1、4.4 樹脂基復合材料界面的破樹脂基復合材料界面的破壞機理壞機理n4.4.1 界面破壞的能量流散概念界面破壞的能量流散概念n4.4.2 介質引起界面破壞的機理介質引起界面破壞的機理n4.4.3 金屬基復合材料的界面穩定性金屬基復合材料的界面穩定性 4.4 樹脂基復合材料界面的破樹脂基復合材料界面的破壞機理壞機理假設：假設： 1）、從整體上假定復合材料中的纖維與基體）、從整體上假定復合材料中的纖維與基體是緊密地膠接在一起的；是緊密地膠接在一起的； 2）、分析組分的各自作用時，假定纖維與基）、分析組分的各自作用時，假定纖維與基體是完全分割的，各自有自己的應力行為。體是完全分割的，各自有自己的應力行

2、為。n 樹脂固化時將對纖維產生壓應力，而對基體樹脂固化時將對纖維產生壓應力，而對基體則有拉應力。則有拉應力。)(TEfmmm4.4 樹脂基復合材料界面的破壞機理樹脂基復合材料界面的破壞機理基體中拉應力基體中拉應力纖維中壓應力纖維中壓應力界面上剪應力界面上剪應力內應力內應力補充：復合材料斷裂過程補充：復合材料斷裂過程脫粘或基體脫粘或基體剪切破壞剪切破壞初始開裂初始開裂纖維纖維抽出抽出縱向拉伸破壞模式縱向拉伸破壞模式應力分布區域化應力分布區域化nB：空管：空管nC：基體無裂紋，纖維輪廓及斷頭不清晰：基體無裂紋，纖維輪廓及斷頭不清晰nD：基體有菱形裂紋：基體有菱形裂紋4.4.1 4.4.1 界面破壞

3、的能量流散概念界面破壞的能量流散概念n當裂紋受到外因素作用時，裂紋的發展當裂紋受到外因素作用時，裂紋的發展過程將是逐漸通過樹脂最后到達纖維表過程將是逐漸通過樹脂最后到達纖維表面。面。n在裂紋擴展的過程中，將隨著裂紋的發在裂紋擴展的過程中，將隨著裂紋的發展逐漸消耗能量，并且由于能量的流散展逐漸消耗能量，并且由于能量的流散而減緩裂紋的發展。而減緩裂紋的發展。裂紋峰垂直于纖維表面的微裂紋裂紋峰垂直于纖維表面的微裂紋裂紋能量在界面上流散示意圖裂紋能量在界面上流散示意圖裂紋由于界面能量流散裂紋由于界面能量流散而減弱裂紋生長，或能而減弱裂紋生長，或能量消耗在界面脫膠而分量消耗在界面脫膠而分散了裂紋峰上的能

4、量集散了裂紋峰上的能量集中，因此未造成纖維的中，因此未造成纖維的破壞。破壞。樹脂在玻璃纖維界面上生成的鍵可分為兩種樹脂在玻璃纖維界面上生成的鍵可分為兩種: : 1 1）范德華力（）范德華力（2.5104J/mol） 2 2）化學鍵（）化學鍵（ (1.21.8) 105J/mol ）作用：能量流散時化學鍵的破壞將吸收更大的能量作用：能量流散時化學鍵的破壞將吸收更大的能量。混亂分布的鍵混亂分布的鍵集中分布的鍵集中分布的鍵化學鍵集中時，裂化學鍵集中時，裂紋峰能量集中引起紋峰能量集中引起纖維的斷裂纖維的斷裂裂紋峰擴展破壞集裂紋峰擴展破壞集中化學鍵中化學鍵樹脂層脫粘破壞樹脂層脫粘破壞 如果樹脂與纖維界面

5、上的化學鍵是分散的，如果樹脂與纖維界面上的化學鍵是分散的，裂紋發展受能量流散影響將引起脫粘破壞。裂紋發展受能量流散影響將引起脫粘破壞。n25%的硼纖維增強環的硼纖維增強環氧樹脂系統，采用氧樹脂系統，采用80%亞聚氨酯進行纖亞聚氨酯進行纖維的間斷涂層，其韌度維的間斷涂層，其韌度提高提高400%，而強度幾，而強度幾乎沒有下降。乎沒有下降。 界面控制技術界面控制技術n間斷粘結界面的裂紋在間斷粘結界面的裂紋在弱粘結區被鈍化。弱粘結區被鈍化。 4.4.2 介質引起界面破壞的機理介質引起界面破壞的機理n 清潔的玻璃表面暴露在大氣中立即會吸附一清潔的玻璃表面暴露在大氣中立即會吸附一層水分子。表面的引力可以通

