先进聚合物复合材料界面设计与表征进展 姓名：卢刚班级：材研1005 学号：104972100244 摘要：本文简述了界面的形成与作用机理，着重介绍了聚合物基复合材料界面改进的几种方法。 关键词：聚合物；复合材料；界面 Abstract：This paper briefly describes the formation of the interface and the mechanism of action,mainly introduces some methods about the UI improvement of the polymer-based composites. 1引言 聚合物基复合材料是由纤维和基体结合为一个整体，使复合材料具备了原组成材料所没有的性能，并且由于界面的存在，纤维和基体所发挥的作用，是各自独立而又相互存在的。 界面是复合材料组成的重要组成成分，它的结构与性能，以及粘合强度等因素，直接关系到复合材料的性能。所以，复合材料界面问题的研究有着十分重要的意义。 现代科学的发展为复合材料界面的分析表征提供了强有力的手段。扫描电镜、红外光谱、紫外光谱、光电子能谱、动态力学分析、原子粒显微镜等，在复合材料界面分析表征中得到充分利用，为揭示界面的本质、丰富界面的理论做出了重要贡献。 2界面的形成与作用机理 2.1界面的形成 复合材料体系对界面要求各不相同，它们的成形加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为两个阶段：第一阶段：增强体与基体在一组份为液态（或粘流态）时的接触与浸润过程。在复合材料的制备过程中，要求组份间能牢固的结合，并有足够的强度。要实现这一点，必须要使材料在界面上形成能量最低结合，通常都存在一个液态对固体的相互浸润。所谓浸润，即把不同的液滴放到不同的液态表面上，有时液滴会立即铺展开来，遮盖固体的表面，这一现象称为“浸润”。
复合材料界面层材料的研究＊ 卢国锋１，２ ，乔生儒１，许 艳３ （１ 西北工业大学，超高温结构复合材料国家重点实验室，西安７１００７２；２ 渭南师范学院装备工程技术中心， 渭南７１４０００；３ 渭南师范学院图书馆，渭南７１４０００）摘要 界面层是复合材料中的关键组成部分，因对复合材料的各项性能都有重要影响，而成为复合材料研究的重点之一。在叙述界面层功能的基础上，分别对层状结构界面层材料（包括层状晶体结构材料和多层陶瓷界面相）和非层状结构界面层材料进行了讨论，分析了研究中存在的问题，指出了未来研究的方向和重点。 关键词 界面层 复合材料 力学性能 抗氧化性能中图分类号：ＴＢ３３２ 文献标识码：Ａ Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｍｐ ｏｓｉｔｅｓＬＵ Ｇｕｏｆｅｎｇ１， ２，ＱＩＡＯ Ｓｈｅｎｇ ｒｕ１，ＸＵ Ｙａｎ３ （１ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｔｈｅｒｍｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７２；２ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ａｒｍａｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｅｉｎａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｅｉｎａｎ ７１４０００；３ Ｌｉｂｒａｒｙ ｏｆ Ｗｅｉｎａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｅｉｎａｎ ７１４０００）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ａｎｄ ｈａｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ ｍａｔｅ－ｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ ｌａｙｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｌａｙｅｒｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｃｅｒａｍｉｃ ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ ｍａ－ｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｌａｙｅｒｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｏ－ｃｕｓ ｏｆ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｒｅ ｐ ｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ＊国家自然科学基金（ ５０７７２０８９）；渭南师范学院科研项目（１３ＹＫＳ００３） 卢国锋：男，１９７５年生，博士，副教授，主要研究方向为陶瓷基复合材料和功能材料 Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｇ ｕｏｆ７５＠１６３．