nullnull4 复合材料的界面理论和界面控制null本章要求了解复合材料界面的基本概念和界面结合类型；
了解聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料的界面特征、界面要求及界面控制
方法
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。
了解复合材料界面性能的表征方法。4 复合材料的界面理论4 复合材料的界面理论4.1 复合材料界面的基本概念
4.2 界面结合类型和界面模型
4.3 对界面的要求
4.4 聚合物基复合材料的界面及优化
4.5 金属基复合材料的界面及优化
4.6 陶瓷基复合材料界面及优化
4.7 复合材料界面性能的表征4.1 复合材料界面的基本概念4.1 复合材料界面的基本概念4.1.1 界面定义
4.1.2 润湿与结合
4.1.3 复合材料中纤维与基体的界面相容性国防科技大学航天与材料
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
学院4.1.1 界面定义4.1.1 界面定义4.1.1.1 定义
4.1.1.2 原子配位的概念
4.1.1.3 复合材料中纤维与基体的界面null4.1.1.1 定义可以把任何两相（如纤维与基体）之间某种材料特性出现不连续性的区域叫做界面。
这种不连续性可能是陡变的，也可能是渐变的。
很显然，一个给定的界面，其所涉及的材料特性不连续性可以是一个也可以是几个。
一般，界面在本质上是一个两维区域。 null元素的浓度（concentration of an element）
晶体结构（crystal structure）
原子的配位（atomic registry）
弹性模量（elastic modulus）
密度（density）
热膨胀系数（coefficient of thermal expansion）★材料的特性包括：4.1.1.2 原子配位的概念4.1.1.2 原子配位的概念上述大多数物理、化学或力学的不连续性都能够自释，而原子配位的概念还需要进一步详细说明。
根据界面处原子配位的类型，可以将界面分为：
共格界面
半共格界面
非共格界面null共格界面定义：界面处的原子属于两部分晶体所共有，即在界面两侧，原子位置之间存在一一对应的关系。如图4-1(a)所示。
一般除孪晶（twin）外，晶体之间很难出现这种理想的原子配位（即界面没有变形，界面能接近于零）。
共格界面的界面能比较低。
（1）共格界面（coherent interface）null 在大多数情况下，界面两侧的晶格常数不相等（即a≠a ），共格界面处总是存在一定程度的弹性变形。如图4-1(b)所示。
（111）
(a) (b)
图4-1 共格界面的两种情况（a）共格孪晶界面；（b）一般共格界面
a
90º）则表明润湿性差。4.1.3 复合材料中纤维与基体的界面相容性4.1.3 复合材料中纤维与基体的界面相容性4.1.3.1 界面的物理相容性
4.1.3.2 界面的化学相容性
★相容性的含义★相容性的含义相容性（compatibility）是指纤维与基体是否相互容纳。
相容性包括： 化学相容性力学相容性物理相容性4.1.3.1 界面的物理相容性
（physical compatibility）4.1.3.1 界面的物理相容性
（physical compatibility）物理相容性主要指：
（1）纤维与基体间的润湿性
基体对纤维润湿不好时，界面结合太弱，使其传递载荷的功能不能充分发挥。
（2）热残余应力
在制造过程，由于组元之间热膨胀系数不匹配引起组元和界面残余应力。它容易造成微裂纹和影响组元的承载能力，导致复合材料低应力断裂。但对于陶瓷基复合材料来说，反而可能产生增韧效果。★界面残余应力产生原因：★界面残余应力产生原因： 制造过程中，由复合温度冷至室温，或使用过程中，由室温升至高温，出现急冷或急热。当复合材料中各组元的热膨胀系数不同时，将产生残余内应力。