6、過連續的水膜傳層水分子。表面的引力可以通過連續的水膜傳遞。遞。n因此，玻璃表面經多層吸附而形成厚的水膜，因此，玻璃表面經多層吸附而形成厚的水膜，并且加熱到并且加熱到25時也不易除去。只有在真空中時也不易除去。只有在真空中（0.0133Pa），），800C下方可基本將物理下方可基本將物理和化學吸附水除去。和化學吸附水除去。n玻璃纖維增強聚合物復合材料表面上的吸附水玻璃纖維增強聚合物復合材料表面上的吸附水侵入界面后，發生水與玻璃纖維和樹脂的化學侵入界面后，發生水與玻璃纖維和樹脂的化學變化，引起界面脫粘，造成復合材料的破壞。變化，引起界面脫粘，造成復合材料的破壞。4.4.2 介質引起界面破壞的機理介

7、質引起界面破壞的機理1) 水對玻璃纖維的作用，水對玻璃纖維的作用，堿性水破壞硅堿性水破壞硅氧網絡氧網絡2）使基體水解，）使基體水解，如堿催化聚酯樹脂的降如堿催化聚酯樹脂的降解解3）溶脹，）溶脹，溶脹超過固化收縮后，產生拉溶脹超過固化收縮后，產生拉應力。應力。 進入界面的水將使樹脂發生溶脹，初期的溶脹將抵消在進入界面的水將使樹脂發生溶脹，初期的溶脹將抵消在室溫下的固化收縮，當溶脹超過了固化收縮時，則界面上產室溫下的固化收縮，當溶脹超過了固化收縮時，則界面上產生拉伸應力。生拉伸應力。 當力大于界面粘結力時，產生界面破壞。當力大于界面粘結力時，產生界面破壞。 圖圖4.12 界面上產生的徑向拉伸應力示

8、意圖界面上產生的徑向拉伸應力示意圖水進入復合材料的途徑水進入復合材料的途徑n樹脂黏度大，裹入的空氣相連樹脂黏度大，裹入的空氣相連成通道成通道n水溶性無機物溶解水溶性無機物溶解n樹脂的熱收縮在基體和界面上樹脂的熱收縮在基體和界面上產生微裂紋產生微裂紋水的破壞作用：減小了纖維的內聚能，水的破壞作用：減小了纖維的內聚能，脆化了纖維材料脆化了纖維材料EWW:表面能或內聚能塑性變形所需的能量n水助長裂紋的擴張，還有兩方面的作用，水助長裂紋的擴張，還有兩方面的作用，就是就是（1）表面腐蝕導致表面缺陷或產生微弱）表面腐蝕導致表面缺陷或產生微弱腐蝕產物腐蝕產物（2）凝結在裂紋頂端的水能產生相當大）凝結在裂紋頂

9、端的水能產生相當大的毛細壓力的毛細壓力n促進纖維中原有微裂紋的擴展，引起材促進纖維中原有微裂紋的擴展，引起材料的破壞。料的破壞。4.4.3 金屬基復合材料的界面穩定性金屬基復合材料的界面穩定性受兩類因素影響：受兩類因素影響：n物理方面的因素物理方面的因素-高溫下基體與增強體之高溫下基體與增強體之間的溶融、溶解間的溶融、溶解-析出析出n化學方面的因素化學方面的因素-使用過程中界面化學引使用過程中界面化學引起的：起的：包括連續界面反應、交換反應和包括連續界面反應、交換反應和暫穩態界面的變化暫穩態界面的變化物理方面的不穩定因素物理方面的不穩定因素n例：用粉末冶金法制成的例：用粉末冶金法制成的鎢絲增強

10、鎳鎢絲增強鎳合金合金材料，由于成型溫度較低，鎢絲材料，由于成型溫度較低，鎢絲未溶入合金，故其強度基本不變，未溶入合金，故其強度基本不變，但但在在1100C左右使用左右使用50h，則鎢絲直，則鎢絲直徑僅為原來的徑僅為原來的60%，強度明顯降低，強度明顯降低，表明鎢絲已溶入鎳合金基體中。表明鎢絲已溶入鎳合金基體中。n硼向外擴散以致纖維內部留下空洞，硼向外擴散以致纖維內部留下空洞，占面積占面積10%以上以上930C 下下1小時小時連連續續界界面面反反應應化學方面的不穩定因素化學方面的不穩定因素n交換反應：交換反應：如如碳纖維碳纖維與與鋁鋁含鈦、銅合金的含鈦、銅合金的MMC中，由于中，由于鈦與碳反應自

11、由能低則優先形成碳化鈦，鈦與碳反應自由能低則優先形成碳化鈦，造成界面附近銅、鋁元素的富集造成界面附近銅、鋁元素的富集，實驗觀察到確，實驗觀察到確有有CuAl2金屬間化合物存在。金屬間化合物存在。n暫穩態界面的變化：暫穩態界面的變化：硼纖維增強硼纖維增強Al，如用固態擴，如用固態擴散方法，這層氧化膜將不會受到破壞，但它是不散方法，這層氧化膜將不會受到破壞，但它是不穩定的，在長期的熱效應作用下，氧化膜會球化，穩定的，在長期的熱效應作用下，氧化膜會球化，這與殘余的氧化層表面能有關，這種界面上出現這與殘余的氧化層表面能有關，這種界面上出現的局部球化會影響復合材料的性能。的局部球化會影響復合材料的性能。

