复合材料界面与复合理论cjgl.docx

复合材料料导论Intrroduuctiion to Commpossitee Maaterrialls（讲 稿稿）石南林中国科学学院金属属研究所所20044年2月月目 录第一章 前言言一、 材料的发发展与人人类社会会的进步步二、 复合材料料的提出出三、 复合材料料的发展展历史和和意义四、 课课程的重重点和要要求第二章 复复合材料料概述一、复合合材料的的定义和和特点1、 复合材料料的定义义2、 复合材料料的特点点 3、复复合材料料的基本本结构模模式二、复合合材料的的分类三、复合合材料的的发展历历史四、复合合材料的的基本性性能第三章 复合材料料界面一、 复合材料料的界面面二、 复合材料料的相容容性三、 复合材料料的界面面理论四、 界面结合合强度的的测定1、界面面结合强强度的测测定2、界面面结合强强度的表表征五、界面面残余应应力第四章 复合材料料的复合合理论一、复合合材料的的增强机机制 1、颗颗粒增强强复合材材料的增增强机制制 2、纤纤维（包包括晶须须、短纤纤维）增增强复合合材料的的增强机机制二、复合合材料的的复合法法则 混合合定律1、 混合定律律2、 连续纤维维单向增增强复合合材料（单单向板）3、 短纤维增增强复合合材料第五章 复合材料料力学和和结构设设计基础础一、复合合材料力力学1、 单层复合合材料2、 层合复合合材料二、复合合材料设设计 1、 单向层弹弹性常数数预测公公式2、 正交层的的工程弹弹性常数数预测公公式3、 单向板强强度预测测公式4、 复合材料料的强度度准则5、 平面正交交织物复复合材料料的强度度6、 应力的转转换7、 复合材料料的其它它性能第六章 复合材料料基体一、 聚合物1、 热固性树树脂2、 热塑性树树脂二、 金属1、 用于4550°C以以下的轻轻金属基基体（铝铝、镁及及其合金金）2、 用于45507750°CC复合材材料的金金属基体体（钛及及其合金金）3、 用于7550°C以以上高温温复合材材料的金金属基体体三、 陶瓷1、 氧化物陶陶瓷2、 非氧化物物陶瓷3、 玻璃陶瓷瓷四、碳（石石墨）第七章 复合材料料增强剂剂 一、复合合材料增增强剂的的特点二、纤维维1、 无机纤维维2、 陶瓷纤维维3、 有机纤维维4、 各种纤维维性能的的比较三、晶须须四、颗粒粒第八章 聚合物基基复合材材料（PPMC）一、聚合合物基复复合材料料的分类类二、聚合合物基复复合材料料的性能能三、聚合合物基复复合材料料的制备备工艺四、复合合材料成成型固化化工艺1、 工艺性2、 复合材料料的固化化工艺过过程五、PMMC的界界面1、PMMC的界界面特点点 2、PPMC的的界面表表征 3、PPMC的的界面作作用机理理 4、PPMC的的界面设设计六、纤维维增强聚聚合物复复合材料料的力学学性能1、 静态力学学性能2、 疲劳性能能3、 冲击和韧韧性七、铺层层设计1、层合合板设计计的一般般原则2、等代代设计法法3、层合合板排序序设计法法4、层合合板的层层间问题题八、结构构设计1、 明确设计计条件2、 材料设计计3、 结构设计计第九章 金属基复复合材料料（MMMC）一、金属属基复合合材料概概述1、 金属基复复合材料料的分类类2、 金属基复复合材料料的研究究特点二、金属属基复合合材料的的制备工工艺1、 金属基复复合材料料的制备备工艺概概述2、 先驱（预预制）丝丝（带、板板）的制制备3、 固态法（连连续增强强相金属属基复合合材料的的制备工工艺）4、 液态法（非非连续增增强相金金属基复复合材料料的制备备工艺）5、 粉末冶金金法（非非连续增增强相金金属基复复合材料料的制备备工艺）6、 原位（iin ssituu）生长长（复合合法）三、金属属基复合合材料的的界面和和界面设设计1、 金属基复复合材料料的界面面2、 金属基复复合材料料的界面面结合3、 