ｃｏｍ０ 引言 界面层是复合材料中处于增强体和基体之间的一个局部微小区域。它将增强体和基体彼此良好地结合在一起，起着传递载荷，阻止裂纹越过增强体表面进行扩展，缓解残余热应力，阻挡基体和纤维间元素的相互扩散、溶解和有害化 学反应， 阻止纤维在高温环境下发生氧化的作用［１］ 。界面层在复合材料中所占的体积分数虽不足１０％，但却是影响陶瓷基复合材料力学性能、抗环境侵蚀能力等的关键因素之一。特别是对于脆性纤维增强脆性基体复合材料来说，纤维与基体间的界面层是决定复合材料强度和韧性的重要因素。因此，对界面层材料及其结构的研究一直是复合材料研究的热点之一。本文对近年来在复合材料界面层领域的研究进行了综述。 １ 复合材料界面层的功能 一般来讲，界面层的功能主要有４个：传递、阻止裂纹扩展、缓解和阻挡。传递作用是指界面层作为一个“桥梁”将作用于基体的载荷充分传递至复合材料的主要承载者———纤维增强体上。阻止裂纹扩展是指当基体裂纹扩展到界面层 区域时， 基体和纤维沿它们之间的界面发生分离，并使裂纹的扩展方向发生改变，即裂纹偏转，阻止裂纹直接越过纤维表面进行扩展。缓解作用是指界面层通过过渡作用和界面滑移减少残余热应力。阻挡作用是指阻挡基体和纤维间元素的相互扩散、 溶解和有害化学反应，阻止外界环境对纤维增强体的侵害［ １，２］ 。以上只是一般意义上的界面层功能，但不同功用的复合材料对界面层的要求不同。例如：以承受载荷为主要目的的复合材料对前３种功能有更为苛刻的要求， 而以抗氧化为主要目的的复合材料则对阻挡功能要求更严。一种界面层所具有的功能主要取决于界面层的材质、结构、厚度以及界面层与纤维或基体间的相互作用等因素。为了满足不同复合材料功能的需求， 不同功用的复合材料应具有不同的界面层。复合材料界面层的研究正是在这种需求下不断进行的。目前常被研究的界面层材料有很多，大致可分为两类：层状结构材料和非层状结构材料，其中层状结构材料又包括层状晶体结构材料和多层陶瓷界面相。 ２ 层状晶体结构界面层材料 具有层状晶体结构的材料由于其层间结合力较弱，当外 ·０４·材料导报Ａ：综述篇 ２ ０１３年１１月（上）第２７卷第１１期
复合材料原理 第一章 1.聚合物基复合材料的性能特点是什么？ (1) 密度低；(2) 耐腐蚀；(3) 易氧化、老化；(4) 聚合物的耐热性通常较差；(5) 易燃；(6) 低的摩擦系数；(7) 低的导热性和高的热膨胀性；(8) 极佳的电绝缘性和静电积累；(9) 聚合物可以整体着色而制得带色制品。(10) 聚合物的一些力学性能随其分子结构的改变而变化。 2.复合材料区别于单一材料的主要特点是什么？ 1、不仅保持原组分的部分优点，而且具有原组分不具备的特性 2、区别于单一材料的另一显著特性是材料的可设计性 3、材料与结构的一致性 3.增强体和功能体在复合材料中代表性的作用是什么？ （1）填充，用廉价的增强体，特别是颗粒状填料可降低成本。（2）增强，纤维状或片状增强体可提高聚合物基复合材料的力学性能和热性能。其效果在很大程度上取决于增强体本身的力学性能和形态等。（3）赋予功能，功能体可赋予聚合物基体本身所没有的特殊功能。功能体的这种作用主要取决于它的化学组成和结构 第二章 1.复合效应特点？ 1.线性效应：平均效应平行效应互补效应相抵效应 2.非线性效应：相乘效应诱导效应共振效应系统效应 线性效应：线性指量与量之间成正比关系。 非线性效应：非线性指量与量之间成曲线关系。 1．平均效应：是复合材料所显示的最典型的一种复合效应。 2．平行效应：增强体(如纤维)与基体界面结合很弱的复合材料所显示的复合效应，可以看作是平行效应。 3．相补效应：组成复合材料的基体与增强体，在性能上能互补，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。 4．相抵效应：基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。 1.相乘效应：两种具有转换效应的材料复合在一起，有可能发生相乘效应。 2.诱导效应：在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用使另一组分材料的结构改变而改变整体性能或产生新的效应。 3.共振效应：两相邻的材料在一定条件下，会产生机械的或电、磁的共振。 4.系统效应：这是一种材料的复杂效应，至目前为止，这一效应的机理尚不很清楚。 2.典型复合材料结构？ (1)0-3型结构这是基体为三维连续相，而增强体或功能体以不连续相的微粒状分布在基体中的结构状态。 (2)1-3型结构这种结构的基体仍为三维连续相，而增强体则为纤维状一维材料。 (3)2-2型结构这是一种由两种组分材料呈层状叠合而成的多层结构复合材料。 (4)2-3型结构在这类复合材料结构中，基体相仍为三维连续相，而增强体或功能体为二维结构的片状材料。 (5)3-3型结构这种结构的基体相为三维连续相，而增强体或功能体为三维网状结
