纺织复合材料界面的最新研究进展.pdf

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1、http:/ 纺织复合材料界面的最新研究进展 季益萍1,杨云辉21天津工业大学先进纺织复合材料天津市重点实验室 2天津工业大学计算机技术与自动化学院,（300160） 摘摘 要：要：本文综述了当前金属基、聚合物基和陶瓷基复合材料界面的研究现状和趋势，并且介绍了评价复合材料界面的方法。希望能抛砖引玉，激发科技人员更有价值的创新性研究。关键词：关键词：复合材料，金属基，聚合物基，陶瓷基，界面，评价，发展情况 1.引言引言 复合材料中增强体与基体接触构成的界面是增强相和基体相连接的“纽带”，也是应力及其他信息传递的桥梁，界面是复合材料极为重要的微观结构，其结构与性能直接影响复合材料的各项力学性能，尤

2、其是层间剪切、断裂、抗冲击等性能，因此随着复合材料科学和应用的发展，复合材料界面及其力学行为越来越受到重视。但目前介于界面相的复杂性，纤维在基体中断裂过程的复杂性和随机性导致复合材料界面的研究工作开展的还不够深入，不少问题有待于进一步解决5。(1)纤维断裂数据的估算会受到实验条件和所用材料参数变化的影响。例如对碳纤维/环氧体系而言，纤维和基体间的热膨胀系数相差很大。在准备断裂拉伸试样时，固化时间的变化也会产生不同程度的残余热应力，这将影响界面剪切强度估算的准确性；(2)一些材料的参数不能通过一般的测试方法准确地测定。例如传统的拉伸方法无法测定临界纤维长度(一般小于 1mm)中的纤维强度，而只能

3、通过插值的方法近似确定；(3)试样的制备、选材和环境温度等都将影响最终的复合材料性能；(4)分析理论的准确性还有待进一步研究，对结果的分析不可避免存在误差等。积极解决上述问题，深入研究复合材料的界面的各项性能不仅会给复合机理的研究带来促进作用，而且这项工作的深入开展还关系到研究物质表面结构与性能的现代新技术和新仪器的进展，为推动复合材料的发展应用起了巨大的作用。本文分别探讨了金属基、聚合物基和陶瓷基复合材料的界面特性及其各自的发展情况。希望能抛砖引玉，激发研究人员更有价值的创新性研究。2.金属基复合材料及其界面1-2 电子、汽车等民用工业的迅速发展为金属基复合材料的应用提供了广泛的前景，但其各

4、方面的研发工作还不如高聚物复合材料那样成熟，因而研究人员很有必要深入了解金属基复合材料的各种性能，尤其是它的界面结构和性能，它们对金属基复合材料的性能起着决定性的作用，深入研究和掌握界面反应和界面对性能的影响规律，有效地控制界面的结构和性能是获得高性能金属基复合材料的关键。-1-http:/ 目前，影响金属基复合材料发展的主要问题是金属基复合材料制备方法较复杂、界面问题较突出，制备成本高。金属基复合材料都需在金属基体合金熔点附近的高温下制备。在制备过程中，难免存在不同程度的基体与增强体之间的界面反应、溶解、扩散、元素偏聚，以及纤维、晶须、颗粒等增强物与金属基体合金发生不同程度的相互作用和界面反

5、应，形成不同结构的界面。其界面的物理化学特征及结构受界面附近几纳米或几十纳米区域的控制，所以界面研究必须从几个方向、在原子尺度(0.10.2m 级)研究其结构，必须逐层逐个原子地分析界面及界面附近的原子种类，全面而确切地表征与检测界面是控制和改善复合材料的最重要基础之一。金属基复合材料界面特征主要由以下几方面来表征与检测：金属基复合材料界面反应及界面相组成；界面区合金元素的分布；界面微结构与基体相/增强体的位向关系；界面结合强度；界面位错及界面残余应力。研究发现SiCp/ZLl09 界面除富硅析出相之外，并无其他界面相，而在A12O3，原位生成铝基复合材料中发现界面相MgA12O4存在。界面相

