1、 (1) 基體基體 熱固性基體熱固性基體(thermosetting matrix)： i) 熔體或溶液粘度低，易于浸漬與浸潤，成型工藝性好熔體或溶液粘度低，易于浸漬與浸潤，成型工藝性好 ii) 交聯固化后成網狀結構，尺寸穩定性好耐熱性好，但性脆交聯固化后成網狀結構，尺寸穩定性好耐熱性好，但性脆 iii) 制備過程伴有復雜化學反應制備過程伴有復雜化學反應 熱塑性基體熱塑性基體(thermoplastic matrix)： i) 熔體粘度大，浸漬與浸潤困難，需較高溫度和壓力下成熔體粘度大，浸漬與浸潤困難，需較高溫度和壓力下成 型，工藝性差型，工藝性差 ii) 線性分子結構，抗蠕變和尺寸穩定性差，

2、但韌性好線性分子結構，抗蠕變和尺寸穩定性差，但韌性好 iii) 制備過程中伴有聚集態結構轉變及取向、結晶等物理現象制備過程中伴有聚集態結構轉變及取向、結晶等物理現象 聚合物基復合材料（聚合物基復合材料（ PMC）的組成）的組成(2) 增強體增強體 主要有碳纖、玻璃纖維、芳綸纖維、硼纖維等主要有碳纖、玻璃纖維、芳綸纖維、硼纖維等 由于樹脂基體與增強體相容性、浸潤性較差，由于樹脂基體與增強體相容性、浸潤性較差，增強體多經過表面處理與表面改性，以及浸潤劑、增強體多經過表面處理與表面改性，以及浸潤劑、偶聯劑和涂復層的使用，使其組成復雜化。偶聯劑和涂復層的使用，使其組成復雜化。 復合材料的結構復合材料的

3、結構(structure of composites) 無規分散（彌散）增強結構無規分散（彌散）增強結構 （含顆粒、晶須、（含顆粒、晶須、 短纖維）短纖維）(randomly oriented) 連續長纖維單向增強結構連續長纖維單向增強結構（單向板）（單向板）(aligned) 層合層合(板板)結構結構(二維織布或連續纖維鋪層，每層二維織布或連續纖維鋪層，每層 不同不同)(laminate) 三維編織體增強結構三維編織體增強結構(braided fabric or filament winding) 夾 層 結 構夾 層 結 構 （ 蜂 窩 夾 層 等 ）（ 蜂 窩 夾 層 等 ） ( s a

4、 n d w i c h constructure) 混雜結構混雜結構(hybrid constructure) 引入引入相的相的“連通性連通性”概念，理論上可將復合材料結構劃分概念，理論上可將復合材料結構劃分為為 0-3型、型、1-3型型2-2型、型、2-3型、型、3-3型型等幾種典型結構等幾種典型結構三維編織三維編織纖維結構纖維結構 三維正交非織造的纖維結構三維正交非織造的纖維結構 (a)非線性法平面增強非線性法平面增強 (b) 一種開式格狀結構一種開式格狀結構 (c）一種柔性結構）一種柔性結構 管、容器的螺旋纏繞平面纏繞線型管、容器的螺旋纏繞平面纏繞線型 各種玻各種玻璃璃夾層夾層結構結構

5、 單向及準各向同性板的單向及準各向同性板的鋪層鋪層結構結構混雜混雜復復合材料合材料的混雜的混雜類型類型 基本概念和界面現象基本概念和界面現象 基本概念：相、界面、表面、界面相（層）、表面張力、界面能基本概念：相、界面、表面、界面相（層）、表面張力、界面能接觸角、粘附功接觸角、粘附功 界面現象：界面現象： 表面吸附作用與浸潤表面吸附作用與浸潤 擴散與粘結（含界面互穿網絡結構）擴散與粘結（含界面互穿網絡結構） 界面上分子間相互作用力（范氏力和化學鍵合力）界面上分子間相互作用力（范氏力和化學鍵合力）復合材料的界面復合材料的界面(interface of composites)2. 復合材料的界面形成

6、過程復合材料的界面形成過程 PMC、MMC、CMC、C/C等復合材料體系對界面要求各等復合材料體系對界面要求各不相同，它們的成型加工方法與工藝差別很大，各有特點，不相同，它們的成型加工方法與工藝差別很大，各有特點，使復合材料界面形成過程十分復雜，理論上可分為使復合材料界面形成過程十分復雜，理論上可分為三個階段三個階段。（1）第一階段第一階段：增強體表面預處理或改性階段。增強體表面預處理或改性階段。 i) 界面設計與控制的重要手段界面設計與控制的重要手段 ii) 改性層成為最終界面層的重要組成部分改性層成為最終界面層的重要組成部分 iii) 為第二階段作準備為第二階段作準備（2）第二階段第二階段

