複合材料界面

複合材料界面是2010年8月化學工業出版社出版的圖書，作者是楊序綱。

該書首先對複合材料界面微觀結構及其表徵、界面微觀力學、界面結構與界面行為之間的關係以及它們對材料宏觀性能的影響等進行了介紹，隨後，對碳纖維、碳納米管、玻璃纖維、陶瓷纖維、高性能纖維增強複合材料的界面行為分章進行了詳細闡述。

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目錄

複合材料界面

內容介紹 界面是決定複合材料性能的關鍵因素，是複合材料研究領域的焦點問題。本書首先對複合材料界面微觀結構及其表徵、界面微觀力學(包括界面的應力傳遞和與界面行為相關的複合材料破壞行為)、界面結構與界面行為之間的關係以及它們對材料宏觀性能的影響等進行了介紹，隨後，對碳纖維、碳納米管、玻璃纖維、陶瓷纖維、高性能纖維增強複合材料的界面行為分章進行了詳細闡述。 本書可供從事複合材料研究或生產的科技工作者，高等院校及研究院所相關專業的師生參考，也可作為高等院校相關專業的教學參考書。

目錄 第1章 界面和界面的形成1

1.1 界面和界相1

1.2 界面的形成機理1

1.2.1 物理結合2

1.2.2 化學結合5

1.3 界面的作用6

參考文獻8

第2章 複合材料界面的微觀結構9

2.1 概述9

2.2 界面斷裂面的形貌結構9

2.2.1 形貌結構的表徵方法10

2.2.2 界面斷裂面的形貌結構13

2.3 界面的微觀結構15

2.3.1 表徵方法15

2.3.2 陶瓷基複合材料21

2.3.3金屬基複合材料26

2.3.4 聚合物基複合材料28

2.4 界面的成分分析29

2.4.1 特徵X射線分析29

2.4.2 背散射電子分析31

2.4.3 俄歇電子分析32

2.5 界面微觀結構的AFM表徵33

2.5.1 基本原理34

2.5.2 實驗技術和圖像解釋34

2.5.3 碳纖維增強複合材料的界面37

2.5.4 聚合物纖維增強複合材料的界面38

2.6 界面微觀結構的拉曼光譜表徵40

2.6.1 界面碳晶粒的大小和有序度41

2.6.2 界面組成物的形成43

2.6.3 界面層組成物的分布43

參考文獻45

第3章 複合材料界面微觀力學的傳統實驗方法48

3.1 概述48

3.2 單纖維拉出（pull?out）試驗49

3.2.1 試驗裝置和試樣製備49

3.2.2 數據分析和處理50

3.3 微滴包埋拉出（microdroplet,microbonding）試驗51

3.3.1 試驗裝置和試樣製備52

3.3.2 數據分析和處理53

3.3.3 適用範圍55

3.4 單纖維斷裂(fragmentation)試驗56

3.4.1 試樣製備和實驗裝置57

3.4.2 數據分析和處理58

3.4.3 適用範圍59

3.5 纖維壓出（push?out,push?in,microdebonding）試驗60

3.5.1 數據處理60

3.5.2 適用範圍63

3.6彎曲試驗、剪切試驗和Broutman試驗63

3.6.1 橫向彎曲試驗63

3.6.2 層間剪切強度試驗64

3.6.3 Broutman試驗64

3.7 傳統實驗方法的缺陷64

參考文獻65

第4章 界面研究的拉曼和熒光光譜術68

4.1 概述68

4.2 拉曼光譜和熒光光譜68

4.2.1 拉曼效應和拉曼光譜68

4.2.2 拉曼峰特性與材料微觀結構的關係70

4.2.3 熒光的發射和熒光光譜73

4.3 纖維應變對拉曼峰頻移的影響74

4.3.1 壓力和溫度對拉曼峰參數的影響74

4.3.2 拉曼峰頻移與纖維應變的關係74

4.4 熒光峰波數與應力的關係75

4.4.1 熒光光譜的壓譜效應75

4.4.2 單晶氧化鋁的壓譜係數及其測定76

4.4.3多晶氧化鋁纖維熒光峰波數與應變的關係78

4.4.4 玻璃纖維熒光峰波長與應變/應力的關係80

4.5 顯微拉曼光譜術82

4.5.1 拉曼光譜儀82

4.5.2 顯微系統84

4.5.3 試樣準備和安置85