6、一般是硬脆相，它的生成，一方面可以促进界面的润湿和结合，特别是如果界面相较薄且与增强体保持一定程度的共格关系时，可以提高界面结合强度，但如果太厚，就会降低界面结合强度。另外，复合材料如果是从液态金属直接铸造而成的，有一定的凝固时间。增强体和基体问有固定的晶体学位向关系的话，在这段凝固时间内基体合金有可能自我调整以最低的能量组合与增强体形成固定的晶体学位向关系。但实验结果并非如此，这一方面的研究有待深入探讨。由于对界面结合强度认识的困难，界面状况对力学性的影响只能停留在定性认识的水平上。目前，需要解决的首要问题是界面结合强度的精确计算和测量。此外，现在对金属基复合材料，残余应力的测定主要还是采用

7、单一波长的特征X射线的SIN法。它所测出的是界面两侧一定厚度范围内的平均残余应力，而要确知在界面处的应力仍较困难，尤其是对增强体附近急剧变化的应变场的测量无能为力。采用高强度的同步辐射连续X射线可以解决这一难题，其精度可达 10-3到l0-4。金属基复合材料制备中，金属基体与增强体的润湿机理、改善途径及影响因素、控制界面反应以形成最佳的界面结构是金属基复合材料生产、应用的关键技术问题，也是今后界面研究的重要课题。3.聚合物基复合材料及其界面聚合物基复合材料及其界面3-5 聚合物基复合材料主要包括无机刚性粒子增强复合材料、无机纳米粒子增强复合材料、纤维增强复合材料、晶须增强复合材料和原位复合材料

8、等。3.1 无机刚性粒子增强复合材料的界面发展情况 无机刚性粒子增强聚合物克服了以往用弹性体、热塑性树脂增韧聚合物时在韧性提高的同时刚性下降的缺点，是近年来研究的热点。对于其界面的研究，大部分工作仍停留在亚微态层面上。对界面分子层面的认识还较为欠缺，同时对无机刚性粒子的增韧机理还不甚清楚，存在很多争论。随着研究复合材料界面的新手段如扫描隧道显微镜、原子力显微镜及内耗仪等的发展，将从分子层面上对界面结构进行分析，有助于进一步弄清无机刚性粒子与基体界面的结构状态，从而分析其增韧机理。-2-http:/ 3.2 无机纳米粒子增强复合材料的界面发展情况 由于纳米材料的尺寸效应、大的比表面积，表面原子严

9、重失配，处于高度的活化状态，与聚合物之间有强的界面作用，从而可增强增韧聚合物。目前常用界面偶联、辐照接枝等方法对无机纳米粒子的界面进行改性。研究发现，采用界面偶联可改善复合材料的界面粘结，提高其力学性能；辐照接枝纳米粒子增强聚合物时所形成的纳米粒子/聚合物可以整体发挥协同作用，带来较强的界面效应，有利于增强增韧作用；同时，纳米粒子的加入也会影响聚合物的结晶行为。纳米粒子的增韧机理可归因于银纹理论，即纳米粒子均匀地分散在基体中，当受到基体冲击时，粒子与基体之间产生微裂纹银纹，同时粒子之间的聚合物基体也产生塑性变形，吸收冲击能，从而达到增韧的效果。随着纳米粒子尺寸的变小，粒子的比表面积增大，粒子与

10、基体的界面变大，会产生更多的微裂纹和更大的塑性变形，从而吸收更多的冲击能，提高增韧效果。但由于纳米粒子的形状各异、增韧机理各不相同，且影响纳米粒子增韧的因素较多，不能单一、片面的追求纳米化或超细化。纳米粒子增强聚合物还需在极易团聚问题、增韧机理以及从分子层面上认识界面等方面进一步研究。3.3 纤维增强复合材料的界面发展情况 纤维增强复合材料也是当前的研究热点，用于增强聚合物的纤维主要有合成纤维和天然纤维。天然纤维由于环保方面的优势而受到重视，其界面改性现在主要采用界面偶合和表面处理。研究证实，在纤维复合材料中，材料的韧性在纤维的原纤与纤维轴的夹角(原纤旋角)为l5200时达最大值，并随原纤旋角

