协调、匹配或发生化学反应。
① 物理相容性 包括润湿性、热膨胀匹配和组分间元
素的相互溶解
② 化学相容性 组分间是否发生化学反应、反应快慢
➢ 良好的化学相容性是指在高温时两组分之间处于 热力学平衡且反应动力学 十分缓慢。
4.2.3 界面结合机制
• 界面结合机制一般可分为三种：机械结合、润 湿与溶解结合、反映结合。
界面的构成
1 外力场
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
4.1.2 润湿与结合
• 润湿是用来描述液体在固体表面上自动铺展程度。
它是决定液相法制备复合材料中基体与增强体结 合状况和性能的重要因素。
900
950
1000
1100 1150℃
测量润湿性的液滴模型
1. 机械结合 M和R之间仅仅依靠粗糙表面相互嵌 入形成相互锁合。
➢ 影响因素：R表面粗糙度、 和基体的收缩 例如：Bf/Al、CMC。对Wf/Al，
W表面涂石墨，达到理论强度的90%
2. 润湿与溶解结合 在制备过程中，M变成液态， 与R发生润湿，然后相互溶解形成的结合方式。
➢ 润湿是主要的，溶解是次要的。
结合适中
612 有的纤维拔出，有一定长度，；铝基 体发生颈缩，可观察到劈裂状
结合稍强
470 出现不规则断面，可观察到很短的拔 出纤维
结合过强 224 典型的脆性断裂，断口平齐
实际界面的复杂性与界面设计
① ②
Wf/Cu Wf/Cu
W丝周围未发现有Cu溶解或反应 (Cr,Nb) 合金元素(Cr,Nb)向W丝扩散，I型
（1）传递效应
基体与增强相之间某种材料
（2）阻断效应
特性出现的不连续区域
（3）不连续效应
（4）散射和吸收效应
（5）诱导效应
阻止裂纹的扩展
不连续效应
Matrix
电阻R1
Interface
电Ma阻triRx 2
Reinforcement
电阻R1
元素的浓度、晶体结构、E、 ρ、α
散射和吸收效应
光波、声波、热弹性波、冲击波等
γL
θ
γS
γSL
液体浸润角θ的大小，与固体表面张力γS、液体表面张力γL、 固液界面张力γSL有关，它们与浸润角之间存在如下关系：
γLCOSθ ＝ γS- γSL 液体对固体的浸润能力，可用浸润角来表示： 当θ≤900时，称为浸润； 当θ≥ 900时，称为不浸润； 当θ＝00或1800时，则称为完全浸润和完全不浸润。
➢ 影响润湿角θ大小的因素：
① 温度，T↑θ↑
② 固体表面的原始状态，吸附气体、氧化膜等使θ 增大，固体表面粗糙使θ减小
③ 液相中的夹杂或者相与相之间反应造成的产物
➢ 润湿性与结合的关系：
良好的结合意味着相邻两相沿界面形成均匀的 原子或者分子水平的接触，结合强度从弱的范 德华力到强的共价键力。
➢ 润湿性在复合材料制备中的作用（液相法）
润湿性好将促进结合，反映复合材料成型性好， 而且界面结合强度一般较高。
↑↑ ↑ （a）
（b） 润湿（a）与不润湿（b）下液态金属
对增强体表面的接触情况气孔形成
4.2 复合材料的界面
4.2.1 界面形貌
• 复合材料中界面是制备过程中形成的。一般是粗 糙界面而不是平直界面。
• 基体与增强相的接触情况取决于制备过程中液态 基体对增强体的润湿程度。
粗糙界面 平直界面
➢ 改善途径
① 纤维表面处理 清除表面杂质、吸附气、氧化 r
膜等
② 改变基体成分 对于DRMMC，用合金化来改 m
善润湿性最方便、有效。
③ 提高温度
T
④ 增大压力
P
⑤ 改变气氛
4.2.2 界面相容性 compatibility
• 相容性是指两个相互接触的组分是否相互容纳。 • 对复合材料而言，指增强体与基体之间是否彼此
类型Ⅲ
增强体与基体 反应形成界面反应层
钨丝/ 铜 Al2O3纤维 / 铜 硼纤维（表面涂BN）/ 铝 不锈钢丝/ 铝 SiC纤维（CVD）/ 铝 硼纤维 / 铝 硼纤维 / 镁
固相 法
镀铬的钨丝/ 铜 碳纤维 / 镍 钨丝/ 镍
合金共晶体丝/ 同一合金
钨丝/铜-钛合金
碳纤维/ 铝（＞580℃）
Al2O3纤维/ 钛 硼纤维/ 钛
4.3 金属基复合材料的界面
金属基复合材料由于基体与增强体复合的 温度较高，基体与增强物易发生相互作用 而生成化合物，而基体与增强物互相扩散 而形成扩散层，增强物的表面预处理涂层， 使界面的形状、尺寸、成分、结构等变得 非常复杂。
4.3.1 界面类型
类型Ⅰ
增强体与基体
不反应、不溶解
类型Ⅱ
增强体与基体 不反应、溶解
W丝结构未发生明显变化，对性能影响不大 III型型
2. 反应结合 在制备过程中，M--R发生化学反应 而形成的结合方式。
➢ 对PMC，这是最重要、最复杂的结合方式。
反应结合受扩散控制，要实现良好 反映结合，必须选择最佳制造工艺 （T、P、t、气氛等） ➢ 例如：GRP中偶联剂的使用 偶联剂R—SiX3
一． 有机硅烷水解，生成三元羟基硅醇
二． 玻璃纤维表面吸附水，生成羟基基团 三． 硅醇与吸附水的玻璃纤维表面反应 四． 分为三步： ① 生成氢键 ② 水分蒸发，硅醇间进行醚化反应 ③ 高温干燥，硅醇与玻璃间发生醚化反应
界面结合状态对金属基复合材料强度的影响 界面结
合强度过高或过低对复合材料的强度都不利，适当 的界面结合强度才能保证复合材料具有最佳的抗张 强度。就改善复合材料的疲劳性能而言，界面强度
稍强一些为好。表 碳纤维增强铝的抗张强度和断口形貌
界面结合 抗张强度，
状态
MPa
断口形貌
结合不良 206 纤维大量拔出，长度很长，呈刷子状
硼纤维/ 钛-铝 SiC纤维/ 钛 SiO2纤维/ 铝
例如 Bf/Ti的界面反应是由硼纤维的硼原子向基体扩散，在 硼纤维外层形成一层白色的反应产物TiB2。由于硼原子向 外扩散，在纤维的表层留下孔洞，孔洞面积可达10%以上 ，这会对硼纤维的强度产生极不利影响。
反应物裂纹产生的应力集中使纤维断裂
应力强度因子 KI Y a
第四章 复合材料的界面
复合材料的组成
基体Байду номын сангаас
Matrix
增强体
Reinforcement
界面 Interface
4.1 复合材料界面中的基本概念
4.1.1 界面的概念
• 复合材料界面是指基体与增强相之间化学成分有 显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递的
微小区域，约几个纳米到几个微米。
• 界面的几种效应