表4-1 常用纤维及基体的热膨胀系数（×10-6/ ℃）：SiC Al2O3 C B Si3N4 Al Mg Ti Ni
4-6 8.3 -1 6.3 3.6 24.5~25.8 26 9.6~14.0 15.5~17.5
残余应力的符号：残余应力的符号：z表示轴向应力；r表示径向应力；表示切向应力。
z
r
图4-9 单元体上的应力分量nullMatrixFiberⅠⅡABCσσ 复合材料制备过程应力重新分布示意图（Ⅰ：高温下，纤维与基体的长度一致；Ⅱ：冷却后由于热膨胀系数的差别产生热应力。当基体的膨胀系数大于纤维的膨胀系数时，基体将受到拉应力的作用，而纤维将受到压应力的作用。）null引起基体变形
W/Cu系，1100℃浸渗，冷至室温后，界面附近的Cu基体中位错密度增高。Chawla和Metzger认为是热应力造成基体塑性变形而引起的。
Arsenault发现SiCw/Al系也有类似的情况。
造成纤维或基体预应力
当fz>mz时(常见于陶瓷基复合材料），由高温冷至室温。界面附近基体中产生预压应力，使基体抵抗拉伸载荷下开裂的能力增加。起增韧效果。热应力的作用null（1）复合材料中界面的重要性
在纤维增强复合材料的情况下，界面,或更精确地说——界面区域——是由纤维与基体的表面层附近以及这些表面层之间的物质层所组成。
*纤维或基体附近的表面层是由于纤维——基体元素相互
溶解、扩散形成的，而过渡层是由于化学反应产物组成的。纤维
*纤维表面层
过渡层
*基体表面层
基体4.1.3.2 界面的化学相容性null 在复合材料中界面之所以重要的理由是被界面所占有的内表面积十分大，在一个适当体积分数的复合材料中界面面积可达:
纤维复合材料：纤维体积分数50%，直径10m，则界面面积2000 cm2/cm3。
颗粒增强复合材料：颗粒体积分数50%，直径1m，则界面面积15000cm2/cm3。
null 化学成份参数
几何和尺寸参数
微观结构和组织形态
界面区出现的不同相的力学、物理、化学和热学特性参数 (2)表征界面的参数null 良好的化学相容性是指在高温时复合材料两相处于热力学平衡，以及两相反应动力学十分缓慢。
除共晶复合材料和原位生长复合材料外，一般复合材料都很难找到热力学平衡体系。
在选择组元时，只能根据组元在孤立情况下的力学和物理性能来选择。当把两组元放在一起形成复合材料时，由于热力学不平衡，通常存在一个驱动力，促使两组元发生某种反应，导致体系达到热力学平衡状态。(3) 界面处的相互作用null在确定复合材料界面最终的平衡状态时，可以查阅两组元（或三组元）的相图。
有关反应动力学的技术资料，例如一个组元在另一个组元中的扩散系数，可以提供关于系统达到一种平衡状态和过程方面的信息。
为了确定组元的化学相容性，在热力学和动力学数据方面，还必须做许多实验研究。热力学和动力学对界面相互作用研究的重要性4.2 界面模型和界面类型4.2 界面模型和界面类型4.2.1 界面结合类型
4.2.2 MMC中的界面
4.2.3 界面模型
4.2.1 界面结合类型4.2.1 界面结合类型4.2.1.1 机械结合
4.2.1.2 溶解与润湿结合
4.2.1.3 反应结合
4.2.1.4 交换反应结合
4.2.1.5 氧化物结合
4.2.1.6 混合结合null学习界面模型的目的是最终能够控制基体与增强体之间的结合程度，从而做到控制界面。
界面结合类型简单分为机械结合和化学结合两类。化学结合又分为：溶解与润湿结合和反应结合。★学习界面模型的目的和界面分类null(a)机械结合(b)溶解与
润湿结合(c)反应结合界面结合主要类型M FM FM MFx F图4-12 复合材料界面结合的主要类型null(1)定义
基体与增强体之间没有任何化学作用，而依靠纯粹的粗糙表面相互嵌入（互锁）作用进行连接，称为机械结合或机械互锁(mechanical interlocking)。 4.2.1.1 机械结合(mechanical bonding)null(a)纤维的表面粗糙度大，有助于基体的嵌合；