11、的增大而逐渐降低。由于天然纤维本身成分的复杂性，给改性机理的研究及改性程度的定量工作带来困难。天然纤维复合材料的研究还不深入和不系统，引入低成本的可降解树脂作为树脂基体，制备全降解型复合材料也是一个发展方向。对于合成纤维增强复合材料，目前国内外集中在增强树脂用玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维表面处理的研究上。玻璃纤维的表面处理方法有：偶联剂处理、接枝处理和等离子体处理等；碳纤维的表面处理方法有：氧化处理、表面涂层处理和离子体处理等；芳纶纤维的表面处理方法有：表面涂层法、化学改性技术、等离子体表面改性技术、-射线辐射方法和超声浸渍改性技术等。影响合成纤维增强复合材料性能的因素很多，如纤维与树脂基体的匹

12、配性、成型工艺中的质量控制、参数优化等，这些都是目前的研究重点。3.4 晶须增强复合材料的界面发展情况 晶须增强复合材料中晶须增韧有拔出效应、载荷传递、界面解离、搭桥效应等。另外，还有弥散增强、残余应力增强、结构差别而引起的增强、热膨胀系数的差别而使位错密度增大引起的增强等增强机理。晶须增韧复合材料机理及偶联剂改善界面的机理需进一步探讨。由于晶须的价格高、脆性大、长度保持率低等因素的影响，晶须增强增韧复合材料的界面有待进一步研究。3.5 原位复合材料的界面发展情况 由于原位复合材料体系中 TLCP 增强的效果不够显著、加上 TLCP 的高价格及最终材料或多或少的各向异性问题未能很好解决，至今原

13、位复合材料的大量研究成果还停留在实验室研究水平，提高界面相容性仍是目前研究的热点。-3-http:/ 4.陶瓷基复合材料及其界面陶瓷基复合材料及其界面6 陶瓷基复合材料(CMCs)因其高强度、抗腐蚀、耐高温和低密度等特点，而成为一种很有发展前途的高温热结构材料。但由于陶瓷材料固有的硬脆性，限制了其在许多技术领域的应用。目前，研究者采用相变或微裂纹等方法以期达到 CMCs 补强增韧效果，但效果不理想。只有采用了连续纤维及其织物和编织体增韧，才提高了陶瓷材料的韧性，而且可不同程度地提高材料的强度和模量。其中，界面对陶瓷复合材料的性能起着决定性作用，连续纤维增强陶瓷基复合材料的性能不仅取决于纤维和基

14、体的性能，更重要的是纤维、界面层和基体三者的性能相互匹配，才能研制出高性能的复合材料。研究发现，陶瓷基复合材料(CMCs)为刚性材料，在工艺过程中要严格控制纤维/基体的结合程度。界面相可在纤维/基体界面通过原位反应形成，也可在材料成形前沉积在纤维表面。虽然非脆性陶瓷基复合材料的成形相对容易，但要使载荷下高温氧化气氛中力学性能高、寿命长，必须优化设计纤维/基体界面相。要适当控制纤维/基体结合程度，通过纤维表面适当的涂层来改善纤维/基体间由于热扩散不匹配而产生的残余应力状况，并通过界面相使材料热力学性和热化学性相容。根据这一原则设计SiCf/SiC和Cf/SiC陶瓷基复合材料的界面相，不仅达到了提