7、：增強體與基體在：增強體與基體在一組份為液態一組份為液態（或粘流態）（或粘流態） 時的接觸與浸潤過程時的接觸與浸潤過程 i) 接觸接觸吸附與浸潤吸附與浸潤交互擴散交互擴散化學結合或化學結合或 物理結合物理結合。化學結合可看作是一種特殊的浸。化學結合可看作是一種特殊的浸 潤過程潤過程 ii) 界面形成與發展的關鍵階段界面形成與發展的關鍵階段（3）第三階段第三階段：液態（或粘流態）組分的：液態（或粘流態）組分的固化固化過程，即凝過程，即凝 固或化學反應固或化學反應 i) 界面的固定（亞穩態、非平衡態）界面的固定（亞穩態、非平衡態） ii) 界面的穩定（穩態、平衡態）界面的穩定（穩態、平衡態） 在復

8、合材料界面形成過程中涉及：在復合材料界面形成過程中涉及： i) 界面間的界面間的相互置換相互置換：如，潤濕過程是一個固：如，潤濕過程是一個固- 液界面置換固液界面置換固-氣表面的過程氣表面的過程 i i) 界面間的界面間的相互轉化相互轉化：如，固化過程是固：如，固化過程是固-液液 界面向固界面向固-固界面轉化的過程固界面轉化的過程 后處理過程：固后處理過程：固-固界面自身完善與平衡的過程固界面自身完善與平衡的過程 PMC界面區域界面區域(interface zone of PMC)示意圖示意圖1-外力場；外力場；2-樹脂基體；樹脂基體；3-基體表面區；基體表面區；4-相互滲透區；相互滲透區；5

9、-增強劑表面區；增強劑表面區；6-增強劑增強劑 3. 復合材料界面結構與性能特點復合材料界面結構與性能特點 i) 非單分子層，其組成、結構形態、形貌十分復雜、非單分子層，其組成、結構形態、形貌十分復雜、 形式多樣。界面區至少包括：基體表面層、增強體表形式多樣。界面區至少包括：基體表面層、增強體表 面層、基體面層、基體/增強體界面層三個部分增強體界面層三個部分 ii ) 具有具有一定厚度一定厚度的界面相（層），其組成、結構、的界面相（層），其組成、結構、 性能隨厚度方向變化而變化，具有性能隨厚度方向變化而變化，具有“梯度梯度”材料的性能材料的性能 特征特征 iii) 界面的界面的比表面積或界面相

10、的體積分數很大比表面積或界面相的體積分數很大（尤其是（尤其是 納米復合材料）界面效應顯著：復合材料復合效應納米復合材料）界面效應顯著：復合材料復合效應 產生的根源產生的根源 iv) 界面界面缺陷形式多樣缺陷形式多樣（包括殘余應力）（包括殘余應力）(residual stress)， 對復合材料性能對復合材料性能影響影響十分敏感十分敏感4. 界面上力的傳遞與殘余應力界面上力的傳遞與殘余應力 有一定結合強有一定結合強度 的 界 面度 的 界 面（層），可在（層），可在基體與增強體基體與增強體之間進行之間進行a. 力的轉遞力的轉遞b. 力的分配力的分配c. 基體或增強基體或增強體破壞過程中的體破壞過

11、程中的應力再分配應力再分配 組合力學性能組合力學性能 在復合材料未受外力時，界面上仍存在應力或應力分布，在復合材料未受外力時，界面上仍存在應力或應力分布，這就是這就是“殘余應力殘余應力”。殘余應力來源：。殘余應力來源： 增強相與基體相增強相與基體相熱膨脹系數的熱膨脹系數的不匹配不匹配 相與相之間的彈性系數不匹配，相內的應力分布不均相與相之間的彈性系數不匹配，相內的應力分布不均 成型過程中，由高溫成型過程中，由高溫- -室溫、由化學和物理變化引起的各室溫、由化學和物理變化引起的各組元體積收縮的不同，如：基體固化、聚集態轉變、晶組元體積收縮的不同，如：基體固化、聚集態轉變、晶相轉變等相轉變等 層合

12、板中，由鋪層方向不同所帶來的層間殘余應力（層層合板中，由鋪層方向不同所帶來的層間殘余應力（層合板的翹曲）合板的翹曲） 流變過程中，組元間的塑性變形差異引起的流變殘余應流變過程中，組元間的塑性變形差異引起的流變殘余應 力力 5. 復合材料界面破壞機制復合材料界面破壞機制(interface failure of composites)（1）破壞的來源）破壞的來源 基體內、增基體內、增強體內和層強體內和層面層上均存面層上均存在微裂紋、在微裂紋、氣孔、內應氣孔、內應力力在力場或外界環在力場或外界環境（如介質、水）境（如介質、水）微裂紋和缺陷按本身的微裂紋和缺陷按本身的規律發展，并消散能量規律發展，并

13、消散能量 （2）破壞形式）破壞形式 5種基本破壞形種基本破壞形式式i) 基體斷裂基體斷裂ii) 纖維斷裂纖維斷裂iii) 纖維脫粘纖維脫粘iv)纖維拔出纖維拔出(摩摩擦功擦功)v) 裂紋擴展與偏裂紋擴展與偏轉轉5 5種形式種形式綜合體現綜合體現復合材料的復合材料的破壞與失效破壞與失效 復合材料的破壞機制則是上述復合材料的破壞機制則是上述5 5種基本破壞形式的組合與綜合種基本破壞形式的組合與綜合體現的結果。體現的結果。6. 復合材料的界面理論復合材料的界面理論(The Interface Theories)（1）界面設計與控制的概念）界面設計與控制的概念(design and control o

