稳定使界面产生内应力，同时又因增强体与基体之间存在,热膨胀系数的差异,，在不同环境温度下界面产生热应力。这两种应力的加和总称为,界面残余应力,。,界面残余应力,前一种情况下，如果,基体发生收缩,，则复合材料,基体受拉应力,，,增强体受压应力，界面受剪切应力,。后一种情况下，通常是基体膨胀系数大于增强体，在成型温度较高的情况下，复合材料,基体受拉应力，增强体受压应力，界面受剪切应力,。但随着使用温度的增高，热应力向反方向变化。,界面内应力的大小可用下式表示：,式中,E,m,为基体弹性模量，,m,为基体泊松比，,m,为基体发生的应变，,V,m,为基体的体积比。,界面内应力的大小与界面的结合情况有关。如界面结合发生松弛滑移现象，则内应力相应减少。,界面热应力的大小可用下式表示：,式中,E,m,为基体弹性模量，,T,c,为成型温度，,t,为使用温度，,为基体与增强体的热膨胀系数差。,界面残余应力,界面残余应力可以通过对复合材料进行热处理，使界面松弛而降低,，但受界面结合强度的控制，在界面结合很强的情况下效果不明显。界面残余应力的存在对复合材料的力学性能有影响，其利弊与加载方向和复合材料残余应力的状态有关。已经发现，由于复合材料界面存在残余应力使之拉伸与压缩性能有明显差异。,界面残余应力,测量界面残余应力的主要方法有,X,射线衍射法和中子衍射法。,中子的穿透能力较,X,射线强，可用来测量界面内应力；其结果是很大区域的应力平均值。,X,射线衍射法只能测定样品表面的残余应力。,同步辐射连续,X,射线能量色散法和会聚束电子衍射法也可用来测定复合材料界面附近的应力和应变变化。特别是同步辐射连续,X,射线能量色散法兼有较好的穿透能力和对残余应变梯度的高空间分辨率，可测量界面附近急剧变化的残余应力。,界面残余应力,此外，激光,Raman,光谱法可测量界面层相邻纤维的振动频率，根据纤维标定确定界面层的残余应力。,目前，应用最广泛的仍是传统的,X,射线衍射法。,