金属基复复合材料料的界面面残余应应力四、金属属基复合合材料的的的性能能1、 金属基复复合材料料的的一一般性能能特点2、 纤维增强强金属基基复合材材料的的的性能3、 颗粒、晶晶须增强强金属基基复合材材料的的的性能第十章 陶瓷基基复合材材料（CCMC）一、陶瓷瓷基复合合材料概概述二、陶瓷瓷基复合合材料的的制备工工艺1、 粉末冶金金法2、 浆体法3、 反应烧结结法4、 液态浸渍渍法5、 直接氧化化法6、 胶-凝胶胶（Sool-GGel）法法7、 化学气相相浸渍8、 其它方法法三、陶瓷瓷基复合合材料的的界面和和界面设设计1、 界面的粘粘结形式式2、 界面的作作用3、 界面的改改善四、陶瓷瓷基复合合材料的的的性能能1、 室温力学学性能2、 高温力学学性能五、陶瓷瓷基复合合材料的的的增韧韧机制1、 颗粒增韧韧2、 纤维、晶晶须增韧韧第十一章 碳碳复复合材料料（C/C）一、碳碳碳复合材材料概述述二、碳碳碳复合材材料的制制备工艺艺1、 碳碳复合合材料的的预成型型和基体体碳2、 碳碳复合合材料的的制备工工艺三、碳碳碳复合材材料的界界面1、 碳碳复合合材料的的界面和和结构2、 碳碳复合合材料的的显微组组织四、碳碳碳复合材材料的抗抗氧化1、 碳碳复合合材料的的氧化2、 碳碳复合合材料的的氧化保保护原理理3、 碳碳复合合材料的的抗氧化化保护第十二章 水泥复合合材料一、水泥泥 1、 水泥的定定义和分分类2、 水泥的制制造方法法和主要要成分3、 水泥的强强度和硬硬化二、水泥泥复合材材料 1、 混凝土2、 纤维增强强水泥复复合材料料3、 聚合物改改性混凝凝土三、水泥泥复合材材料的成成型工艺艺1、 混凝土的的配合比比设计及及成型工工艺控制制2、 钢筋混凝凝土的成成型工艺艺3、 纤维增强强水泥复复合材料料的成型型工艺4、 聚合物改改性混凝凝土的成成型工艺艺四、（钢钢筋混凝凝土）纤纤维/基基体的界界面第十三章 混杂复合合材料一、 混杂复合合材料概概述二、 混杂复合合材料混混杂方式式1、单向向混杂纤纤维复合合材料2、单向向预浸料料角度铺铺层混杂杂3、混杂杂织物混混杂4、超级级混杂复复合材料料5、 三向编织织物混浊浊6、 复合夹层层结构三、 混杂复合合材料的的几个概概念1、混杂杂效应2、混杂杂复合材材料的界界面和界界面数3、混杂杂比 4、分分数度 5、铺铺层形式式 6、临临界含量量四、 混杂复合合材料的的力学性性能1、弹性性模量2、横向向弹性模模量3、单向向混杂复复合材料料沿纤维维主向的的强度4、纤维维的临界界含量第十四章 纳米及分分子复合合材料一、纳米米粉体的的合成1、 纳米粉体体的物理理制备方方法2、 纳米粉体体的的化化学制备备方法二、先进进纳米增增强剂的的制备1、 碳化硅纳纳米晶须须2、 碳纳米管管3、 纳米碳纤纤维三、陶瓷瓷基纳米米复合材材料的制制备1、 纳米-纳纳米复合合材料2、 纳米-微微米复合合材料四、聚合合物有机机-无机机纳米复复合材料料的制备备方法1、溶胶胶-凝胶胶（Sool-GGel）法法2、层间间插入法法3、共混混法4、原位位聚合法法5、分子子的自组组装和组组装6、辐射射合成法法五、聚合合物有机机-无机机纳米复复合材料料的应用用现状六、应用用前景展展望第十五章 复合材料料的应用用和发展展一、复合合材料的的应用1、聚合合物基复复合材料料的应用用2、金属属基复合合材料的的应用3、 陶瓷基复复合材料料的应用用4、 碳碳复合合材料二、复合合材料的的发展 11、复合合材料的的性能对对比 22、复合合材料的的发展趋趋势第一章前前言一、材料料的发展展与人类类社会的的进步 材料是是人类社社会进步步的物质质基础和和先导，是是人类进进步的里里程碑。综综观人类发展和和材料发发展的历历史，可可以清楚楚地看到到，每一一种重要要材料的的发现和和利用都会把人人类支配配和改造造自然的的能力提提高到一一个新的的水平，给给社会生生产力和和人类生活带带来巨大大的变化化。