标题：复合材料界面
简介
复合材料界面是指复合材料的基体与增强材料之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷等传递作用的微小区域。目前的研究尚处于半定量和半经验的水平上。 最早复合材料界面曾被想像成是一层没有厚度的面(或称单分子层的面)。而事实上复合材料界面是一层具有一定厚度(纳米以上)、结构随基体和增强体而异、与基体有明显差别的新相——界面相(或称界面层)。因为增强体和基体互相接触时， 在一定条件的影响下，可能发生化学反应或物理化学作用，如两相间元素的互相扩散、溶解，从而产生不同于原来两相的新相；即使不发生反应、扩散、溶解，也会由于基体的固化、凝固所产生的内应力，或者由于组织结构的诱导效应，导致接近增强体的基体发生结构上的变化或堆砌密度上的变化，从而导致这个局部基体的性能不同于基体的本体性能，形成界面相。界面相也包括在增强体表面上预先涂覆的表面处理剂层和增强体经表面处理工艺而发生反应的表面层。因此，必须建立复合材料界面存在独立相的新概念。复合材料界面相的结构与性能对复合材料整体的性能影响大。为改善复合材料性能，必须考虑界面设计和控制。结构复合材料界面相存在的残应力，是由于基体的固化或凝固收缩和两相间热膨胀系数的失配而造成的。无论应力大小和方向，都会影响到复合材料受载时的行为，如造成复合材料拉伸和压缩性能的明显差异等。结构复合材料界面的作用，是在复合材料受到载荷时把基体上的应力传递到增强体上。这就需要界面相有 足够的粘接强度，而两相表面能够互相浸润是先决条件。但是界面层并不是粘接得越强越好，而是要有适当的粘接强度，因为界面相还有另一个作用是在一定应力条件下能够脱粘，同时使增强体在基体中拔出并互相发生摩擦。这种由脱粘而增大表面能所做的功、拔出功和摩擦功都提高了破坏功，有助于改善复合材料的破坏行为，即提高它的强度。至于功能复合材料界面相的作用，目前尚很少研究，但已有实验证实，界面相在功能复合材料中的作用也是重要的。 表征为了认识界面的作用，了解界面结构对材料整体性能的影响，必须先表征界面相的化学、物理结构，厚度和形貌，粘接强度和残余应力等，从而可以寻找它们与复合材料性能之间的关系。 界面相化学结构包括组成元素、价态及其分布。其表征可以借助许多固体物理用的先进仪器，如俄歇电子 谱(AES，SAM)、电子探针(EP)、X光电子能谱仪 (X PS)、扫描二次离子质谱仪(S SIMS)、电子能量损失谱仪(EELS，PEELS)、傅里叶红外光谱(FTIR)、显微 拉曼光谱(MRS)、扩展X射线吸收细微结构谱 (E XAFS)等。由于界面相有时仅为纳米级的微区，而且有的组成非常复杂(尤其是金属和陶瓷基复合材料)， 因此迄今还不能说哪一种方法可以满意地给出有关复合材料界面相全部化学信息。这是因为这些方法有的束斑太大，远远超过界面微区的尺寸;有的仅能提供元素的信息而不能知道元素的价态；有的会对某些观察物造成 表面损伤等，存在着各式各样的局限性。所以仍需研究 合适的新方法，或几种方法的配合使用。 界面相形貌和厚度的表征也有不少方法，如透射电 镜(TEM)、扫描电镜(S EM)。新方法有角扫描X射线反射谱(GAXP)，可以测定金属基和陶瓷基复合材料界 面相的厚度。但这些方法在测量上也有难度。 界面相粘接强度的表征基本上有5种方法，即单丝拔出法、埋入基体的单丝裂断长度法、微(单丝)压出 法、球形(或锥形)压头压痕法、常规三点弯剪法等。前两种方法只能表征单丝复合材料的行为；后3种虽是表 征复合材料，但又各有不足之处。而且各种方法测出 的数据相差甚远，以球形压痕法和三点弯剪法数值较高。目前尚难以决定何种方法是最为合适的。此外，还有用 动态力学法测定内耗值以表征界面结合状态的方法。界面湘残余应力的表征也很困难。