复合材料的复合原则及界面 第一节复合原则 要想制备一种好的复合材料，首先应根据所要求的性能进行设计，这样才能成功地制备出性能理想的复合材料。 复合材料的设计应遵循的原则如下： 一、材料组元的选择 挑选最合适的材料组元尤为重要。 在选择材料组元时，首先应明确各组元在使用中所应承担的功能，也就是说，必须明确对材料性能的要求。 对材料组元进行复合，即要求复合后材料达到如下性能，如高强度、高刚度、高耐蚀、耐磨、耐热或其它的导电、传热等性能或者某些综合性能如既高强又耐蚀、耐热。 因此，必须根据复合材料所需的性能来选择组成复合材料的基体材料和增强材料。 例如，若所设计的复合材料是用作结构件，则复合的目的就是要使复合后材料具有最佳的强度、刚度和韧性等. 因此，设计结构件复合材料时，首先必须明确其中一种组元主要起承受载荷的作用，它必须具有高强度和高模量。这种组元就是所要选择的增强材料； 而其它组元应起传递载荷及协同的作用，而且要把增强材料粘结在一起，这类组元就是要选的基体材料。 其次，除考虑性能要求外，还应考虑组成复合材料的各组元之间的相容性，这包括物理、化学、力学等性能的相容，使材料各组元彼此和谐地共同发挥作用。 在任何使用环境中，复合材料的各组元之间的伸长、弯曲、应变等都应相互或彼此协调一致。 第三，要考虑复合材料各组元之间的浸润性，使增强材料与基体之间达到比较理想的具有一定结合强度的界面。 适当的界面结合强度不仅有利于提高材料的整体强度，更重要的是便于将基体所承受的载荷通过界面传递给增强材料，以充分发挥其增强作用。 若结合强度太低，界面很难传递载荷，不能起潜在材料的作用，影响复合材料的整体强度； 但结合强度太高也不利，它遏制复合材料断裂对能量的吸收，易发生脆性断裂。 除此之外，还应联系到整个复合材料的结构来考虑。 具体到颗粒和纤维增强复合材料来说，增强效果与颗粒或纤维的体积含量、直径、分布间距及分布状态有关。 颗粒和纤维增强复合材料的设计原则如下： 1. 颗粒增强复合材料的原则 (1)颗粒应高度弥散均匀地分散在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属、陶瓷基体)或分子链的运动(聚合物基体)。 (2)颗粒直径的大小要合适。 因为颗粒直径过大，会引起应力集中或本身破碎，从而导致材料强度降低； 颗粒直径太小，则起不到大的强化作用。因此，一般粒径为几微米到几十微米。 (3)颗粒的数量一般大于20％。数量太少，达不到最佳的强化效果。 (4)颗粒与基体之间应有一定的粘结作用。 2．纤维增强复合材料的原则 (1)纤维的强度和模量都要高于基体，即纤维应具有高模量和高强度，因为除个别情况外，在多数情况下承载主要是靠增强纤维。
复合材料界面理论简介 摘要：纤维复合材料作为先进材料，质量轻，强度高等特点使其在航空、航天、船舶、汽车等工程领域应用越来越发挥其重要性。随着复合材料应用领域的扩展，对材料性能提出了更高的要求。复合材料的性能取决于增强体纤维、树脂基体和界面性能，其中纤维和树脂之间的界面粘结力是一个重要因素。界面粘结强度，即纤维断裂处通过基体向纤维传递应力的能力，直接影响到复合材料的强度、韧性和破坏模式等宏观力学行为。因此，研究界面之间的相互作用，对于界面的设计、预测有非常重要的作用。本文介绍了几种常见的几面之间的相互作用理论。关键词：界面；形成；相互作用理论； 1界面简介 复合材料是由两种或两种以上化学和物理性质不同的材料复合而成的，那么必然存在着异种材料的接触面，这个接触面就是界面。一般人们对复合材料界面的定义是，指基体与增强物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。 聚合物基复合材料界面的形成可以分成两个阶段： 第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程。增强纤维优先吸附能较多降低其表面能的组分，因此界面聚合物在结构上与聚合物基体是不同的。第二阶段是聚合物的固化阶段。聚合物通过物理的或化学的变化而固化，形成固定的界面层。 2界面作用理论 2.1浸润性理论 1963年，Zisman提出浸润性理论，认为浸润是形成界面的基本条件之一，若两相物质能实现完全浸润，则表面能较高的一相物体表面的物理吸附将大大超过另一相物体的内聚能强度，从而使两相物体具有良好的粘合强度。这种理论认为两相物体间的结合模式属于机械互锁和浸润吸附。其中机械粘合是一种机械互锁现象，即在形成复合材料的两相相互接触过程中，若浸润性差，两相接触的只是一些点，接触面有限（见图1(a)）。若浸润性好，液相可扩展到另一相表面的坑凹中，因而两相接触面积大，结合紧密，产生机械锚合作用（见图1(b)）。而物理吸附主要为范德华力的作用。