材料料的发展展与人类类进步和和发展息息息相关关。一万万年前，人类类使用石石头作为为日常生生活工具具，人类类进入了了旧石器器时代，人人类战争争也进入了冷冷兵器时时代。770000年前人人类在烧烧制陶器器的同时时创造了了炼铜技技术，青青铜制品广泛泛地得到到应用，同同时又促促进了人人类社会会发展，人人类进入入了青铜铜器时代。同时时火药的的发明又又使人类类战争进进入了杀杀伤力更更强的热热兵器时时代。550000年前人类开开始使用用铁，随随着炼铁铁技术的的发展，人人类又发发明了炼炼钢技术术。十九九世纪中期转转炉、平平炉炼钢钢的发展展使得世世界钢产产量迅猛猛增加，大大大促进进了机械械、铁路交通通的发展展。随着着二十世世纪中期期合金钢钢的大量量使用，人人类又进进入钢铁铁时代，钢铁铁在人类类活动中中起着举举足轻重重的作用用。核材材料的发发现，又又将人类类引入了可以毁毁灭自己己的核军军备竞赛赛，同时时核材料料的和平平利用，又又给人类类带来了了光明。二十十世纪中中后期以以来，高高分子、陶陶瓷材料料崛起以以及复合合材料的的发展，又又给人类带带来了新新的材料料和技术术革命，楼楼房可以以越盖越越高、飞飞机越飞飞越快，同同时人类进进入太空空的梦想想成为了了现实。 当前前材料、能能源、信息是现现代科技技的三大大支柱，它它会将人人类物质质文明推推向新的阶阶段。二二十一世世纪将是是一个新新材料时时代。二、复合合材料的的提出现代高科科技的发发展更紧紧密地依依赖于新新材料的的发展；同时也也对材料料提出了更高、更更苛刻的的要求。在现代高技术迅猛发展的今天，特别是航空、航天和海洋开发发领域的的发展，使使材料的的使用环环境更加加恶劣，因因而对材材料提出出了越来来越苛刻的要求求。例如如，航天天飞机等等空间飞飞行器在在飞行过过程中要要受到大大气阻力力、地球球引力、太阳阳辐射力力、空间间热环境境、太阳阳风、宇宇宙射线线、宇宙宙尘埃、流流星、磁磁矩等的的作用。飞飞行器发发动机还还要受到到其热环环境、内内流形成成的气动动力、结结构振动动、机件件高速转动、液液体晃动动、振荡荡燃烧和和POGGO振动动等非正正常破坏坏力的作作用。同同时由于于飞行范围（M数、飞行高度）的扩大、发动机的推力、比推力及推 / 重比大大提高，导致致了发动动机压力力比、涵涵道比、进进口温度度、燃烧烧室温度度、TIIT、转转子转速速等也日益提提高。由由此构成成的力、热热、化学学和物理理等效应应的作用用，最终终都要集集中到构构成飞行器器和发动动机结构构的材料料上去，因因此对材材料的质质轻、高高强、高高韧、耐耐热、抗抗疲劳、抗抗氧化及及抗腐蚀蚀等特性性也日益益提出了了更加苛苛刻的要要求。 又如如现代武武器系统统的发展展对新材材料提出出了如下下要求： 11、高比比强、高高比模； 22、耐高高温、抗抗氧化； 33、防热热、隔热热； 44、吸波波、隐身身； 55、全天天候； 66、高抗抗破甲、抗抗穿甲性性； 77、减振振、降噪噪，稳定定、隐蔽蔽、高精精度和命命中率； 88、抗激激光、抗抗定向武武器； 99、多功功能； 110、高高可靠性性和低成成本。很明显，传传统的单单一材料料无法满满足以上上综合要要求，当当前作为为单一的的金属、陶瓷瓷、聚合合物等材材料虽然然仍在不不断日新新月异地地发展，但但是以上上这些材材料由于于其各自自固有的的局限性性而不能能满足现现代科学学技术发发展的需需要。例例如，金金属材料料的强度度、模量量和高温温性能等等已几乎乎开发到到了极限限；陶瓷瓷的脆性性、有机机高分子子材料的的低模量量、低熔熔点等固固有的缺缺点极大大地限制制了其应应用。这这些都促促使人们们研究开开发并按按预定性性能设计计新型材材料。复合材料料，特别别是先进进复合材材料就是是为了满满足以上上高技术术发展的的需求而而开发的的高性能能的先进进材料。