復(fù)合材料第七章復(fù)合材料的復(fù)合原則及界面(編輯修改稿)
2024-11-15 14:48 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 纖維拔出 、 纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。 但 界面間粘結(jié)過強的材料 呈 脆性 也降低了材料的復(fù)合性能。 41 界面最佳態(tài) 的衡量是 當(dāng)受力發(fā)生開裂時 ， 這一裂紋能轉(zhuǎn)為區(qū)域化而不產(chǎn)生近一步界面脫粘 。 即這時的復(fù)合材料具有 最大斷裂能 和一定的韌性 。 42 由此可見，在 研究和設(shè)計界面 時，不應(yīng)只追求 界面粘結(jié) 而應(yīng)考慮到 最優(yōu)化和最佳綜合性能 。 43 例如，在某些應(yīng)用中，如果要求 能量吸收 或 纖維應(yīng)力很大 時， 控制界面的部分脫粘 也許是所期望的，用 淀粉或明膠作為增強玻璃纖維 表面浸潤劑的 E粗紗 已用于制備具有 高沖擊強度的避彈衣 。 44 由于 界面尺寸很小 且 不均勻 、 化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)復(fù)雜 、 力學(xué)環(huán)境復(fù)雜 、對于界面的 結(jié)合強度 、界面的 厚度 、界面的應(yīng)力狀態(tài) 尚無直接的、準確的 定量分析方法 ； 45 所以，對于 界面結(jié)合狀態(tài) 、 形態(tài) 、 結(jié)構(gòu) 以及它對復(fù)合材料 性能的影響 尚 沒有適當(dāng)?shù)脑囼灧椒?，通常需要借助 拉曼光譜 、電子質(zhì)譜 、 紅外掃描 、 x衍射 等試驗逐步摸索和統(tǒng)一認識。 46 另外，對于 成分和相結(jié)構(gòu) 也很難作出 全面的分析 。 因此，這今為止，對復(fù)合材料 界面的認識 還是很不充分的，不能以一個 通用的模型來 建立完整的理論 。 盡管存在很大的困難，但由于 界面的重要性 ，所以吸引著大量研究者致力于 認識界面的工作 ，以便掌根其規(guī)律。 47 第三節(jié) 復(fù)合材料的界面設(shè)計原則 界面粘結(jié)強度 是衡量復(fù)合材料中增強體與基體間 界面結(jié)合狀態(tài) 的一個指標。 界面粘結(jié)強度 對復(fù)合材料 整體力學(xué)性能 的影響很大， 界面粘結(jié)過高或過弱都是不利的。 48 因此，人們很重視開展復(fù)合材料 界面微區(qū)的研究 和 優(yōu)化設(shè)計 ，以便制得具有 最佳綜合性能 的復(fù)合材料。 下圖給出了 影響復(fù)合材料界面效應(yīng)的因素 及其與 復(fù)合材料性能 的關(guān)系。 49 增強體：纖維、晶須、顆粒、片狀 基體：聚合物．金屬、陶瓷、碳等 50 大量事實證明， 復(fù)合材料的界面 實質(zhì)上是 納米級以上厚度的界面層 (Interlayer)或稱 界面相 (Interphase)。 51 界面相 是一種 結(jié)構(gòu) 隨 增強材料 而異，并與 基體 有明顯差別的新相。 界面相也包括 在增強材料表面上 預(yù)先涂覆的表面處理劑層 以及增強材料 經(jīng)表面處理工藝后 而發(fā)生反應(yīng)的 界面層 。 52 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 中， 界面層的作用 首先是把施加在整體上的力， 由基體通過 界面層 傳遞到增強材料組元 ，這就需要有足夠的 界面粘接強度 ，粘接過程中， 兩相表面能相互潤濕 是首要的條件。 53 界面層的另一作用 是 在一定的應(yīng)力條件下能夠脫粘 ，以及 使增強纖維從基體拔出并發(fā)生摩擦 。這樣就可以 借助脫粘 增大表面能 、拔出功 和 摩擦功 等形式 來吸收外加載荷的能量 以達到 提高其抗破壞能力 。 從以上兩方面綜合考慮，則要求 界面具有最佳粘接狀態(tài) 。 54 設(shè)計復(fù)合材料時，僅僅考慮到復(fù)合材料具有 粘接適度的界面層 還不夠，還要考慮究竟 什么性質(zhì)的界面層最為合適 。 55 對 界面層的見解 有兩種觀點 ，一種是 界面層的模量 應(yīng)介于 增強材料與基體材料之間 ，最好形成 梯度過渡 。 另一種觀點是 界面層的模量 低于增強材料與基體 ，最好是一種類似橡膠的 彈性體 ，在受力時有較大的形變。 56 前一種觀點從 力學(xué)的角度 來看，將會產(chǎn)生好的效果； 后一種觀點按照 可形變層理論 ，則可以將 集中于界面的應(yīng)力點 迅速分散，從而提高整體的力學(xué)性能。 57 前面的兩種觀點都 有一定的實驗支持 ，但是尚未得到定論。 然而無論如何，若 界面層的模量高于增強材料和基體的模量 ，將會產(chǎn)生不良的效果，這是大家都公認的觀點。 58 實驗表明， 金屬基復(fù)合材料 由于 容易發(fā)生界面反應(yīng) ，生成 脆性大的界面反應(yīng)層 ，在低應(yīng)力條件下 ，界面就會破壞，從而 降低復(fù)合材料的整體性能 。 因此， 界面層控制 是設(shè)計復(fù)合材料的一個重要方面。 59 界面層的 形貌 、 厚度 、 結(jié)構(gòu) 等可通過先進的科學(xué)儀器進行觀察與分析，常用的有 俄歇電子譜儀 (AES)、 電子探針 (EP)、 x光電子能譜儀(XPS)、 掃描二次離子質(zhì)譜儀 (SSIMS)、 電子能量損失譜儀 (EELS)、 x射線反射譜儀 (GAXP)、透射電鏡 (TEM)和 掃描電鏡 (SEM)等。 60 一、聚合物基復(fù)合材料界面設(shè)計 在聚合物基復(fù)合材料的設(shè)計中，首先應(yīng)考慮 如何改善增強材料與基體間的浸潤性 。 61 對 碳纖維表面 上涂覆 惰性涂層 和 能與基體樹脂發(fā)生反應(yīng)或聚合的涂層 ，比較后發(fā)現(xiàn)， 惰性涂層效果較好 ，后一種 活性涂層由于降低了相界面的浸潤性 而效果不良。 浸潤不良 將會在界面產(chǎn)生 空隙 ，易使應(yīng)力集中 而使復(fù)合材料發(fā)生開裂。 62 另外，選擇 合適的偶聯(lián)劑 也很重要， 所選處理增強材料表面
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