复合材料的界面改性

界面及界面改性方法

界面结合强度低，则增强纤维与基体很容易分离，在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象，起不到增强作用；但界面结合强度太高，则增强纤维与基体之间应力无法松弛，形成脆性断裂。

在研究和设计界面时，不应只追求界面粘结而应考虑到最优化和最佳综合性能。

1、聚合物基复合材料界面

界面结合有机械粘接与润湿吸附、化学键结合等。

大多数界面为物理粘结，结合强度较低，结合力主要来自如色散力、偶极力、氢键等物理粘结力。

偶联剂与纤维的结合（化学反应或氢键）也不稳定，可能被环境（水、化学介质等）破坏。一般在较低温度下使用，其界面可保持相对稳定。增强剂本身一般不与基体材料反应。

聚合物基复合材料界面改性原则：

1）在聚合物基复合材料的设计中，首先应考虑如何改善增强材料与基体间的浸润性。一般可采取延长浸渍时间，增大体系压力、降低熔体粘度以及改变增强体织物结构等措施。２）适度的界面结合强度

３）减少复合材料中产生的残余应力

４）调节界面内应力和减缓应力集中

聚合物基体复合材料改性方法

１、颗粒增强体在热塑性聚合物基体加入两性相溶剂(增容剂)，则能使液晶微纤与基体间形成结合良好的界面

２、纤维增强体复合材料界面改善

a)纤维表面偶联剂

b)涂覆界面层

c)增强体表面改性

2、金属基复合材料界面

金属基体在高温下容易与增强体发生不同程度的界面反应，金属基体多为合金材料，在冷却凝固热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相变等。

金属基复合材料界面结合方式有化学结合、物理结合、扩散结合、机械结合。总的来讲，金属基体复合材料界面以化学结合为主，有时也会出现几种界面结合方式共存。

金属基体复合材料的界面有3种类型：第一类界面平整、组分纯净，无中间相。第二类界面不平直，由原始组分构成的凸凹的溶解扩散型界面。第三类界面中含有尺寸在亚微米级的界面反应物。多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度的界面反应。

金属基复合材料的界面控制研究方法：

1）对增强材料进行表面涂层处理在增强材料组元上预先涂层以改善增强材料与基体的浸润性，同时涂层还应起到防止发生反应的阻挡层作用。

2）选择金属元素改变基体的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻挡层来控制界面反应。尽量避免选择易参与界面反应生成脆硬界面相、造成强界面结合的合金元素

3）优化制备工艺和参数金属基体复合材料界面反应程度主要取决于制备方法和工艺参数，因此优化制备工艺和严格控制工艺参数是优化界面结构和控制界面反应的有效途径。

3、陶瓷基复合材料的界面

陶瓷基体复合材料指基体为陶瓷材料的复合材料。增强体包括金属和陶瓷材料。界面结合方式与金属基体复合材料基本相同，有化学结合、物理结合、机械结合和扩散结合，其中以化学结合为主，有时几种结合方式同时存在。

陶瓷基体复合材料界面控制方法

1）改变基体元素例如：在SiCPCS纤维强化玻璃陶瓷（LAS，LiO，Al2O3，SiO2）中，添加百分之几的Nb（铌）时，热处理过程中会发生反应，在界面形成数微米的NbC相，获得最佳界面，从而达到高韧化的目的。

2）增强体表面涂层在玻璃、陶瓷作为基体时，使用的涂层材料有C、BN、Si、B等多种。防止成型过程中纤维与基体的反应，调节界面剪切破坏能力以提高剪切强度。纤维表面双层涂层处理是最常用的方法。其中里面的涂层以达到键接及滑移的要求，而外部涂层在较高温度下防止纤维机械性能降低。

残余应力

●高聚物复合材料的残余应力是由于树脂和纤维热膨胀系数不同而产生和固化过程

中树脂体积收缩产生化学应力。前者影响较大。残余应力的存在，导致材料粘结强度下降。残余应力对材料的影响程度依赖于纤维的含量、纤维与基体的模量比和纤维的直径

●金属复合材料残余应力来源于热和力学。设计过程要注意基体模量不能太低，膨胀

系数要相差不大

●陶瓷复合材料热膨胀系数的不同导致残余应力。纤维的膨胀系数往往大于基体材

料。在一定程度下达到所追求的增韧机制。但基体和增强纤维都是脆性的，残余应力过大容易导致裂纹