12、 小結：小結：復合材料界面破壞機理大致有三種：復合材料界面破壞機理大致有三種：1. 1. 微裂紋破壞理論微裂紋破壞理論2. 2. 界面破壞理論界面破壞理論3. 3. 化學結構破壞理論化學結構破壞理論4.5 4.5 復合材料界面優化設計復合材料界面優化設計 復合材料界面優化設計的含義是對復合材料界面相進復合材料界面優化設計的含義是對復合材料界面相進行設計及控制，以使整體材料的綜合性能達到最優狀態。行設計及控制，以使整體材料的綜合性能達到最優狀態。 綜合考慮，綜合考慮，最大限度地最大限度地體現出整體體現出整體優越性優越性界面的功能：傳遞應力、粘結與脫粘。界面的功能：傳遞應力、粘結與脫粘。 復合材料

13、界面的優化設計是一個復雜的因素。復合材料界面的優化設計是一個復雜的因素。 1 1、首先應該注意材料的應用要求；、首先應該注意材料的應用要求；2 2、彈性模量的設計；、彈性模量的設計； 3 3、界面的殘余應力；、界面的殘余應力； 4 4、基體與增強體的相容性；、基體與增強體的相容性； 5 5、相間的動力學效果；、相間的動力學效果； 6 6、偶聯劑的性能。、偶聯劑的性能。 應用要求應用要求1 1、制品首先滿足的強度問題。、制品首先滿足的強度問題。2 2、制品的工作環境。、制品的工作環境。3 3、制品的生產成本、使用壽命等。、制品的生產成本、使用壽命等。EgEg、縱向強度、橫向強度、抗壓強度等縱向強

14、度、橫向強度、抗壓強度等EgEg、潮濕環境下、酸性環境下、堿性環境潮濕環境下、酸性環境下、堿性環境下，紫外線多的環境下，下，紫外線多的環境下，要選擇相對應的要選擇相對應的樹脂。樹脂。EgEg、對于某些工程材料在滿足要求時盡量對于某些工程材料在滿足要求時盡量降低生產成本；降低生產成本；考慮使用年限等問題。考慮使用年限等問題。彈性模量的設計彈性模量的設計見解見解1 1、界面、界面相的模量應當相的模量應當介于增強體與介于增強體與基體之間；基體之間；見解見解2 2、保證、保證相當的粘結程相當的粘結程度下，界面相度下，界面相的模量應當是的模量應當是最低的；最低的；界 面 相界 面 相的 模 量的 模 量

15、基 體基 體和 增 強和 增 強體 的 模體 的 模量。量。Why？高模量的界面首先破壞，起不到高模量的界面首先破壞，起不到傳遞力的作用，且造成裂紋源，傳遞力的作用，且造成裂紋源，形成增強體的低應力破壞形成增強體的低應力破壞殘余應力殘余應力足夠重視足夠重視見解見解1 1、如何、如何減弱復合材料減弱復合材料界面的殘余應界面的殘余應力；力；見解見解2 2、如何、如何在材料中利用在材料中利用復合材料界面復合材料界面的殘余應力；的殘余應力；影響復影響復合材料合材料性能的性能的發揮和發揮和性能穩性能穩定定相容性相容性條件？條件？影響復影響復合材料合材料性能的性能的發揮和發揮和性能穩性能穩定定G 0保證增

16、保證增強體及強體及基體充基體充分接觸分接觸先決條件先決條件各種各種外加外加劑的劑的使用使用動力學效果動力學效果潤濕？潤濕？潤濕潤濕程度程度考慮考慮1、相間浸潤的、相間浸潤的熱力學效果熱力學效果2、相間浸潤的、相間浸潤的動力學效果動力學效果判斷潤判斷潤濕程度濕程度判斷潤判斷潤濕過程濕過程及如何及如何潤濕潤濕偶聯劑的性能偶聯劑的性能界面改界面改性劑性劑粘結基體和增強體的橋梁化 學 功 能物 理 功 能其他結構因素4.5 復合材料界面優化設計復合材料界面優化設計4.5.1 改善樹脂基復合材料的原則改善樹脂基復合材料的原則1）改善樹脂基體對增強材料的浸潤程度）改善樹脂基體對增強材料的浸潤程度2）適度的界面粘結）適度的界面粘結3）減少復合材料成型中形成的殘余應力減少復合材料成型中形成的殘余應力4）調節界面內應力、減緩應力集中）調節界面內應力、