4.6 拉曼力學傳感器86

4.6.1 碳納米管86

4.6.2 二乙炔?聚氨酯共聚物87

4.7 彎曲試驗88

4.7.1 四支點彎曲88

4.7.2 三支點彎曲88

4.7.3 懸臂樑彎曲89

參考文獻89

第5章 碳纖維增強複合材料91

5.1 碳纖維表面的微觀結構91

5.2 碳纖維形變微觀力學94

5.3 碳纖維/聚合物複合材料的界面97

5.3.1 熱固性聚合物基複合材料97

5.3.2熱塑性聚合物基複合材料103

5.4 碳/碳複合材料的界面105

5.5碳纖維複合材料的應力集中108

5.5.1 應力集中和應力集中因子108

5.5.2 碳纖維/環氧樹脂複合材料的應力集中110

參考文獻113

第6章 碳納米管增強複合材料115

6.1 概述115

6.2 碳納米管的形變行為117

6.3 碳納米管/聚合物複合材料的界面結合和應力傳遞122

6.3.1 界面應力傳遞122

6.3.2 界面結合物理125

6.3.3 界面結合化學128

6.4 碳納米管/聚合物複合材料的界面能130

參考文獻131

第7章玻璃纖維增強複合材料134

7.1 概述134

7.2 玻璃纖維增強複合材料的界面應力135

7.2.1間接測量法135

7.2.2直接測量法139

7.3 界面附近基體的應力場140

7.4 纖維斷裂引起的應力集中142

7.5光學纖維內芯/外殼界面的應力場144

參考文獻146

第8章 陶瓷纖維增強複合材料147

8.1 概述147

8.2 陶瓷纖維的表面處理147

8.2.1 塗層材料和塗覆技術147

8.2.2碳化硅纖維的表面塗層148

8.2.3氧化鋁纖維的表面塗層150

8.3 陶瓷纖維的形變微觀力學151

8.3.1 碳化硅纖維和單絲151

8.3.2 應變氧化鋁纖維的拉曼光譜行為155

8.3.3 應變氧化鋁纖維的熒光光譜行為157

8.4 碳化硅纖維增強複合材料的界面行為158

8.4.1 碳化硅纖維/玻璃複合材料158

8.4.2 壓縮負載下SiC/SiC複合材料的界面行為162

8.4.3 纖維搭橋164

8.5 氧化鋁纖維增強複合材料的界面行為167

8.5.1 氧化鋁纖維/玻璃複合材料167

8.5.2 氧化鋁纖維/金屬複合材料174

8.5.3 纖維的徑向應力175

8.5.4 纖維間的相互作用179

8.6 熱殘餘應力181

8.6.1 理論預測181

8.6.2 實驗測定182

參考文獻184

第9章 高性能聚合物纖維增強複合材料187

9.1 高性能聚合物纖維的形變187

9.1.1 芳香族纖維和PBO纖維的分子形變187

9.1.2超高分子量聚乙烯纖維的分子形變191

9.1.3 分子形變和晶體形變193

9.2 界面剪切應力194

9.2.1 概述194

9.2.2 芳香族纖維/環氧樹脂複合材料195

9.2.3 PBO纖維/環氧樹脂複合材料196

9.2.4 PE纖維/環氧樹脂複合材料200

9.3 纖維表面改性對界面行為的作用202

9.3.1 PPTA纖維表面的化學改性203

9.3.2 PE纖維的等離子體處理204

9.4 裂縫與纖維相互作用引起的界面行為205

參考文獻207

前言 複合材料學是一門相對年輕的學科，涉及化學、物理學、力學、材料科學和工藝學等多學科領域。分散於各學科領域的複合材料工作者有一個共同關注的焦點——複合材料的界面。兩種脆性材料通過弱界面結合可以組合成一種韌性材料，而兩種材料的強結合則可能產生強度成倍增大的新材料，這是界面所起的作用。可以認為，對於給定的增強體和基體材料，界面是決定複合材料性能的決定性因素。長期以來，人們都努力於通過設計和製作結構和性能合適的界面以獲得符合預定性能的複合材料。顯然，充分了解界面行為是達到這一目標的前提。

有關複合材料的出版物十分豐富，然而卻很少有專門討論界面問題的書籍。關於界面問題的研究成果和最新進展又廣泛分散於各個學科領域的眾多出版物中，相關研究人員深感不便。本書試圖將界面行為的最新理論、測試技術和數據處理方法集合在一起，填補這個欠缺。