它它由两种种或两种种以上性性质不同同的材料料组合而而成，各各组分之之间性能能“取长补补短”，起到到“协同作作用”，可以以得到单单一材料料无法比比拟的优优秀的综综合性能能，极大大地满足足了人类类发展对对新材料料的需求求。因此此，复合合材料是是应现代代科学技技术而发发展出来来的具有有极大生生命力的的材料。现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破。三、复合合材料的的发展历历史和意意义：实际上，在在自然界界就存在在着许多多天然的的复合物物。例如如天然的的许多植植物竹子子、树木木等就是是自生长长长纤维维增强复复合材料料；人类类肌肉 / 骨骨骼结构构也是复复合材料料结构原原理。我我们的祖祖先也早早就创造造和使用用了复合合材料。 6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑材料砌建房屋墙壁，迄今在某些贫穷农村仍然沿用着这种原始的非连续纤维增强复合材料。在现代，复合材料的应用更比目皆是，与日常生活和国民经济密不可分。如由沙石、钢筋和水泥构成的水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用；玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）更是一种广泛应用的较现代化复合材料。现代高科科技的发发展更是是离不开开复合材材料。例例如就航航天、航航空飞行行器减轻轻结构重量这这点而言言，喷气气发动机机结构重重量减11Kg ，飞机机结构可可减重44 Kgg ，升升限可提提高100米；一一枚小性性洲际导导弹第三三级结构构重量减减轻1KKg ，整整个运载载火箭的的起飞重重量就可可减轻550 KKg ，地地面设备备的结构构重量就就可减轻轻1000Kg ，在有有效载荷荷不变的的条件下下，可增增加射程程15 220 KKm ；而航天天飞机的的重量每每减轻11Kg ，其发发射成本本费用就就可以减减少1550000美元 (图1、图图2)。因因此，现现代航空空、航天天领域对对飞行器器结构的的减重要要求已经经不是“斤斤计计较”，而是是“克克计计较”。图1 火箭箭壳体材材料对射射程的影影响先进复合合材料具具有高比比强度、高高比模量量的优点点，可以以显著减减轻结构构重量，是是理想的的现代飞飞行器结结构材料料。先进进复合材材料的使使用，不不仅极大大地提高高了现代代飞行器器的性能能，使得得人类飞飞天、登登月的梦梦想变成成现实，同同时也创创造了巨巨大的经经济效益益。先进进复合材材料结构构在新型型卫星结结构中已已占了885%以以上，在在现代高高科技领领域具有有广泛的的应用前前景（图图3）。综上所述述，复合合材料对对现代科科学技术术的发展展有着十十分重要要的作用用。复合合材料的的研究深深度和应应用广度度及其生生产发展展的速度度和规模模已成为为衡量一一个国家家科学技技术先进进水平的的重要标标志之一一。复合合材料是是现代科科学技术术不断进进步的结结果，是是材料设设计的一一个突破破；复合合材料的的发展同同时又进进一步推推动了现现代科学学技术的的不断步步。可以以预料，随随着高性性能树脂脂先进复复合材料料的不断断成熟和和发展、金金属基、特特别是金金属间化化合物基基复合材材料和陶陶瓷基复复合材料料的实用用化、以以及微观观尺度的的纳米复复合材料料和分子子复合材材料的发发展，复复合材料料在人类类生活中中的重要要性将越越来越显显著。同同时，随随着科学学技术的的发展，现现代复合合材料也也将赋予予新的内内容和使使命。221世纪纪将是复复合材料料的新时时代。图4四、课程程的重点点和要求求本课程为为先进复复合材料料专业研研究生的的专业基基础课。