(b)基体的收缩性大，有助于对纤维扣紧。 纤维 基体
表面粗糙纤维 基体
基体收缩(a)(b)图4-13 有助于机械互锁的因素★有助于机械互锁的因素：null硼纤维/铝——用CVD方法生产的硼纤维，表面是玉米穗(corn cob)结构，与金属铝箔固态复合时，由于基体软，压紧后填充硼纤维表面，形成机械结合。在这种情况下，不一定需要润湿或冶金学结合。
W/Al——实验研究证明，对光滑W丝进行腐蚀，使表面粗糙，再涂覆石墨以防与铝反应，真空渗铝得到的W/Al 复合材料，具有机械结合界面。其纵向强度高（达到混合物定则的91%）。从拉伸后的复合材料中萃取的W纤维上出现许多颈缩(necking)，表明机械互锁对承受纵向拉伸载荷很有效。（2）机械结合的效果null事实上，纯粹的机械结合（即无任何化学作用）是不存在的。基体与增强体之间总会有弱的范德华力存在，故机械结合更确切地讲是机械结合占优势的结合。而且大多数情况下，机械结合与反应结合并存，是一种混合结合。
另外，机械结合只有当平行于界面施力时，其载荷传递才是有效的。
陶瓷基复合材料中的界面，以机械结合为主。null（1）定义
基体与增强体之间首先发生润湿，然后相互溶解，形成的结合方式称为溶解与润湿结合。
但溶解是次要的，因为在高温下的扩散时间很短。
组元间的相互作用出现在电子等级上，即短程范围，这意味着这些组元将进入原子尺度的紧密接触。4.2.1.2 溶解与润湿结合
(dissolution and wettability bonding)（2）溶解与润湿结合的要求（2）溶解与润湿结合的要求为了达到润湿，纤维表面应当作适当处理，以便：
除去污染、吸附的气体、表面膜；
形成表面润湿层、阻挡层；
形成利于机械结合的粗糙表面。
null
纤维保持新鲜表面
处理方法 纤维涂层
表面氧化处理气泡污染表面膜图4-14 纤维表面处理的原因和方法null（1）定义
基体与纤维间发生化学作用，在界面上形成一种新的化合物而产生的结合称为反应结合。
这是一种最复杂、最重要的结合方式。
4.2.1.3 反应结合(reaction bonding)（2）反应结合的本质（2）反应结合的本质 反应结合受扩散控制，原子需要扩散到反应地点才能进行反应。
不能将基体与纤维产生反应一概称为反应结合，只有反应后能产生界面结合者才是反应结合，如果反应后界面产生大量脆性化合物，造成界面弱化，则不能称为反应结合。
要实现良好的反应结合，必须选择最佳工艺参数（温度、压力、时间、气氛等）来控制界面反应的程度。null
采用硅烷（R-SiX3）偶联剂（silanes coupling agents）,在聚合物基复合材料的界面理论中，称为化学键理论，是最著名、最重要的界面理论。（3）反应结合的例子例1：玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂★化学键理论★化学键理论偶联剂含有至少两个化学官能团，在理论上，
一种官能团能与玻璃纤维上的硅烷醇基团反应，并由共价键在玻璃上形成附着物；
另一个官能团固化时在理论上可与树脂基体互起反应。
假定发生这一切，则偶联剂可起媒介作用，以主价键将玻璃和树脂连接起来。能够在理论上获得最强的界面粘接。界面强度达(50-100)kcal/mol。null
(a)有机硅烷水解，生成三元羟基硅醇。
R R
X-Si-X HO-Si-OH + 3HX
X OH (b)玻璃纤维表面吸水，生成羟基基团。
OH OH
-Si-O-Si-O-
化学键理论（偶联剂）作用原理 ：null(c)硅醇与吸水的玻璃纤维表面反应
又分为三个步骤：
第一步：先生成氢键；
第二步：水分蒸发，硅醇间进行醚化反应；
第三步：高温干燥，硅醇与吸水玻璃之间发生醚化反应。
反应式见下页图。
化学键理论（偶联剂）作用原理null第一步： 第二步： 第三步：
R H R R R R R
HO-Si-O O-Si-OH -O-Si-O-Si-O- -O-Si-O-Si-O-
O H O -H2O O O -H2O
H H H H H H H H O O
