《材料表面与界面》课程教学资源（PPT课件）第10章 复合材料界面 10.4 界面力学性能的分析表征 10.5 界面形态的微观分析表征

10.4界面力学性能的分析表征

10.4 界面力学性能的分析表征

10.4界面力学性能的分析表征 复合材料是两种或两种以上不同材料组成的多相材料，相 与相之间存在界面。 当复合材料从复合材料界面受到因热膨胀系数不同引起的 热残余应力。热残余应力的大小正比于两者的热膨胀系数 之 差△o和温差△T,也与基体和纤维的模量有关。 纤维 冷却 树脂 m Lm<Le<Lf 纤维 冷却 树脂

10.4 界面力学性能的分析表征  复合材料是两种或两种以上不同材料组成的多相材料，相 与相之间存在界面。  当复合材料从复合材料界面受到因热膨胀系数不同引起的 热残余应力。热残余应力的大小正比于两者的热膨胀系数 之差Δα和温差ΔT，也与基体和纤维的模量有关

10.4界面力学性能的分析表征 ▣ 复合材料界面还存在树脂基体固化的收缩残 余应力。例如，环氧、不饱和聚酯、酚醛树 脂在固化中，都伴随着体积收缩，固化收缩 会在材料内部形成很大的固化收缩应力，导 致材料过早界面脱黏破坏或脆性断裂。 口界面应力的另一原因是增强纤维与基体树脂 之间有很大的模量差别，在外力场的作用下 纤维与基体间常常发生剪切应力集中从而影 响复合材料的性能

10.4 界面力学性能的分析表征  复合材料界面还存在树脂基体固化的收缩残 余应力。例如，环氧、不饱和聚酯、酚醛树 脂在固化中，都伴随着体积收缩，固化收缩 会在材料内部形成很大的固化收缩应力，导 致材料过早界面脱黏破坏或脆性断裂。  界面应力的另一原因是增强纤维与基体树脂 之间有很大的模量差别，在外力场的作用下， 纤维与基体间常常发生剪切应力集中从而影 响复合材料的性能

10.4界面力学性能的分析表征 根据能量最低原理，复合材料的界面应力有自发释放的趋势。当界面应 力大于基体的屈服强度时，界面应力可通过基体塑性形变而被松弛掉。 在基体固化的初始阶段，基体处于流动态或黏流态，不能形成界面应力。 随着固化进行，基体转变成高弹态，界面应力可通过基体的高弹形变和 普弹形变松弛。如果交联度过高，界面应力的松弛可能需要相当长的时 间。 当基体进入玻璃态而还远离固化终点时，固化收缩产生的巨大内应力就 无法松弛，界面应力和外界应力的共同作用可能在材料的薄弱部分产生 局部裂纹，大量裂纹的产生可松弛部分的界面应力。当材料强度不足以 抵抗界面应力时，只能通过材料的失稳、破坏来松弛界面应力

10.4 界面力学性能的分析表征  根据能量最低原理，复合材料的界面应力有自发释放的趋势。当界面应 力大于基体的屈服强度时，界面应力可通过基体塑性形变而被松弛掉。  在基体固化的初始阶段，基体处于流动态或黏流态，不能形成界面应力。 随着固化进行，基体转变成高弹态，界面应力可通过基体的高弹形变和 普弹形变松弛。如果交联度过高，界面应力的松弛可能需要相当长的时 间。  当基体进入玻璃态而还远离固化终点时，固化收缩产生的巨大内应力就 无法松弛，界面应力和外界应力的共同作用可能在材料的薄弱部分产生 局部裂纹，大量裂纹的产生可松弛部分的界面应力。当材料强度不足以 抵抗界面应力时，只能通过材料的失稳、破坏来松弛界面应力

10.4界面力学性能的分析表征 消除界面应力的有效方法是引入膨胀性单体， 如对于环氧树脂复合材料，引入双螺旋环化 合物SOC,可与环氧树脂共聚，有效地控制 树脂的固化收缩，提高复合材料的综合性能。 当螺旋环原碳酸酯 化合物进行开环异 构化聚合时，生成 CH-O 的聚醚碳酸酯体积 CH 不收缩反而膨胀

10.4 界面力学性能的分析表征  消除界面应力的有效方法是引入膨胀性单体， 如对于环氧树脂复合材料，引入双螺旋环化 合物SOC，可与环氧树脂共聚，有效地控制 树脂的固化收缩，提高复合材料的综合性能