该该课程的的学习重重点是使使学生能能够较全全面和系系统地理理解复合合材料及及其力学学的重要要基本概概念和理理论，各各类复合合材料的的性能、成成型工艺艺、界面面特征和和结构设设计以及及复合材材料，特特别是先先进复合合材料的的发展趋趋势，同同时具有有初步的的复合材材料设计计能力。为为学生今今后在复复合材料料领域的的深造和和专门研研究奠定定较坚实实的基础础。第二章复复合材料料概述一、复合合材料的的定义和和特点：1、复合合材料的的定义： 国际际标准化化组织（ISO）将复合材料定义为是：两种或两种以上物理和化学性质不同同的物质质组合而而成的一一种多相相固体材材料。 FF.L.Matttheews 和 RR.D.Rawwlinngs 认为复复合材料料是两个个或两个个以上组组元或相相组成的混合合物，并并应满足足下面三三个条件件： （1）组组元含量量大于 5 %； （2）复复合材料料的性能能显著不不同于各各组元的的性能； （3）通通过各种种方法混混合而成成。 在在“材料科科学技术术百科全全书”和“材料大大辞典”中将复复合材料料定义如如下：复合材料料是由有有机高分分子、无无机非金金属或金金属等几几类不同同材料通通过复合合工艺组合而而成的新新型材料料。它与与一般材材料的简简单混合合有本质质区别，既既保留原原组成材材料的重重要特色色，又通通过复合合效应获获得原组组分所不不具备的的性能。可可以通过过材料设设计使原原组分的的性能相相互补充充并彼此此关联，从从而获得得更优越越的性能能。 复合材材料将由由宏观复复合形式式向微观观（细观观）复合合形式发发展，包包括原位位生长复复合材料、纳纳米复合合材料和和分子复复合材料料等。 综上所所述，复复合材料料定义所所阐述的的主要有有两点，即即组成规规律和性性能特征征。2、复合合材料的的特点：1） 由两种或或多种不不同性能能的组分分通过宏宏观或微微观复合合在一起起的新型型材料，组分之间间存在着着明显的的界面。2） 各组分保保持各自自固有特特性的同同时可最最大限度度地发挥挥各种组组分的优优点，赋赋予单一材材料所不不具备的的优良特特殊性能能。3）复合合材料具具有可设设计性。3、复合合材料的的基本结结构模式式 复合材材料由基基体和增强剂剂两个组组分构成成：复合材料料结构通通常一个个相为连连续相，称称为基体体；而另另一相是是一以独独立的形形态分布布在整个个基体中中的分散散相，这这种分散散相的性性能优越越，会使使材料的的性能显显著改善善和和增增强，称称为增强强剂（增增强相、增增强体）。 增增强剂（相相）一般般较基体体硬，强强度、模模量较基基体大，或或具有其其它特性性。 增增强剂（相相）可以以是纤维维状、颗颗粒状或或弥散状状。 增增强剂（相相）与基基体之间间存在着着明显界界面。二、复合合材料的的分类 普通通复合材材料 按按性能分分类： 先进进复合材材料 热固固性 聚聚合物复复合材料料 热热塑性 金金属基复复合材料料 按按基体分分类 陶瓷基基复合材材料碳碳复复合材料料 水泥泥基复合合材料 结结构复合合材料 按按用途分分类 功能复复合材料料 智智能复合合材料 按增增强剂分分类 颗粒粒增强复复合材料料 晶须须增强复复合材料料 短纤纤维增强强复合材材料 连续续纤维增增强复合合材料 混杂杂纤维增增强复合合材料 三向向编织复复合材料料普通复合合材料：普通玻玻璃、合合成或天天然纤维维增强普普通聚合合物复合合材料，如如玻璃钢钢、钢筋筋混凝土土等。先进复合合材料（Advvancced Commpossitee，Higgh PPerfformmancce Commpossitee）：高性能增增强剂（碳碳、硼、Kevlar、氧化铝、SiC纤维及晶须等）增强高温聚合物、金金属、陶陶瓷和碳碳（石墨墨）等复复合材料料。一般来讲讲，先进进复合材材料的比比强度和和比刚度度应分别别达到4400MMPa / (g / cmm3) 和40GPPa / (gg / cm33) 以上上。