O O O O
Si O Si O Si O Si Si O Si O
玻 璃 纤 维基 体第一步：生成氢键第二步：水分蒸发，硅醇醚化反应。第三步：高温干燥，与吸水玻璃纤维发生醚化反应。图4-15 硅醇与玻璃表面的反应式化学键理论（偶联剂）作用原理化学键理论（偶联剂）作用原理有机硅烷（R-SiX3）通过X基团的上述一系列反应与玻璃纤维表面结合；
有机硅烷（R-SiX3）中的R基团将与树脂反应；
玻璃纤维表面性质变为憎水和亲基体。
null(a)有机硅烷中的X基团较多使用：
甲氧基(OCH3)
乙氧基(-OC2H5)
甲氧乙氧基(-OC2H5OCH3)
优点：水解缓慢，生成甲醇无腐蚀性，硅醇稳定，反应时可有水介质。
★常用有机硅烷及其优点(b)有机硅烷中的R基团较多使用：(b)有机硅烷中的R基团较多使用：环氧基（CH2-CH-）适合于环氧、聚酯和酚醛树脂
O
乙烯基 (CH2=CH-)
O
甲基丙烯酰基(CH2=C-C-O-) 适合于聚酯、丙烯酸树脂
CH3
胺基(NH2-(CH2)3-)
有机络合物，如甲基丙烯酸氯化铬盐（即沃蓝）例2：碳纤维的表面处理例2：碳纤维的表面处理(a)氧化法（包括液相法和气相法）
硝酸氧化法：用硝酸（浓度60%），于120℃/24h煮沸，洗去残液即可，能够提高层间剪切强度1倍，但拉伸强度略降。
次氯酸钠氧化法：浓度为10%或20%，pH值=5.5时，次氯酸钠水溶液与醋酸反应 生成次氯酸。
空气氧化法：400℃/1h——对于HT碳纤维；
600℃/（3~4）h——对于HM碳纤维null(b)表面晶须化法
碳纤维通过温度为（1100-1700）℃的晶须生长炉，沉积上-SiC晶须，改变晶须的表面形状、面积和活性，可提高与基体的粘接力。
晶须含量越高，层间剪切强度提高得越多，表面晶须含量为64%时，层间剪切强度达14.3GPa。
null(c)蒸汽沉积法
在1000℃条件下裂解乙炔或甲烷，所生成的碳沉积到碳纤维上，其活性大，并与树脂润湿。能显著提高层剪强度。
null蒸汽类型 拉伸强度变化率 层间剪切强度变化率
SiC -5% +60%
FeC -10% +80%
CH4 -5% +100%表4-2 蒸汽沉积法处理后，对碳纤维增强树脂性能的影响null(d)溶液还原法与净化法
首先使碳纤维通过处理液并干燥，第二步加热使沉积在碳纤维上的物质分解，其产物与惰性碳纤维表面起还原反应。生成活性较高的碳，从而易与树脂反应。
处理液：三氯化铁液[（1-5）%苯溶液或水溶液]
净化法处理液：10%硫酸null
溶液种类 拉伸强度变化率 层剪强度变化率
Fe(C2H5)2+(1-3)%甲苯 +28% +80%
FeCl3+(1-5)%苯（水） -7% +100%
苯代聚对二氯萘（PPQ) 0% +170%
+0.1%氯仿表4-3 溶液还原与净化法处理后，对碳纤维增强树脂性
能的影响null(e)偶联剂的化学涂层
玻璃纤维的偶联剂对碳纤维不适用，而采用钛酸酯涂层碳纤维，或聚二氯二甲基硅烷涂层后再在1000℃惰性气体中6h，此种碳纤维可以复合环氧。
涂层可以是酚醛树脂、糠醇树脂、环氧、聚乙烯醇和聚酰亚胺。用量为纤维的（1～2）%，流散性好，能填平表面孔穴和缝隙。
(f)电沉积与电聚合法－－自学
null例3 金属基复合材料的界面元素浓度曲线固溶体 金属间化合物 固溶体
M interface F图4-16 金属基复合材料的界面金属基复合材料界面层包括固溶体和金属间化合物null 反应产物与反应速率一样，都取决于基体化学成份、反应时间和温度。一般公式为：
x2 = D t
式中，x是界面反应层厚度（即扩散距离）；
D是扩散系数，D =A exp[-Q / (kT)] ;
t为时间；
Q是激活能；
k是玻尔兹曼常数；
T是绝对温度；
A是预指数（常数），A与基体合金的成份、纤维和气氛有关（4）反应结合需考虑反应动力学图4-17 金属基复合材料的另外三种界面结合图4-17 金属基复合材料的另外三种界面结合混合结合（反应结合加机械结合）氧化物结合交换反应结合MOxFM(A,B) AFxnull (1)定义