全書包含9章，主要涉及纖維增強複合材料的界面微觀結構和力作用下的界面行為，同時盡力將界面微觀行為與材料宏觀性能相聯繫(儘管迄今為止這種關係並不很清晰，仍然是研究人員努力探索的目標)。第1章簡要闡述界面的定義，黏結機理和界面的作用。界面的微觀結構及其表徵方法安排在第2章；電子顯微術是傳統的基本方法，近10餘年來發展迅速的原子力顯微術和顯微拉曼光譜術提供了界面結構更豐富的信息。第3章涉及界面微觀力學研究的傳統實驗技術和數據處理方法以及主要幾種界面微觀力學理論，同時指出傳統實驗和分析方法的缺陷。將拉曼和熒光探針與傳統的界面微觀力學試驗相結合，形成了一種全新的、功能更豐富和更完善的實驗技術和數據分析方法，使界面微觀力學研究獲得重大進展。這是一個成功的、多學科合作的例子。第4章闡述該方法的基本原理和實驗技術以及對界面力學研究的主要貢獻。第5章～第9章分述幾種高性能纖維增強先進複合材料的界面力學行為。許多高技術產業不可缺少的碳纖維複合材料安排在第5章。近年來納米尺度增強體（納米管或納米纖維）的應用使複合材料界面研究面臨一個新的領域；例如，碳納米管的結構和表面性質與傳統纖維有很大差異，加上它的小尺寸效應，使其與基體形成的界面與傳統纖維增強複合材料的界面顯著不同，似乎提示應建立新的界面理論。同時，也要求使用新的與傳統方法不同的探索界面行為的方法，第6章闡述這一領域的最近進展。第7章涉及玻璃纖維增強複合材料，玻璃纖維仍然是目前使用量最大的增強纖維。陶瓷纖維增強複合材料是高溫和其他惡劣或特殊環境下不可缺少的先進材料，在國防和其他高科技領域中具有重要地位。對這類複合材料，界面的作用主要以材料增韌為目標，因而與其他複合材料有顯著不同的界面行為，這部分內容要安排在第8章。

內容插圖 複合材料的界面能否有效地傳遞負載，有賴於增強體與基體之間界面化學結合和物理結合的程度，強結合有利於應力的有效傳遞。界面結合的強弱顯然與界相區域物質的微觀結構密切相關。對於以增韌為目標的複合材料系統，則要求較弱的界面結合強度，期望在某一負載後發生界面破壞，引起界面脫結合（debonding），此後由增強體與基體之間的摩擦力承受負載。摩擦力的大小與脫結合後增強體和基體表面的粗糙度密切相關，而表面粗糙度則在一定程度上取決於界相區的形態學結構。

複合材料的結構缺陷，例如小孔、雜質和微裂縫，常常傾向於集中在界相區，這會引起增強複合材料性能的惡化。在材料使用過程中，由於濕氣和其他腐蝕性氣體的侵蝕，常常使界相區首先受到不可逆轉的破壞，從而成為器件損毀的引發點。

基於上述原因，不論在製造還是在使用過程中，複合材料的界面結構情景都吸引了人們特別的關注，成為探索複合材料界面行為的焦點之一。

本章所述界面結構主要是指界相區的結構，也包含鄰近界相區的基體和增強體的結構。許多複合材料的界相區與基體或增強體並無確切的邊界。即便是同一種複合材料，界面結構也非均勻一致，有的是明銳的邊界，有的是模糊的邊界。界相區有時是一個結構逐漸過渡的區域。對界面結構的完整認識，應該包含對其鄰近區域結構的檢測。