结构复合合材料：用作承承力和次次承力结结构。要要求具有有质量轻轻、高强强度、高高刚度、耐高高温以及及其它性性能。功能复合合材料：电、热热、声、摩摩擦、阻阻尼等。包包括机敏敏和智能能复合材材料。混杂复合合材料：两种或或两种以以上增强强体构成成的复合合材料。通通过产生生混杂效效应改善性能能和降低低成本。结构 / 功能能一体化化复合材材料：在保持持材料基基本力学学性能的的前提下下，具有有特定功能特性性，如光光、电、磁磁、摩擦擦、阻尼尼等。四、 复合材料料的基本本性能（优优点）：1、高比比强度、高高比模量量（刚度度）：图2-11 典型型金属基基体复合合材料与与基体材材料合金金性能的的比较与传统的的单一材材料相比比，复合合材料具具有很高高的比强强度和比比模量（刚刚度）：比强度、比比模量：材料的的强度或或模量与与其密度度之比。 比强度度 = 强度度/密度 MMPa /（g/ccm3）, 比模量量 = 模量量/密度 GGPa /（g/ccm3）。材料的比比强度愈愈高，制制作同一一零件则则自重愈愈小；材材料的比比模量愈愈高，零零件的刚刚度愈大大。2、良好好的高温温性能：图 2 2 不同SSiC纤纤维复合合材料的的使用温温度范围围复合材料料可以在在广泛的的温度范范围内使使用，同同时其使使用温度度均高于于复合材材料基体。目前前聚合物物基复合合材料的的最高耐耐温上限限为3550 °CC；金属属基复合合材料按按不同的的基体性能能，其使使用温度度在3550 ® 11000 °CC范围内内变动；陶瓷基基复合材材料的使使用温度可达114000°C；而碳碳碳复合合材料的的使用温温度最高高，可高高达28800°CC。3、良好好的尺寸寸稳定性性： 加入增增强体到到基体材材料中不不仅可以以提高材材料的强强度和刚刚度，而而且可以以使其热热膨胀系数数明显下下降。通通过改变变复合材材料中增增强体的的含量，可可以调整整复合材材料的热热膨胀系数数。例如如在石墨墨纤维增增强镁基基复合材材料中，当当石墨纤纤维的含含量达到到48%时，复合合材料的的热膨胀胀系数为为零，即即在温度度变化时时其制品品不发生生热变形形。这对对人造卫星构构件非常常重要。 图2-33 不同材材料的尺尺寸稳定定性和比比模量4、良好好的化学学稳定性性：聚合物基基复合材材料和陶陶瓷基复复合材料料具有良良好的抗抗腐蚀性性。5、良好好的抗疲疲劳、蠕蠕变、冲冲击和断断裂韧性性： 由于增增强体的的加入，复复合材料料的抗疲疲劳、蠕蠕变、冲冲击和断断裂韧性性等性能能得到提高，特特别是陶陶瓷基复复合材料料的脆性性得到明明显改善善6、良好好的功能能性能：包括光光、电、磁磁、热、烧烧蚀、摩摩擦及润润滑等性性能。第三章 复合材料料界面一、复合合材料界界面（IInteerfaace or Intterpphasse） 复合材材料的界界面是指指基体与与增强相相之间化化学成分分有显著著变化的的、构成成彼此结结合的、能能起载荷荷传递作作用的微微小区域域。 复合材材料的界界面是一一个多层层结构的的过渡区区域，约约几个纳纳米到几几个微米米（图33-1、图33-2）。此此区域的的结构与与性质都都不同于于两相中中的任何何一相。这这一界面面区由五五个亚层组组成，每每一亚层层的性能能都与基基体和增增强相的的性质、复复合材料料成型方方法有关。 1、外外力场2、基体体 3、基基体表面面区 4、相互互渗透区区5、增强强剂表面面区 6、增增强剂 图33 1 复合材材料的界界面示意意图图3 2 SCSS6/225All-100Nb-3V-1Moo复合材材料界面面透射电电镜照片片及示意意图界面是复复合材料料的特征征，可将将界面的的机能归归纳为以以下几种种效应：（1）传传递效应应：界面面可将复复合材料料体系中中基体承承受的外外力传递递给增强强相，起起到基体体和增强强相之间间的桥梁梁作用。