高分子基复合材料4

高分子基复合材料

聚合物基复合材料( PMC)的组成(1) 基体 热固性基体(thermosetting matrix): i) 熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好 ii) 交联固化后成网状结构，尺寸稳定性好耐热性好，但性脆

iii) 制备过程伴有复杂化学反应热塑性基体(thermoplastic matrix): i) 熔体粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和压力下成 型，工艺性差 ii) 线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好

iii) 制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象

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(2) 增强体主要有碳纤、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维等 由于树脂基体与增强体相容性、浸润性较差， 增强体多经过表面处理与表面改性，以及浸润剂、 偶联剂和涂复层的使用，使其组成复杂化。

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复合材料的结构(structure of composites)① 无规分散(弥散)增强结构 (含颗粒、晶须、

短纤维)(randomly oriented) ② 连续长纤维单向增强结构(单向板)(aligned) ③ 层合(板)结构(二维织布或连续纤维铺层，每层 不同)(laminate) ④ 三维编织体增强结构(braided fabric or filament winding) ⑤ 夹 层 结 构 ( 蜂 窝 夹 层 等 ) (sandwich constructure) ⑥ 混杂结构(hybrid constructure)

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引入相的“连通性”概念，理论上可将复合材料结构划分 为 0-3型、1-3型2-2型、2-3型、3-3型等几种典型结构

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三维编织纤维结构

三维正交非织造的纤维结构(a)非线性法平面增强 (b) 一种开式格状结构 (c)一种柔性结构

管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型

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各种玻 璃夹层 结构

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单向及准各向同性板的铺层结构

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混杂复 合材料 的混杂 类型

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复合材料的界面(interface of composites)1. 基本概念和界面现象 基本概念：相、界面、表面、界面相(层)、表面张力、界面能 接触角、粘附功 界面现象：① 表面吸附作用与浸润 ② 扩散与粘结(含界面互穿网络结构) ③ 界面上分子间相互作用力(范氏力和化学键合力)

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2. 复合材料的界面形成过程PMC 、 MMC 、 CMC 、 C/C 等复合材料体系对界面要求各 不相同，它们的成型加工方法与工艺差别很大，各有特点， 使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为三个阶段。 (1)第一阶段：增强体表面预处理或改性阶段。 i) 界面设计与控制的重要手段 ii) 改性层成为最终界面层的重要组成部分 iii) 为第二阶段作准备 (2)第二阶段：增强体与基体在一组份为液态(或粘流态) 时的接触与浸润过程 i) 接触—吸附与浸润—交互扩散—化学结合或 物理结合。化学结合可看作是一种特殊的浸 润过程 ii) 界面形成与发展的关键阶段

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(3)第三阶段：液态(或粘流态)组分的固化过程，即凝固或化学反应 i) 界面的固定(亚稳态、

非平衡态) ii) 界面的稳定(稳态、平衡态) 在复合材料界面形成过程中涉及：

i) 界面间的相互臵换：如，润湿过程是一个固液界面臵换固-气表面的过程 i i) 界面间的相互转化：如，固化过程是固-液 界面向固-固界面转化的过程 后处理过程：固-固界面自身完善与平衡的过程

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PMC界面区域(interface zone of PMC)示意图 1-外力场； 2-树脂基体；

3-基体表面区；4-相互渗透区； 5-增强剂表面区； 6-增强剂

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3. 复合材料界面结构与性能特点 i) 非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、 形式多样。界面区至少包括：基体表面层、增强体表

面层、基体/增强体界面层三个部分ii ) 具有一定厚度的界面相(层),其组成、结构、 性能随厚度方向变化而变化，具有“梯度”材料的性能

特征iii) 界面的比表面积或界面相的体积分数很大(尤其是 纳米复合材料)界面效应显著：复合材料复合效应

产生的根源iv) 界面缺陷形式多样(包括残余应力)(residual stress), 对复合材料性能影响十分敏感

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4. 界面上力的传递与残余应力

有一定结合强 度 的 界 面 (层),可在 基体与增强体 之间进行

a. 力的转递 b. 力的分配 c. 基体或增强 体破坏过程中的 应力再分配

组合力学性能

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在复合材料未受外力时，界面上仍存在应力或应力分布， 这就是“残余应力”。残余应力来源：

① 增强相与基体相热膨胀系数的不匹配② 相与相之间的弹性系数不匹配，相内的应力分布不均 ③ 成型过程中，由高温-室温、由化学和物理变化引起的各

组元体积收缩的不同，如：基体固化、聚集态转变、晶相转变等 ④ 层合板中，由铺层方向不同所带来的层间残余应力(层 合板的翘曲) ⑤ 流变过程中，组元间的塑性变形差异引起的流变残余应 力

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5. 复合材料界面破坏机制(interface failure of composites) (1)破坏的来源基体内、增 强体内和层 面 层 上 均 存 在力场或外界环 微裂纹和缺陷按本身的 规律发展，并消散能量 在 微 裂 纹 、 境(如介质、水) 气孔、内应 力

(2)破坏形式i) 基体断裂 ii) 纤维断裂 5种基本破坏形 iii) 纤维脱粘 式 iv) 纤 维 拔 出 ( 摩 ——————— 擦功) → v) 裂纹扩展与偏 转 5种形式 ———— → 综合体现

复合材料的 破坏与失效

复合材料的破坏机制则是上述 5 种基本破坏形式的组合与综合 体现的结果。

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6. 复合材料的界面理论(The Interface Theories) (1)界面设计与控制的概念(design and control of interlayer) 界面具有双重功能 ① 传递应力，需要一定界面结合强度，但不是愈高愈好 ② 界面破坏。界面结合适度，界面破坏形式愈丰富，能量 耗散愈多。高的界面

粘接强度，不一定带来材料整体的高强度 和高韧性。 在脆性纤维 - 脆性基体复合体系中，强的界面结合往往导 致各组元相中及相间的应力集中和脆性断裂、破坏形式单一， 不涉及界面破坏，其能量耗散仅限于产生新的断裂表面。材料 易突然失效或发生灾难性破坏。弱的界面结合强度有时能带来 材料整体高的力学强度和韧性。弱的界面结合可以发生多种界 面破坏形式(如纤维拔出、脱粘、应力再分配等),从而消耗 大量的外界功，提高材料的强度和韧性，避免脆性断裂或灾难 性破坏。