第5章复合材料的界面 1
1 第5章 复合材料的界面
5.1 复合材料概述 复合材料是由两种或两种以上的不同材料通过一定工艺制成的多 相材料，并具有与原组成材料不同的新的性能。 包括三层意义： 口它是一种多相材料，包含两种或两种以上物理上不同并可用机械方法 分离的材料。 ▣ 它可以在人为控制下以某种工艺将几种分离的不同材料混合在一起， 形成复合材料。 ▣ 它的性能应优于各单独的组分材料，在某些方面可能具有组分材料没 有的独特性能。 2
2 5.1 复合材料概述 复合材料是由两种或两种以上的不同材料通过一定工艺制成的多 相材料，并具有与原组成材料不同的新的性能。 包括三层意义： 它是一种多相材料，包含两种或两种以上物理上不同并可用机械方法 分离的材料。 它可以在人为控制下以某种工艺将几种分离的不同材料混合在一起， 形成复合材料。 它的性能应优于各单独的组分材料，在某些方面可能具有组分材料没 有的独特性能
复合材料的结构： 口基体相 ▣ 增强相 口相与相之间存在界面。 复合材料按基体分类 口聚合物基复合材料 热塑性聚合物基：PP、PE、尼龙、PVC 热固性聚合物基：不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂等 ▣ 金属基复合材料 无机非金属基复合材料： 陶瓷基、水泥基、玻璃基 3
3 复合材料的结构： 基体相 增强相 相与相之间存在界面。 复合材料按基体分类 聚合物基复合材料 热塑性聚合物基：PP、PE、尼龙、PVC 热固性聚合物基：不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂等 金属基复合材料 无机非金属基复合材料： 陶瓷基、水泥基、玻璃基
复合材料的特性 (1).轻质高强 复合材料的密度低，在1.42.0之 间，约为钢的1/5，铝的1/2，因而 其比强度（抗张强度与密度的比）、 比模量（弹性模量与密度的比）比 钢、铝合金高，如高模量碳纤维/环 氧复合材料的比强度为钢的5倍，铝 合金的4倍。其比模量是钢、铝、钛 的4倍。轻质高强是复合材料适宜用 作航空、航天材料的宝贵性能
4 复合材料的特性 (1). 轻质高强 复合材料的密度低，在1.4～2.0之 间，约为钢的1/5，铝的1/2，因而 其比强度（抗张强度与密度的比）、 比模量（弹性模量与密度的比）比 钢、铝合金高，如高模量碳纤维/环 氧复合材料的比强度为钢的5倍，铝 合金的4倍。其比模量是钢、铝、钛 的4倍。轻质高强是复合材料适宜用 作航空、航天材料的宝贵性能
一些常用材料及纤维复合材料的比强度和比模量 材料 密度 拉伸强度 弹性模量 比强度 比模量 (g/cm3) (GPa) (102GPa) (10cm) (108cm) 钢 7.8 1.03 2.1 1.3 2.7 铝合金 2.8 0.47 0.75 1.7 2.6 钛合金 4.5 0.96 1.14 2.1 2.5 玻璃纤维复合材 2.0 1.06 0.4 5.3 2.0 料 碳纤维虹/环氧 1.6 1.07 2.4 6.7 15 复合材料 碳纤维I工/环氧 1.45 1.50 1.4 10.3 9.7 复合材料 有机纤维/环氧 1.4 1.40 0.8 10.0 5.7 复合材料 硼纤维/环氧复 2.1 1.38 2.1 6.6 10 合材料
5 一些常用材料及纤维复合材料的比强度和比模量 材料 密度 （g/cm3） 拉伸强度 （GPa） 弹性模量 （102GPa） 比强度 （106cm） 比模量 （108cm） 钢 ７.８ １.０３ ２.１ １.３ ２.７ 铝合金 ２.８ ０.４７ ０.７５ １.７ ２.６ 钛合金 ４.５ ０.９６ １.１４ ２.１ ２.５ 玻璃纤维复合材 料 ２.０ １.０６ ０.４ ５.３ ２.０ 碳纤维I／环氧 复合材料 １.６ １.０７ ２.４ ６.７ １５ 碳纤维II／环氧 复合材料 １.４５ １.５０ １.４ １０.３ ９.７ 有机纤维／环氧 复合材料 １.４ １.４０ ０.８ １0.０ ５.７ 硼纤维／环氧复 合材料 ２.１ １.３８ ２.１ ６.６ １０
