聚合物基复合材料界面设计

聚合物基复合材料的界面 演讲人：周如金 2015年12月11日 主要内容 界面的形成与结合方式 界面残余热应力的形成、分布与控制 复合材料界面示意图 1 外力场 2 基体 3 基体面区 4 相互渗透区 5 增强体表面区 6 增强体 复合材料的界面形成过程 复合材料的增强体与基体间界面形成过程可分为两个阶段 第一阶段 接触→吸附与浸润→交互扩散→物理或化学结合 第二阶段 粘流态组成的固化过程—凝固或化学反应形成稳定的界面结合 第一、二阶段往往是连续的，有时也是同时进行的。 界面区的作用 复合材料的界面不仅是连接增强材料与基体的桥梁,也是外加载荷从基体向增强材料传递的纽带，实现应力传递。 在载荷作用下，增强体承受主要应力，基体承受应力较小，界面区则承受从增强体表面到基体表面梯度分布的应力 界面结合强度的大小不仅与界面的形成过程有关,而且还取决于界面结合的方式。 界面的结合方式 界面结合可分为两类: 物理的机械结合 聚合物基体通过扩散、嵌入到纤维表面的凹坑、缝隙和微孔中,使纤维“锚固”在聚合物基体中。 化学结合 纤维表面的官能团与聚合物基体的一些官能团在复合过程中发生各种化学的相互作用(形成共价键、氢键及极性相互作用)。其中,化学结合的方式通常可以导致很强的界面结合。 适度的界面粘结 增强纤维与聚合物基体之间的亲和性都较差，容易在界面上形成空隙和缺陷，难于形成有效的粘结，可以通过对纤维的表面改性(如蚀刻、表面接枝、偶联剂处理等)及树脂基体的物理、化学改性等，来改善纤维与基体间的润湿性，甚至在纤维与基体之间形成化学键结合，从而提高纤维与基体树脂之间的界面粘结强度，获得层间剪切强度高的复合材料。 提高复合材料的界面粘结,有利于改善材料的拉伸及弯曲强度，但同时又可能导致材料冲击韧性的下降。这是因为在纤维增强复合材料中，冲击能量的分散通常是通过纤维与基体的界面脱粘、纤维拔出、纤维与基体的摩擦运动及基体的变形来实现。 材料 性能 数值 C纤维 αL -0.36ppm/℃ αT 18ppm/℃ ΔV 0.54％(117→25℃) 凯芙拉纤维 αL -2ppm/℃ αT 59ppm/℃ ΔV 1.8％(177→25℃) E-玻纤 α 48ppm/℃ ΔV 2.1％(170→25℃) 环氧树脂 ΔV 1.8 ％(177→25℃) 聚丙烯 ΔV 14.2％(170→25℃) 聚乙烯 ΔV 22％(120→25℃) 聚砜 ΔV 3.2％(185→25℃) 由于增强物与基体间导热率、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数等的不同，在材料成型降温过程中，由于树脂和纤维的体积收缩不匹配而造成残余应力。 如果应力得不到松弛将会成为界面残余应力而保持下来，界面残余应力的存在会使界面传递应力的能力下降，常会导致材料力学性能的大幅度下降。 αL：纤维的纵向膨胀系数 αT：纤维的横向膨胀系数 ΔV: 体积变化率 α： 纤维的热膨胀系数 残余应力的形成 复合材料的残余应力同时存在于基体、纤维和界面上，基体中的应力会使基体的性质发生变化，使基体的耐冲击性、疲劳强度、压缩强度等下降，甚至会引起基体的破坏。纤维中主要存在轴向压缩残余应力，可能引起纤维发生曲折。界面相的残余应力有径向压缩或拉伸应力、环向拉伸应力和界面剪切应力，这些应力都会对界面的粘结强度和纤维的脱粘产生重要的影响。 残余应力对性能的影响 复合材料界面上的环向应力、端区的轴向剪切应力，特别是端区的径向和环向拉伸应力集中，都可能会引起界面的脱粘和邻近界面的基体破坏。 而界面上的径向残余压缩应力则有利于界面粘结强度的提高，只有合适大小的径向残余压缩应力才有利于复合材料韧性和强度的提高。 由于界面对应力的传递，复合材料中的纤维才得以发挥其增强的作用，而纤维和基体之间的应力传递主要依赖于界面的剪切应力，界面传递应力能力的大小取决于界面结合的情况。 残余应力的分布 正方形列阵多纤维包含体模式基体中纵向切面中的径向、环向和轴向残余应力研究结果表明: 以各纤维之间的中点为参考点，环向应力在参考点处有最大值，随着向界面方向的移动而变小；基体中纤维轴向方向的残余应力是拉应力，保持常数，在界面处与环向应力相等；径向应力是压缩应力，基本保持常数，仅在界面处略有降低。 界面残余应力的控制 基体树脂的粘弹性使得应力形成过程存在应力松弛，因而降低冷却速度能有效降低形成的残余应力。冷却速度对热塑性基体的影响远大于对热固性基体的影响。 残余应力是由于聚合物基体的体积收缩引起的，减小基体体积收缩率就可以降低残余热应力。环氧树脂基体的体积收缩主要发生在交联固化阶段，向环氧树脂中添加膨胀性单体可有效降低残余应力。 引入柔性界面层，可以降低基体固化过程中开始形成残余应力的温度，从而降低热残余应力。界面柔性层的存在,还可以通过变形来消除部分残余应力。 The end thank you!