簡介

複合材料界面是指複合材料的基體與增強材料之間化學成分有顯著變化的、構成彼此結合的、能起載荷等傳遞作用的微小區域。目前的研究尚處於半定量和半經驗的水平上。 最早複合材料界面曾被想像成是一層沒有厚度的面(或稱單分子層的面)。而事實上複合材料界面是一層具有一定厚度(納米以上)、結構隨基體和增強體而異、與基體有明顯差別的新相——界面相(或稱界面層)。因為增強體和基體互相接觸時， 在一定條件的影響下，可能發生化學反應或物理化學作用，如兩相間元素的互相擴散、溶解，從而產生不同於原來兩相的新相；即使不發生反應、擴散、溶解，也會由於基體的固化、凝固所產生的內應力，或者由於組織結構的誘導效應，導致接近增強體的基體發生結構上的變化或堆砌密度上的變化，從而導致這個局部基體的性能不同於基體的本體性能，形成界面相。界面相也包括在增強體表面上預先塗覆的表面處理劑層和增強體經表面處理工藝而發生反應的表面層。因此，必須建立複合材料界面存在獨立相的新概念。複合材料界面相的結構與性能對複合材料整體的性能影響大。為改善複合材料性能，必須考慮界面設計和控制。結構複合材料界面相存在的殘應力，是由於基體的固化或凝固收縮和兩相間熱膨脹係數的失配而造成的。無論應力大小和方向，都會影響到複合材料受載時的行為，如造成複合材料拉伸和壓縮性能的明顯差異等。結構複合材料界面的作用，是在複合材料受到載荷時把基體上的應力傳遞到增強體上。這就需要界面相有 足夠的粘接強度，而兩相表面能夠互相浸潤是先決條件。但是界面層並不是粘接得越強越好，而是要有適當的粘接強度，因為界面相還有另一個作用是在一定應力條件下能夠脫粘，同時使增強體在基體中拔出並互相發生摩擦。這種由脫粘而增大表面能所做的功、拔出功和摩擦功都提高了破壞功，有助於改善複合材料的破壞行為，即提高它的強度。至於功能複合材料界面相的作用，目前尚很少研究，但已有實驗證實，界面相在功能複合材料中的作用也是重要的。表徵為了認識界面的作用，了解界面結構對材料整體性能的影響，必須先表徵界面相的化學、物理結構，厚度和形貌，粘接強度和殘餘應力等，從而可以尋找它們與複合材料性能之間的關係。 界面相化學結構包括組成元素、價態及其分布。其表徵可以藉助許多固體物理用的先進儀器，如俄歇電子譜(AES，SAM)、電子探針(EP)、X光電子能譜儀 (X PS)、掃描二次離子質譜儀(S SIMS)、電子能量損失譜儀(EELS，PEELS)、傅里葉紅外光譜(FTIR)、顯微拉曼光譜(MRS)、擴展X射線吸收細微結構譜 (E XAFS)等。由於界面相有時僅為納米級的微區，而且有的組成非常複雜(尤其是金屬和陶瓷基複合材料)， 因此迄今還不能說哪一種方法可以滿意地給出有關複合材料界面相全部化學信息。這是因為這些方法有的束斑太大，遠遠超過界面微區的尺寸;有的僅能提供元素的信息而不能知道元素的價態；有的會對某些觀察物造成 表面損傷等，存在着各式各樣的局限性。所以仍需研究 合適的新方法，或幾種方法的配合使用。 界面相形貌和厚度的表徵也有不少方法，如透射電 鏡(TEM)、掃描電鏡(S EM)。新方法有角掃描X射線反射譜(GAXP)，可以測定金屬基和陶瓷基複合材料界 面相的厚度。但這些方法在測量上也有難度。 界面相粘接強度的表徵基本上有5種方法，即單絲拔出法、埋入基體的單絲裂斷長度法、微(單絲)壓出 法、球形(或錐形)壓頭壓痕法、常規三點彎剪法等。前兩種方法只能表徵單絲複合材料的行為；後3種雖是表 征複合材料，但又各有不足之處。而且各種方法測出 的數據相差甚遠，以球形壓痕法和三點彎剪法數值較高。目前尚難以決定何種方法是最為合適的。此外，還有用 動態力學法測定內耗值以表徵界面結合狀態的方法。界面湘殘餘應力的表徵也很困難。對透明基體和不 透明基體都分別有其相應的方法，但是均不理想，同時 在計算處理上也較複雜。複合材料界面理論過去對於複合材料界面理論的 研究是試圖提出一個能夠適用於各種複合材料的理論，諸如化學反應理論、浸潤理論、可形變層理論、約束層 理論、靜電作用理論以及把一些理論結合起來的理論。但它們都有許多矛盾，常不能自圓其說。由於對界面認識的逐步深化，了解到界面相的複雜性與多重性是和原組成材料、加工工藝和使用環境密切有關。因此，理論研究轉向針對某一具體體系，探討界面微結構與宏觀性能的關係，界面浸潤過程和界面反應的熱力學與動力學關係，建立某種體系的界面相模型並作理論處理等。