对透明基体和不 透明基体都分别有其相应的方法，但是均不理想，同时 在计算处理上也较复杂。复合材料界面理论过去对于复合材料界面理论的 研究是试图提出一个能够适用于各种复合材料的理论，诸如化学反应理论、浸润理论、可形变层理论、约束层 理论、静电作用理论以及把一些理论结合起来的理论。但它们都有许多矛盾，常不能自圆其说。由于对界面认识的逐步深化，了解到界面相的复杂性与多重性是和原组成材料、加工工艺和使用环境密切有关。因此，理论研究转向针对某一具体体系，探讨界面微结构与宏观性能的关系，界面浸润过程和界面反应的热力学与动力学 关系，建立某种体系的界面相模型并作理论处理等。
《复合材料界面》
图书信息  作 者：杨序纲著
出 版 社：化学工业出版社
出版日期：2010-08
ISBN：712208573
版 次：1
包 装：精装
开 本：小16开
页 数：208页
字 数：269千字
内容介绍界面是决定复合材料性能的关键因素，是复合材料研究领域的焦点问题。本书首先对复合材料界面微观结构及其表征、界面微观力学(包括界面的应力传递和与界面行为相关的复合材料破坏行为)、界面结构与界面行为之间的关系以及它们对材料宏观性能的影响等进行了介绍，随后，对碳纤维、碳纳米管、玻璃纤维、陶瓷纤维、高性能纤维增强复合材料的界面行为分章进行了详细阐述。 本书可供从事复合材料研究或生产的科技工作者，高等院校及研究院所相关专业的师生参考，也可作为高等院校相关专业的教学参考书。
目录第1章 界面和界面的形成1
1.1 界面和界相1
1.2 界面的形成机理1
1.2.1 物理结合2
1.2.2 化学结合5
1.3 界面的作用6
参考文献8
第2章 复合材料界面的微观结构9
2.1 概述9
2.2 界面断裂面的形貌结构9
2.2.1 形貌结构的表征方法10
2.2.2 界面断裂面的形貌结构13
2.3 界面的微观结构15
2.3.1 表征方法15
2.3.2 陶瓷基复合材料21
2.3.3 金属基复合材料26
2.3.4 聚合物基复合材料28
2.4 界面的成分分析29
2.4.1 特征X射线分析29
2.4.2 背散射电子分析31
2.4.3 俄歇电子分析32
2.5 界面微观结构的AFM表征33
2.5.1 基本原理34
2.5.2 实验技术和图像解释34
2.5.3 碳纤维增强复合材料的界面37
2.5.4 聚合物纤维增强复合材料的界面38
2.6 界面微观结构的拉曼光谱表征40
2.6.1 界面碳晶粒的大小和有序度41
2.6.2 界面组成物的形成43
2.6.3 界面层组成物的分布43
参考文献45
第3章 复合材料界面微观力学的传统实验方法48
3.1 概述48
3.2 单纤维拉出（pull?out）试验49
3.2.1 试验装置和试样制备49
3.2.2 数据分析和处理50
3.3 微滴包埋拉出（microdroplet,microbonding）试验51
3.3.1 试验装置和试样制备52
3.3.2 数据分析和处理53
3.3.3 适用范围55
3.4 单纤维断裂(fragmentation)试验56
3.4.1 试样制备和实验装置57
3.4.2 数据分析和处理58
3.4.3 适用范围59
3.5 纤维压出（push?out,push?in,microdebonding）试验60
3.5.1 数据处理60
3.5.2 适用范围63
3.6 弯曲试验、剪切试验和Broutman试验63
3.6.1 横向弯曲试验63
3.6.2 层间剪切强度试验64
3.6.3 Broutman试验64
3.7 传统实验方法的缺陷64
参考文献65
第4章 界面研究的拉曼和荧光光谱术68
4.1 概述68
4.2 拉曼光谱和荧光光谱68
4.2.1 拉曼效应和拉曼光谱68
4.2.2 拉曼峰特性与材料微观结构的关系70
4.2.3 荧光的发射和荧光光谱73
