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Chapter 10 山东大学材料学院李丽编写 第四章 复合材料加工原理 金属基复合材料 * 4.2 复合材料的界面 复合材料是由纤维、晶须或颗粒等增强体与基体（聚合物、金属、陶瓷）复合而成，在增强体与基体之间便形成界面。 界面的性能对复合材料的性能起着决定性的作用。 基体 Matrix 增强体 Reinforcement 界面 Interface 复合材料组成： 4.2 复合材料的界面 界面性能与基体与增强相之间的相容性、润湿性、界面反应等有密切的关系。 4.2 复合材料的界面 基体与增强体的相容性 相容性指复合材料在制造、使用过程中各组分之间相互协调、配合的程度。 相容性关系到复合材料中的各组分材料能否有效发挥其作用以及复合材料整体的结构和性能能否长期稳定。 4.2 复合材料的界面 基体与增强体的相容性 相容性包括物理相容性和化学相容性。 1）物理相容性又包括力学相容性和热相容性。 力学相容性指复合材料在应力作用下，组分材料之间的配合程度。要求基体有足够的韧性、强度，能将外部载荷均匀传递给增强材料，而不会产生局部应力集中。 热相容性指复合材料在温度变化下，组分材料之间的配合程度。由于基体与增强体的热涨系数有差异，当基体凝固后产生收缩，在界面处产生内应力。要尽量减小界面应力。 2） 化学相容性主要指基体与增强体之间有无化学反应。化学反应会不同程度地损伤增强材料的性能。 4.2 复合材料的界面 基体与增强体的润湿性 润湿性:液态基体在固态增强体表面的铺展能力。润湿性好，才能保证液态基体对增强体的充分浸润，防止在界面处出现空隙和缺陷。 3 界面结合方式： （1）机械结合：依靠粗糙表面机械结合和依靠基体复合中的收缩应力包紧增强体的摩擦结合。界面结合弱。 （2）物理结合：由两相间原子中电子的交互作用的行为，即以范德华力、氢键结合，其作用力是短程的，只有几个原子间距。界面结合弱。 （3）基体与增强体间无化学反应，但基体能润湿增强体，相互之间发生一定程度的扩散和溶解，由范德华力、氢键、金属键结合。界面结合增强。 （4）化学结合：基体与增强体之间发生化学反应，在界面处生成化合物，利用共价键、离子键结合。界面结合强。 4.2 复合材料的界面 适度的界面结合强度。界面结合太弱，复合材料在应力作用下容易发生界面脱粘破坏，纤维不能充分发挥增强作用。若界面结合太强．在应力作用下，材料易发生脆性破坏。 4.2 复合材料的界面 a是玻纤增强PP的冲击试样的断口扫描电镜照片， （a）是加入MPP相容剂的玻纤增强体系，( a）中玻璃纤维与基体的结合较好，纤维拔出较少. （b）是未加相容剂的玻纤增强体系。 从中可以看出，而（b）中有大量的玻纤从基体中拔出，证明与基体的粘接性较差，因而体系的力学性能不高。 界面增强的原则： （1） 改善树脂基体对增强材料的浸润程度。可采取延长浸润时间、增大体系压力、降低熔体黏度以及改善增强体的结构等措施。 （2） 适度的界面结合强度。采用偶联剂，分别与基体和增强体反应，提高界面结合强度。 （3） 调节界面内应力和减缓应力集中。在增强体和基体之间引入可变形的界面层可缓解应力集中，减缓裂纹扩展。 聚合物基复合材料的界面 金属基复合材料的界面类型（表4.11）： （1）增强体与基体互不反应，亦互不溶解，机械结合为主。 （Ⅰ类界面） （2）增强体与基体互不反应，但能互相溶解，物理结合为主。 （Ⅱ类界面） （3）增强体与基体互相反应生成界面反应物，化学结合为主。 （Ⅲ类界面） 金属基复合材料的界面 界面反应及反应程度对界面结构及复合材料性能影响： （1） 弱界面反应有利于金属基体与增强体的浸润、复合和形成最佳界面结合。这类界面反应轻微，无纤维等增强体损伤和无性能下降，无大量界面反应产物。界面结合强度适中，能有效传递荷载和阻止裂纹向纤维内部扩散。界面能起到调节复合材料内部应力分布的重要作用。因此，希望发生这类界面反应。 （2）中等程度界面反应会产生界面反应产物，但没有损伤纤维等增强体的作用，同时增强体性能无明显下降，而界面结合则明显增强。由于界面结合较强，在荷载作用下裂纹向纤维内部扩展而出现的脆性破坏。造成纤维增强金属的低应力破坏。应控制制备过程工艺参数，避免这类界面反应。 金属基复合材料的界面 （3）强界面反应有大量界面反应产物，形成聚集的脆性相和界面反应产物脆性层，造成纤维等增强体严重损伤，强度下降，同时形成强界面结合。复合