《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 10.3 复合材料的界面

第10章复合材料的界面 1

1 第10章 复合材料的界面

10.3复合材料的界面 ▣ 界面对复合材料的性能起着至关重要的作用。复合 材料的性能不是组成材料性能的简单加和，而产生 了1十1>2的作用，称为协同效应。界面是复合 材料产生协同效应的根本原因。 玻璃纤维的断裂能：10J/m2; 断裂能大幅提高的 原因？ 聚酯树脂断裂能：100/m2; 聚酯玻璃钢的断裂能：105J/m2; 2

2 10.3 复合材料的界面  界面对复合材料的性能起着至关重要的作用。复合 材料的性能不是组成材料性能的简单加和，而产生 了 1＋1>2 的作用，称为协同效应。界面是复合 材料产生协同效应的根本原因。 玻璃纤维的断裂能：10 J/m2； 聚酯树脂断裂能：100 J/m2； 聚酯玻璃钢的断裂能：105 J/m2； 断裂能大幅提高的 原因？

纤维增强塑料复合前后的结构示意图 基体 基体 界面 纤维 纤维 心

3 纤维增强塑料复合前后的结构示意图

复合材料破坏过程中的能量吸收 裂纹在基体中发展，遇到纤维，可 能发生界面脱粘、基体和纤维的断 裂、纤维拔出等过程，吸收了大量 能量。并且裂纹发展未必在一个平 面上，可沿着材料中不同的平面发 生如上的界面脱粘、基体和纤维的 断裂、纤维拔出等过程，直到裂纹 贯穿了某一平面材料才破坏，这就 使得复合材料的断裂能大大高于各 组分材料的断裂能的加和，充分体 现出复合材料的协同效应

4 复合材料破坏过程中的能量吸收 裂纹在基体中发展，遇到纤维，可 能发生界面脱粘、基体和纤维的断 裂、纤维拔出等过程，吸收了大量 能量。并且裂纹发展未必在一个平 面上，可沿着材料中不同的平面发 生如上的界面脱粘、基体和纤维的 断裂、纤维拔出等过程，直到裂纹 贯穿了某一平面材料才破坏，这就 使得复合材料的断裂能大大高于各 组分材料的断裂能的加和，充分体 现出复合材料的协同效应

1纤维本体区 2纤维表面区 "3界面吸附层 4基体表面区 5基体本体区 复合材料界面模型 界面相很薄，是亚微观的，却有极其复杂的结构。在两相复合过 程中，会出现热应力（导热系数，膨胀系数的不同），界面化学 效应（官能团之间的作用或反应）和界面结晶效应（成核诱发结 晶，横晶)，这些效应引起的界面微观结构和性能特征，对复合 材料的宏观性能产生直接的影响

5 复合材料界面模型 1 纤维本体区 2 纤维表面区 3 界面吸附层 4 基体表面区 5 基体本体区 界面相内的化学组分，分子 排列，热性能，力学性能呈 现连续的梯度性变化。 界面相很薄，是亚微观的，却有极其复杂的结构。在两相复合过 程中，会出现热应力（导热系数，膨胀系数的不同），界面化学 效应（官能团之间的作用或反应）和界面结晶效应（成核诱发结 晶，横晶），这些效应引起的界面微观结构和性能特征，对复合 材料的宏观性能产生直接的影响

10.3.1复合材料界面形成过程 第一阶段：纤维与液态基体（树脂或 金属)间的接触与浸润过程。增强体 与基体形成紧密的接触。 第二阶段：基体的固化过程。增强体 与基体分子处于能量最低、结构稳定 的状态 。 6

6 10.3.1 复合材料界面形成过程 第一阶段：纤维与液态基体（树脂或 金属）间的接触与浸润过程。增强体 与基体形成紧密的接触。 第二阶段：基体的固化过程。增强体 与基体分子处于能量最低、结构稳定 的状态

10.3.1.1树脂基复合材料的界面结构 口1、树脂固化过程 口2、增强体表面的有序树脂胶束层 -树脂抑制层 口3、界面区的厚度对力学性能的影 响

7 10.3.1.1 树脂基复合材料的界面结构 1、树脂固化过程 2、增强体表面的有序树脂胶束层 -树脂抑制层 3、界面区的厚度对力学性能的影 响

1、热固性树脂的固化过程 口在固化后的环氧树脂内，以固化剂为中心 ,向四周辐射延伸固化，形成了中心密度 大、边缘密度小的非均匀固化结构，密度 大的中心称为“胶束”或“胶粒”，密度 小的叫“胶絮” ▣在以树脂本身官能团进行固化反应的过程 中，也存在类似胶束的高密度区和胶絮的 低密度区

8 在固化后的环氧树脂内，以固化剂为中心 ，向四周辐射延伸固化，形成了中心密度 大、边缘密度小的非均匀固化结构，密度 大的中心称为“胶束”或“胶粒”，密度 小的叫“胶絮”。 在以树脂本身官能团进行固化反应的过程 中，也存在类似胶束的高密度区和胶絮的 低密度区。 1、热固性树脂的固化过程

2、增强体表面的有序树 不同性能 的树脂层 脂胶束层-树脂抑制层 吸附层 表面层 纤维相 低 6-3复合材料界面横型 一本体蕃体 模 高表面能下界面 区形成“致密层 量 ”十松散层，低表 临近增强剂 表面的基体 面能下界面区形 增强剂 成“松散层”。 增强剂 9 界面区的优先吸附

9 2、增强体表面的有序树 脂胶束层-树脂抑制层  高表面能下界面 区形成“致密层 ”+松散层，低表 面能下界面区形 成“松散层”。 模 量 增强剂 界面区的优先吸附 不同性能 的树脂层 吸附层 表面层 纤维相

复合材料界面区的作用： (1)使基体与增强体结合形成材料整体； (2)在外场作用下承受载荷时，基体通过界 面将应力传递至增强体，增强体承受了主 要应力，基体承受的应力较小，界面区则 承受从增强体表面至基体表面梯度分布的 应力。 10

10 复合材料界面区的作用: (1)使基体与增强体结合形成材料整体; (2)在外场作用下承受载荷时，基体通过界 面将应力传递至增强体，增强体承受了主 要应力，基体承受的应力较小，界面区则 承受从增强体表面至基体表面梯度分布的 应力