14、f interlayer) 界面具有雙重功能界面具有雙重功能 傳遞應力，需要一定界面結合強度，但不是愈高愈好傳遞應力，需要一定界面結合強度，但不是愈高愈好 界面破壞。界面結合適度，界面破壞形式愈豐富，能量界面破壞。界面結合適度，界面破壞形式愈豐富，能量耗散愈多。高的界面粘接強度，不一定帶來材料整體的高強度耗散愈多。高的界面粘接強度，不一定帶來材料整體的高強度和高韌性。和高韌性。 在脆性纖維在脆性纖維-脆性基體復合體系中，強的界面結合往往導脆性基體復合體系中，強的界面結合往往導致各組元相中及相間的應力集中和脆性斷裂、破壞形式單一，致各組元相中及相間的應力集中和脆性斷裂、破壞形式單一，不涉及界面破

15、壞，其能量耗散僅限于產生新的斷裂表面。材料不涉及界面破壞，其能量耗散僅限于產生新的斷裂表面。材料易突然失效或發生災難性破壞。弱的界面結合強度有時能帶來易突然失效或發生災難性破壞。弱的界面結合強度有時能帶來材料整體高的力學強度和韌性。弱的界面結合可以發生多種界材料整體高的力學強度和韌性。弱的界面結合可以發生多種界面破壞形式（如纖維拔出、脫粘、應力再分配等），從而消耗面破壞形式（如纖維拔出、脫粘、應力再分配等），從而消耗大量的外界功，提高材料的強度和韌性，避免脆性斷裂或災難大量的外界功，提高材料的強度和韌性，避免脆性斷裂或災難性破壞。性破壞。 因此，要求界面：因此，要求界面： . . 適宜的粘接強

16、度適宜的粘接強度 最佳的界面結構和狀態最佳的界面結構和狀態 與界面相聯系的理想的微觀破壞機制與界面相聯系的理想的微觀破壞機制 這就是所謂界面設計與界面控制的基本概念這就是所謂界面設計與界面控制的基本概念（2）界面理論界面理論 浸潤浸潤理論理論 化學化學鍵理鍵理 優先吸附理優先吸附理 可變形層理論可變形層理論 束縛層理論束縛層理論每一理論只能部分解每一理論只能部分解釋某些現象或某些結釋某些現象或某些結果。都有一定局限性。果。都有一定局限性。實際的界面現象復雜實際的界面現象復雜的多，需多方面、多的多，需多方面、多角度加以分析。迄今，角度加以分析。迄今，未能建立一個統一的未能建立一個統一的界面響應理

17、論模型。界面響應理論模型。 界面分子充分接觸界面分子充分接觸粘接，作用力粘接，作用力聚合物基復合材料的應用聚合物基復合材料的應用1) 對信息技術提供服務對信息技術提供服務復合材料復合材料信息獲得信息獲得敏感器件敏感器件換能材料換能材料信息存儲信息存儲磁記錄磁記錄光記錄光記錄信息處理信息處理芯片封裝芯片封裝電路板電路板信息傳播信息傳播光導纖維光導纖維導波管導波管信息執行信息執行機械動作機械動作高強高剛高強高剛2) 對提高人類生活質量做出貢獻對提高人類生活質量做出貢獻復合材料復合材料衣衣紡織機械紡織機械食食蔬菜大棚蔬菜大棚住住建筑材料建筑材料行行交通工具交通工具改善舒適性改善舒適性輕質高強、隔音隔

18、熱輕質高強、隔音隔熱墻體門窗、整體潔具墻體門窗、整體潔具飛機車輛、大小船艦飛機車輛、大小船艦高速列車的車體結構高速列車的車體結構提高安全性提高安全性抗沖韌性、吸收能量抗沖韌性、吸收能量汽車保險杠轎車底板汽車保險杠轎車底板自診斷機敏復合材料自診斷機敏復合材料高層建筑抗地政災害高層建筑抗地政災害提高健康水平提高健康水平修復植入人造器官修復植入人造器官成分設計、調整應力成分設計、調整應力生物相容性生物相容性人工關節、夾骨板人工關節、夾骨板3) 在解決資源短缺與能源危機方面的貢獻在解決資源短缺與能源危機方面的貢獻復復合合材材料料開發新能源與開發新能源與節約能源節約能源挖掘尚未被利挖掘尚未被利用的能源用的能源開發海洋開發海洋與空間與空間使基礎設施使基礎設施延長壽命延長壽命提高太陽能的轉換率（光電池、框架）提高太陽能的轉換率（光電池、框架）風力發電裝置（大型化的葉片、支柱）風力發電裝置（大型化的葉片、支柱）核燃料（鈾分離轉子）；潮汐發電核燃料（鈾分離轉子）；潮汐發電基礎設施建設的重要性基礎設施建設的重要