复合材料的特性 (2).电性能好 www.china.cn 聚合物基复合材料的电绝缘性、高频介电性能、微波透 过性好，适宜用作电机仪表零件、雷达罩等
6 复合材料的特性 (2). 电性能好 聚合物基复合材料的电绝缘性、高频介电性能、微波透 过性好，适宜用作电机仪表零件、雷达罩等
复合材料的特性 (3)耐腐蚀性能和热稳定性能好 耐海水、耐酸、碱、盐和有机溶剂，适宜用作化工机械零部件、管 道、贮槽、渔船等；导热系数低，是优良的绝热材料。聚合物基复 合材料的耐烧蚀性能优良，能保护飞行器重返大气层免受2000℃以 上的高温、高速气流损害。高性能复合材料可设计成热膨胀系数为 零、能在高低温的交替中保持良好的尺寸稳定性材料
7 复合材料的特性 （3） 耐腐蚀性能和热稳定性能好 耐海水、耐酸、碱、盐和有机溶剂，适宜用作化工机械零部件、管 道、贮槽、渔船等 ；导热系数低，是优良的绝热材料。聚合物基复 合材料的耐烧蚀性能优良，能保护飞行器重返大气层免受2000℃以 上的高温、高速气流损害。高性能复合材料可设计成热膨胀系数为 零、能在高低温的交替中保持良好的尺寸稳定性材料
复合材料的特性 (4)性能的可设计性及材料写结构的一致性 复合材料的性能除由纤维、树脂的种类及含量决定外，还与纤 维的排列方向、铺层次序和层数有关，因此可以优化设计，做到安 全可靠，经济合理。 在制造复合材料的同时，也就得到了制品，可一次成型。这一 特点使得复合材料制品的零部件数目可明显减少，避免了接头过多， 降低了应力集中。同时，也相应减轻了零部件的重量，减少了制造 工序和加工量，缩短加工周期，降低生产成本
8 复合材料的特性 （4）性能的可设计性及材料与结构的一致性 复合材料的性能除由纤维、树脂的种类及含量决定外，还与纤 维的排列方向、铺层次序和层数有关，因此可以优化设计，做到安 全可靠，经济合理。 在制造复合材料的同时，也就得到了制品，可一次成型。这一 特点使得复合材料制品的零部件数目可明显减少，避免了接头过多， 降低了应力集中。同时，也相应减轻了零部件的重量，减少了制造 工序和加工量，缩短加工周期，降低生产成本
复合材料的特性 (5) 界面结合性差，层间剪切强度低 聚合物基复合材料也存在一些缺点和问题，如工艺稳定性较差， 材料性能分散性大，耐高温和环境老化性不好等。 此外，由于复合材料是由性能遽然不同的两种材料构成，因 而界面的相容性和结合力差，使得复合材料的层间剪切强度、横 向强度都不够理想。因此，常常要对复合材料进行界面改性来提 高复合材料的性能。 也正是对复合材料存在的问题的研究解决，推动着复合 材料科学的发展。 9
9 复合材料的特性 （5）界面结合性差，层间剪切强度低 聚合物基复合材料也存在一些缺点和问题，如工艺稳定性较差， 材料性能分散性大，耐高温和环境老化性不好等。 此外，由于复合材料是由性能遽然不同的两种材料构成，因 而界面的相容性和结合力差，使得复合材料的层间剪切强度、横 向强度都不够理想。因此，常常要对复合材料进行界面改性来提 高复合材料的性能。 也正是对复合材料存在的问题的研究解决，推动着复合 材料科学的发展
5.1.1聚合物基复合材料基体 聚合物可分为热固性树脂和热塑性树脂，相应地，聚合物 基复合材料也可分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂 基复合材料。 用作复合材料基体的热塑性树脂有聚乙烯、聚丙烯、尼龙、 聚酰亚胺等热塑性高分子材料。 用作复合材料基体的热固性树脂最主要的是不饱和聚酯树 脂、环氧树脂和酚醛树脂，其它还有脲醛树脂、呋喃树脂、 有机硅树脂等。其中最主要，应用最广泛的是不饱和聚酯、 环氧和酚醛三大热固性树脂。 10
10 5.1.1 聚合物基复合材料基体 聚合物可分为热固性树脂和热塑性树脂，相应地，聚合物 基复合材料也可分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂 基复合材料。 用作复合材料基体的热塑性树脂有聚乙烯、聚丙烯、尼龙、 聚酰亚胺等热塑性高分子材料。 用作复合材料基体的热固性树脂最主要的是不饱和聚酯树 脂、环氧树脂和酚醛树脂，其它还有脲醛树脂、呋喃树脂、 有机硅树脂等。其中最主要，应用最广泛的是不饱和聚酯、 环氧和酚醛三大热固性树脂