15、高复合材料高温稳定性和断裂韧性的基本目的，而且有效地保护了纤维，提高了复合材料的强度，同时得到高强度和高韧性。5.评价复合材料界面的方法评价复合材料界面的方法7 复合材料中由于增强体的加入，产生了增强体与基体间的界面，对材料的破坏机理产生重要影响。因此，增强体与基体间的界面特性的评价作为一重要研究课题，受到人们的关注。目前，关于界面性能的评价也提出了很多试验方法，如 DCB(双悬臂粱)法、ENF(末端切口弯曲)法、WLPT(楔人载荷剥离)法、MMF(混合模型弯曲)法等等。这些试验方法中，模型 I 和模型应力扩展系数比值不同则相位角的值也不同，则适用范围亦不同。对于界面破坏能大的试样，裂纹能在界

16、面内保持，很难扩展，发生绞结现象。而且，可以用来评价层台材料的层间剥离破坏能，但很难用来评价层内纤维与基体界面的破坏特性。最近开发了定量评价聚合物基复合材料界面性能的 DCDC 法，确立了新的界面特性评价方法。而且，进行了实验和数值解析并用对本方法的特征及评价程序进行了研究，结论如下：(1)利用有限元解析 DCDC 试样应力状态，结果表明：由试样中央圆孔位置的变化可得到模型 I 和混合模型的破坏条件，在两个模型的条件下评价界面特性。(2)从各个模型的无因次应力扩展系数和裂纹扩展长度的关系求得几何形状函数，将其应用于复合材料 DCDC 试样，确立了有限元解析与实验结果并用计算纤维与基体界面破坏能

17、的方法。纤维与基体界面面积决定着界面破坏能，而圆孔直径及圆孔的偏移量对界面破坏能影响较小。(3)在 DCDC 试样裂纹面有架桥纤维存在时，提出了解析模型，揭示出架桥纤维可以引起破坏模型的变化。-4-http:/ 因而，这个方法可以确认为可定量评价复合材料界面的新方法。6.结束语结束语 目前，国内外对复合材料界面的研究主要都集中在 6 个方面：表征技术，理论探索，填充料及颗粒体系，表面处理，纳米体系，力学及微观力学性能。其中改进高分子基复合材料力学性能的界面的创造与研究，高分子表面及复合材料界面的纳米尺度表征，增加聚合物粘结性的分子刷表面工程，脆性母体复合材料弱结合的断裂行为的模拟等均有高水平的

18、报道，具有参考价值。关于“纳米系统”的研究，则显示了纳米尺度的复合材料特殊的性能。随着理论与实践的进展，复合材料正由宏观增强向微观增强发展。复合材料的界面研究日益受到人们的关注。如果能够适当的处理好界面的微观粘结关系，并降低其成本，复合材料必将广泛地应用于日常生活和航空航天等工业中。参考文献 1 曾美琴，欧阳柳章，复合材料界面研究进展，中国铸造装备与技术，2002,6,pp 23-25 2 张建军等，金属基复合材料研究进展，http:/,2005,4 3 朱雅红，聚合物基复合材料的界面改性研究，玻璃钢/复合材料，2005,3,pp 44-48 4 于祺等，纤维增强复合材料的界面研究进展，绝缘材

19、料，2005,2,pp 50-55 5 王恒武等，纤维增强树脂基复合材料界面粘结强度测试方法探讨，玻璃钢复合材料，2003,5,pp 42-44 6 刘毅佳等，陶瓷基复合材料界面相设计，固体火箭技术，2003,4,pp 60-63 7 倪庆清，评价复合材料界面的新方法，纤维复合材料，2000,6,pp 56-59 Newest Progress in Research on Interface of Textile Composite Material Ji Yiping 1,Yang Yunhui 2 1.Tianjin Key Laboratory of Advanced Textile

20、Composite Materials,Tianjin Polytechnic University(300160)2.School of Computer Technology and Automation，Tianjin Polytechnic University(300160)Abstract Current research situation and development trends of metal matrix,polymer matrix and ceramic matrix composite materials are summarized.The methods to evaluate composite interface are also introduced.Hopefully,all these provide references for our researchers to further develop new products.Keywords:composite material,metal matrix,polymer matrix,ceramic matrix,interface,evaluation,development situation -5-