4.3 纤维应变对拉曼峰频移的影响74
4.3.1 压力和温度对拉曼峰参数的影响74
4.3.2 拉曼峰频移与纤维应变的关系74
4.4 荧光峰波数与应力的关系75
4.4.1 荧光光谱的压谱效应75
4.4.2 单晶氧化铝的压谱系数及其测定76
4.4.3 多晶氧化铝纤维荧光峰波数与应变的关系78
4.4.4 玻璃纤维荧光峰波长与应变/应力的关系80
4.5 显微拉曼光谱术82
4.5.1 拉曼光谱仪82
4.5.2 显微系统84
4.5.3 试样准备和安置85
4.6 拉曼力学传感器86
4.6.1 碳纳米管86
4.6.2 二乙炔?聚氨酯共聚物87
4.7 弯曲试验88
4.7.1 四支点弯曲88
4.7.2 三支点弯曲88
4.7.3 悬臂梁弯曲89
参考文献89
第5章 碳纤维增强复合材料91
5.1 碳纤维表面的微观结构91
5.2 碳纤维形变微观力学94
5.3 碳纤维/聚合物复合材料的界面97
5.3.1 热固性聚合物基复合材料97
5.3.2 热塑性聚合物基复合材料103
5.4 碳/碳复合材料的界面105
5.5 碳纤维复合材料的应力集中108
5.5.1 应力集中和应力集中因子108
5.5.2 碳纤维/环氧树脂复合材料的应力集中110
参考文献113
第6章 碳纳米管增强复合材料115
6.1 概述115
6.2 碳纳米管的形变行为117
6.3 碳纳米管/聚合物复合材料的界面结合和应力传递122
6.3.1 界面应力传递122
6.3.2 界面结合物理125
6.3.3 界面结合化学128
6.4 碳纳米管/聚合物复合材料的界面能130
参考文献131
第7章 玻璃纤维增强复合材料134
7.1 概述134
7.2 玻璃纤维增强复合材料的界面应力135
7.2.1 间接测量法135
7.2.2 直接测量法139
7.3 界面附近基体的应力场140
7.4 纤维断裂引起的应力集中142
7.5 光学纤维内芯/外壳界面的应力场144
参考文献146
第8章 陶瓷纤维增强复合材料147
8.1 概述147
8.2 陶瓷纤维的表面处理147
8.2.1 涂层材料和涂覆技术147
8.2.2 碳化硅纤维的表面涂层148
8.2.3 氧化铝纤维的表面涂层150
8.3 陶瓷纤维的形变微观力学151
8.3.1 碳化硅纤维和单丝151
8.3.2 应变氧化铝纤维的拉曼光谱行为155
8.3.3 应变氧化铝纤维的荧光光谱行为157
8.4 碳化硅纤维增强复合材料的界面行为158
8.4.1 碳化硅纤维/玻璃复合材料158
8.4.2 压缩负载下SiC/SiC复合材料的界面行为162
8.4.3 纤维搭桥164
8.5 氧化铝纤维增强复合材料的界面行为167
8.5.1 氧化铝纤维/玻璃复合材料167
8.5.2 氧化铝纤维/金属复合材料174
8.5.3 纤维的径向应力175
8.5.4 纤维间的相互作用179
8.6 热残余应力181
8.6.1 理论预测181
8.6.2 实验测定182
参考文献184
第9章 高性能聚合物纤维增强复合材料187
9.1 高性能聚合物纤维的形变187
9.1.1 芳香族纤维和PBO纤维的分子形变187
9.1.2 超高分子量聚乙烯纤维的分子形变191
9.1.3 分子形变和晶体形变193
9.2 界面剪切应力194
9.2.1 概述194
9.2.2 芳香族纤维/环氧树脂复合材料195
9.2.3 PBO纤维/环氧树脂复合材料196
9.2.4 PE纤维/环氧树脂复合材料200
9.3 纤维表面改性对界面行为的作用202
9.3.1 PPTA纤维表面的化学改性203
9.3.2 PE纤维的等离子体处理204
9.4 裂缝与纤维相互作用引起的界面行为205
参考文献207