（2）阻阻断效应应：基体体和增强强相之间间结合力力适当的的界面有有阻止裂裂纹扩展展、减缓缓应力集集中的作作用。（3）不不连续效效应：在在界面上上产生物物理性能能的不连连续性和和界面摩摩擦出现现的现象象，如抗抗电性、电电感应性性、磁性性、耐热热性和磁磁场尺寸寸稳定性性等。（4）散散射和吸吸收效应应：光波波、声波波、热弹弹性波、冲冲击波等等在界面面产生散散射和吸吸收，如如透光性性、隔热热性、隔隔音性、耐耐机械冲冲击性等等。（5）诱诱导效应应：一种种物质（通通常是增增强剂）的的表面结结构使另另一种（通通常是聚聚合物基基体）与与之接触触的物质质的结构构由于诱诱导作用用而发生生改变，由由此产生生一些现现象，如如强弹性性、低膨膨胀性、耐耐热性和和冲击性性等。界面效应应是任何何一种单单一材料料所没有有的特性性，它对对复合材材料具有有重要的的作用。界界面效应应既与界界面结合合状态、形形态和物物理-化学性性质有关关，也与与复合材材料各组组分的浸浸润性、相相容性、扩扩散性等等密切相相关。界面的结结合状态态和强度度对复合合材料的的性能有有重要影影响。对对于每一一种复合合材料都都要求有有合适的的界面结结合强度度。许多多因素影影响着界界面结合合强度，如如表面几几何形状状、分布布状况、纹纹理结构构、表面面杂质、吸吸附气体体程度、吸吸水情况况、表面面形态、在在界面的的溶解、扩扩散和化化学反应应、表面面层的力力学特性性、润湿湿速度等等。界面结合合较差的的复合材材料大多多呈剪切切破坏，且且在材料料的断面面可观察察到脱粘粘、纤维维拔出、纤纤维应力力松弛等等现象。界界面结合合过强的的复合材材料则呈呈脆性断断裂，也也降低了了复合材材料的整整体性能能。界面面最佳态态的衡量量是当受受力发生生开裂时时，裂纹纹能转化化为区域域化而不不进一步步界面脱脱粘；即即这时的的复合材材料具有有最大断断裂能和和一定的的韧性。因因此，在在研究和和设计界界面时，不不应只追追求界面面结合而而应考虑虑到最优优化和最最佳综合合性能。二、复合合材料组组分的相相容性物理相容容性：是指基体体应具有有足够的的韧性和和强度，能能够将外外部载荷荷均匀地地传递到到增强剂剂上，而不不会有明明显的不不连续现现象。另另外，由由于裂纹纹或位错错移动，在在基体上上产生的的局部应应力不应应在增强强剂上形形成高的的局部应应力。另另一个重重要的物物理关系系是热膨膨胀系数数。基体体与增强强相热膨膨胀系数数的差异异对复合合材料的的界面结结合产生生重要的的影响，从从而影响响材料的的各类性性能。例例如对于于韧性基基体材料料，最好好具有较较高的热热膨胀系系数。这这是因为为热膨胀胀系数较较高的相相从较高高的加工工温度冷冷却是将将受到张张应力；对于脆脆性材料料的增强强相，一一般都是是抗压强强度大于于抗拉强强度，处处于压缩缩状态比比较有利利。而对对于像钛钛这类高高屈服强强度的基基体，一一般却要要求避免免高的残残余热应应力，因因此热膨膨胀系数数不应相相差太大大。化学相容容性：化学相容容性是一一个复杂杂的问题题。对原原生复合合材料，在在制造过过程是热热力学平平衡的，其其两相化化学势相相等，比比表面能能效应也也最小。对对非平衡衡态复合合材料，化化学相容容性要严严重得多多。纤维维和基体体间的直直接反应应则是更更重要的的相容性性问题。但但对高温温复合材材料来说说，以下下因素与与复合材材料化学学相容性性有关的的问题则则十分重重要：1） 相反应的的自由能能D F：代代表该反反应的驱驱动力。设设计复合合材料时时，应确确定所选体系系可能发发生反应应的自由由能的变变化。2）化学学势U：各组组分的化化学势不不等，常常会导致致界面的的不稳定定。 3）表表面能TT：各组组分的表表面能可可能很高高，导致致界面的的不稳定定。 4）晶晶界扩散散系数DD：由晶晶界或表表面扩散散系数控控制的二二次扩散散效应常常使复合合体系中中组分相相的关系系发生很很大变化化。