40 30 20 10 0 5 10 15 20 膨张单体含量，质量分数/% 碳纤维/环氧复合材料 冲击韧性与膨胀单体含量的关系 口膨胀单体的加入有效地减缓了因纤维/基体 热膨胀系数失配而产生的热应力以及环氧树 脂固化产生的收缩

 膨胀单体的加入有效地减缓了因纤维／基体 热膨胀系数失配而产生的热应力以及环氧树 脂固化产生的收缩

减缓界面应力的另一种方法是设计柔性的界面层。 ▣采用涂层的方法，可在不降低或少降低剪切强度的 前提下，大大提高复合材料的断裂韧性。例如，采 用硅橡胶涂覆在碳纤维表面上，随着涂层厚度的增 加，碳纤维复合材料的断裂韧性可提高100%，弯 曲强度略有下降。 ▣采用电化学聚合的方法是在石墨纤维表面聚合上一 层柔性的聚合物界面层，共聚的单体为丙烯酸甲酯 (MA)和丙烯腈(AN)。通过调整界面层的厚度可显 著改进石墨纤维/环氧复合材料的力学性能

 减缓界面应力的另一种方法是设计柔性的界面层。  采用涂层的方法，可在不降低或少降低剪切强度的 前提下，大大提高复合材料的断裂韧性。例如，采 用硅橡胶涂覆在碳纤维表面上，随着涂层厚度的增 加，碳纤维复合材料的断裂韧性可提高100％，弯 曲强度略有下降。  采用电化学聚合的方法是在石墨纤维表面聚合上一 层柔性的聚合物界面层，共聚的单体为丙烯酸甲酯 (MA)和丙烯腈(AN)。通过调整界面层的厚度可显 著改进石墨纤维／环氧复合材料的力学性能

110 0000 冲击强度，kJ/m2 层问剪切强度，Mpa 50 0 0.050.1 0.150.20.25 0.30.350.4 界面厚度um 冲击和剪切强度与ANMA界面厚度关系

环氧基体 环氧基体 涂层 界面层 纤维 纤维 ▣ 在高模量的增强纤维和低模量的基体之间引入中间模量 的梯度过渡界面层，也可改善复合材料的综合性能。 ▣ 在碳纤维的表面涂覆一层不含固化剂的环氧树脂，然后 与含固化剂14.5%的环氧树脂复合，在固化过程中，固 化剂沿涂覆在纤维表面的环氧层向纤维表面扩散。固化 剂含量越低，树脂模量越高，这样就使得界面层的模量 从纤维表面一侧向树脂基体一侧递减，直至与树脂基体 相同。 ▣ 该界面层不但提高了纤维间剪应方的传递能力，而且也 改变了界面的破坏模式

 在高模量的增强纤维和低模量的基体之间引入中间模量 的梯度过渡界面层，也可改善复合材料的综合性能。  在碳纤维的表面涂覆一层不含固化剂的环氧树脂，然后 与含固化剂14.5％的环氧树脂复合，在固化过程中，固 化剂沿涂覆在纤维表面的环氧层向纤维表面扩散。固化 剂含量越低，树脂模量越高，这样就使得界面层的模量 从纤维表面一侧向树脂基体一侧递减，直至与树脂基体 相同。  该界面层不但提高了纤维间剪应方的传递能力，而且也 改变了界面的破坏模式

10.4.2复合材料界面的动态力学分 析 口 扭辫分析是动态力学分析(DMA)的一种 方法。 ▣ 将纤维均匀地编织成三股、四股或六股的辫 子，作为被检测聚合物的支承体，被测物浸 渍附着在辫子上成为复合材料试样，支承物 和被测物之间存在界面。由于受到界面束缚 的影响，聚合物的性能会发生不同的变化， 反映出复合材料界面的特性

10.4.2 复合材料界面的动态力学分 析  扭辫分析是动态力学分析（DMA）的一种 方法。  将纤维均匀地编织成三股、四股或六股的辫 子，作为被检测聚合物的支承体，被测物浸 渍附着在辫子上成为复合材料试样，支承物 和被测物之间存在界面。由于受到界面束缚 的影响，聚合物的性能会发生不同的变化， 反映出复合材料界面的特性