前言复合材料学是一门相对年轻的学科，涉及化学、物理学、力学、材料科学和工艺学等多学科领域。分散于各学科领域的复合材料工作者有一个共同关注的焦点——复合材料的界面。两种脆性材料通过弱界面结合可以组合成一种韧性材料，而两种材料的强结合则可能产生强度成倍增大的新材料，这是界面所起的作用。可以认为，对于给定的增强体和基体材料，界面是决定复合材料性能的决定性因素。长期以来，人们都努力于通过设计和制作结构和性能合适的界面以获得符合预定性能的复合材料。显然，充分了解界面行为是达到这一目标的前提。 
有关复合材料的出版物十分丰富，然而却很少有专门讨论界面问题的书籍。关于界面问题的研究成果和最新进展又广泛分散于各个学科领域的众多出版物中，相关研究人员深感不便。本书试图将界面行为的最新理论、测试技术和数据处理方法集合在一起，填补这个欠缺。 
全书包含9章，主要涉及纤维增强复合材料的界面微观结构和力作用下的界面行为，同时尽力将界面微观行为与材料宏观性能相联系(尽管迄今为止这种关系并不很清晰，仍然是研究人员努力探索的目标)。第1章简要阐述界面的定义，黏结机理和界面的作用。界面的微观结构及其表征方法安排在第2章；电子显微术是传统的基本方法，近10余年来发展迅速的原子力显微术和显微拉曼光谱术提供了界面结构更丰富的信息。第3章涉及界面微观力学研究的传统实验技术和数据处理方法以及主要几种界面微观力学理论，同时指出传统实验和分析方法的缺陷。将拉曼和荧光探针与传统的界面微观力学试验相结合，形成了一种全新的、功能更丰富和更完善的实验技术和数据分析方法，使界面微观力学研究获得重大进展。这是一个成功的、多学科合作的例子。第4章阐述该方法的基本原理和实验技术以及对界面力学研究的主要贡献。第5章～第9章分述几种高性能纤维增强先进复合材料的界面力学行为。许多高技术产业不可缺少的碳纤维复合材料安排在第5章。近年来纳米尺度增强体（纳米管或纳米纤维）的应用使复合材料界面研究面临一个新的领域；例如，碳纳米管的结构和表面性质与传统纤维有很大差异，加上它的小尺寸效应，使其与基体形成的界面与传统纤维增强复合材料的界面显著不同，似乎提示应建立新的界面理论。同时，也要求使用新的与传统方法不同的探索界面行为的方法，第6章阐述这一领域的最近进展。第7章涉及玻璃纤维增强复合材料，玻璃纤维仍然是目前使用量最大的增强纤维。陶瓷纤维增强复合材料是高温和其他恶劣或特殊环境下不可缺少的先进材料，在国防和其他高科技领域中具有重要地位。对这类复合材料，界面的作用主要以材料增韧为目标，因而与其他复合材料有显著不同的界面行为，这部分内容要安排在第8章。
内容插图  插图复合材料的界面能否有效地传递负载，有赖于增强体与基体之间界面化学结合和物理结合的程度，强结合有利于应力的有效传递。界面结合的强弱显然与界相区域物质的微观结构密切相关。对于以增韧为目标的复合材料系统，则要求较弱的界面结合强度，期望在某一负载后发生界面破坏，引起界面脱结合（debonding），此后由增强体与基体之间的摩擦力承受负载。摩擦力的大小与脱结合后增强体和基体表面的粗糙度密切相关，而表面粗糙度则在一定程度上取决于界相区的形态学结构。
复合材料的结构缺陷，例如小孔、杂质和微裂缝，常常倾向于集中在界相区，这会引起增强复合材料性能的恶化。在材料使用过程中，由于湿气和其他腐蚀性气体的侵蚀，常常使界相区首先受到不可逆转的破坏，从而成为器件损毁的引发点。
基于上述原因，不论在制造还是在使用过程中，复合材料的界面结构情景都吸引了人们特别的关注，成为探索复合材料界面行为的焦点之一。
本章所述界面结构主要是指界相区的结构，也包含邻近界相区的基体和增强体的结构。许多复合材料的界相区与基体或增强体并无确切的边界。即便是同一种复合材料，界面结构也非均匀一致，有的是明锐的边界，有的是模糊的边界。界相区有时是一个结构逐渐过渡的区域。对界面结构的完整认识，应该包含对其邻近区域结构的检测。