三、复合合材料的的界面理理论1、 界面润湿湿理论界面润湿湿理论是是基于液液态树脂脂对纤维维表面的的浸润亲亲和，即即物理和和化学吸吸附作用用。液态态树脂对对纤维表表面的良良好浸润润是十分分重要的的。浸润润不良会会在界面面上产生生空隙，导导致界面面缺陷和和应力集集中，使使界面强强度下降降。良好好的或完完全浸润润将使界界面强度度大大提提高，甚甚至优于于基体本本身的内内聚强度度。从热力学学观点来来考虑两两个结合合面与其其表面能能的关系系，一般般用表面面张力来来表征。表表面张力力即为温温度和体体积不变变的情况况下，自自由能随随表面积积增加的的增量。g = （¶F / ¶A）TV此处 g为为表面张张力；FF为自由由能； A为面面积；TT和V分别为为温度和和体积。 当当两个结结合面结结合了，则则体系中中由于减减少了两两个表面面和增加加了一个个界面使使自由能能降低了了。体系系由于两两个表面面结合而而导致自自由能的的下降定定义为粘粘合功。 WAA = gS + gL - gSLL 式中S、L和SL 下标分分别代表表固体、液液体和固固液体。如如图2-3所示示，q角为为接触角。接触触角表示示了液体体润湿固固体的情情况。图 3 3 液滴滴在固体体表面的的不同润润湿情况况当q> 990°，液体不不润湿固固体；q=1800°, 固体表表面完全全不能被被液体润润湿；当q< 990°，液体体润湿固固体；q = 00°，液体完完全平铺铺在固体体表面。接接触角随随温度、保保持时间间、吸附附气体等等而变化化。根据力的的合成 gL coos q = gSS - gSLL，粘合功可可表示为为： WWA = gS + gL - gSLL=gL（1+ coss q）。粘合功WWA最大时时，coosq =1，即即q= 00，液体体完全平平铺在固固体表面面。同时时g = gS LL,gS = gL。 热热力学说说明两个个表面结结合的内内在因素素，表示示结合的的可能性性；动力力学反映映实际产产生界面面结合的的外界条条件，如如温度、压压力等的的影响，表表示结合合过程的的速度问问题。产产生良好好结合的的条件如如下：1) 液体粘度度尽量低低；2）gS略略大于gLL，即 gtL =j2g， 0.88<j< 1 , j：效率因因子，液液体在固固体上扩展展的条件件，它与与温度等等活化过过程有关关。 浸润润性仅仅仅表示了了液体与与固体发发生接触触时的情情况，而而并不能能表示界界面的粘粘结性能。一一种体系系的两个个组元可可能有极极好的浸浸润性，但但它们之之间的结结合可能能很弱，如范德华华物理键键合。因因此润湿湿是组分分良好粘粘结的必必要条件件，并非非充分条条件。2、机械械作用理理论： 当两个个表面相相互接触触后，由由于表面面粗糙不不平将发发生机械械互锁（图 3 4）。 图 33 4 表面机机械互锁锁结合示示意图 另一一方面，尽尽管表面面积随着着粗糙度度增大而而增大，但但其中有有相当多多的孔穴穴，粘稠的液液体是无无法流入入的。如如经验公公式：ZZ2 =KKgcoss qt/， 表表明流入入量Z是是与液体表表面张力力、接触触角、时时间和孔孔径成正正比，与与粘度成成反比。无无法流入入液体的的孔不仅造造成界面面脱粘的的缺陷，而而且也形形成了应应力集中中点。3、静电电理论： 当复合合材料不不同组分分表面带带有异性性电荷时时，将发发生静电电吸引。仅仅在原子子尺度量级内静静电作用用力才有有效（图图 3 5）。图 3 5 表表面静电电吸引结结合示意意图4、化学学键理论论： 在在复合材材料组分分之间发发生化学学作用，在在界面上上形成共共价键结结合（图图3 6）。在理论上上可获得得最强的的界面粘粘结能（210 - 220 J / mol）。图3 6 表面结结合化学学键示意意图5、界面面反应或或界面扩扩散理论论 在复合合材料组组分之间间发生原原子或分