当增强体或基体含有两种或两种以上元素时，除发生界面反应外，在增强物、基体与反应产物之间还会发生元素交换，所产生的结合称为交换反应结合。
4.2.1.4 交换反应结合
(exchange reaction bond)(2)交换反应结合的例子(2)交换反应结合的例子B纤维/钛合金（Ti-8Al-1V-1Mo）
首先发生反应如下：
Ti(Al)+B (Ti•Al)B 2
再交换反应：
(Ti•Al)B2+Ti TiB2+Ti(Al)
用电子探针分析证实了界面反应最终产物是TiB2。产生交换反应的原因是Ti-B的亲和力大于Al-B的亲和力。null距中心距离特征x射线强度 B纤维 TiB2 Ti(Al,V,Mo)TiAl界面附近含14%Al
，是交换反应排除的。基体中仅
含8%Al无铝图4-18 反应带电子探针分析结果4.2.1.5 氧化物结合(oxide bond )4.2.1.5 氧化物结合(oxide bond )（1）定义
当采用氧化物增强体时，氧化物与基体间发生反应生成另一种氧化物，所产生的结合称为氧化物结合。
（2）例子：Al2O3/Ni系、Al2O3/Cu系、SiO2/Al系。null 氧化物增强体与基体反应与否，取决于基体的氧化物形成自由能：
当基体金属元素的氧化物形成自由能比氧化物增强体的自由能更负时，则易在界面反应生成氧化物；
反之，则要看气氛中氧的来源情况。★Al2O3/Ni系的研究结果★Al2O3/Ni系的研究结果当反应产物厚度小于5000nm时，产生氧化物结合；
当超过此厚度时，纤维会被损伤；
当基体金属中含有合金元素（如Ti、Zr）时， 其氧化物形成自由能比氧化物增强体的自由能更负，Ti、Zr会夺取Al2O3中的氧而生成TiO2和ZrO2，也会损伤纤维；
当空气中有氧存在时，会生成尖晶石(spinel）NiAl2O4。4.2.1.6 混合结合（mixed bond）4.2.1.6 混合结合（mixed bond）（1）定义
当基体氧化膜逐渐破坏时，会从非化学结合向化学结合过渡，过渡中，既有机械结合又有化学结合，称为混合结合。null（2）例子
B(25vol%)/Al(6061)复合材料
在550℃加热不同时间后的拉伸强度b 随时间增长而减少：
593MPa(550℃/0.5h);524MPa(550℃/5h);
442MPa(550℃/12h);317MPa(550℃/165h)。
表明随着时间延续，Al的氧化膜逐渐破坏，B、Al之间的反应加剧，出现反应结合与机械结合并存的结合。4.2.2 MMC中的界面4.2.2 MMC中的界面4.2.2.1 金属基复合材料中界面的特殊性
4.2.2.2 对W/Cu复合材料界面的研究4.2.2.1 金属基复合材料中界面的特殊性4.2.2.1 金属基复合材料中界面的特殊性根据金属基复合材料的主要界面结合类型，又将界面划分成三种类型：
Ⅰ型界面：既不溶解也不反应（包括机械结合和氧化物结合）；
Ⅱ型界面：可以溶解，但不反应（包括溶解与润湿结合）；
Ⅲ型界面：发生反应并形成化合物（包括反应结合、交换反应结合和混合结合）。null 表4-4 金属基复合材料体系的界面类型
界面类型 体 系
Ⅰ型 C/Cu, W/Cu, Al2O3/Cu, Al2O3/Ag,
B(BN)/Al
B/Al*, SiC/Al*, 不锈钢/Al*
Ⅱ 型 W/Cu(Cr), W/Nb, C/Ni, V/Ni**,
共晶体***
Ⅲ 型 W/Cu(Ti), C/Al(>1000℃),Al2O3/Ti, B/Ti,
SiC/Ti, Al2O3/Ni, SiO2/Al, B/Ni, B/Fe,
B/不锈钢
注：* 表示伪Ⅰ类界面；
** 该体系在低温下生成Ni4V；
*** 当两组元溶解度极低时划为Ⅰ类。伪Ⅰ类(pseudo-classⅠsystem)界面的含义：伪Ⅰ类(pseudo-classⅠsystem)界面的含义：热力学指出，两组分之间应有化学反应；
氧化膜阻止反应进行；
反应能否进行，取决于氧化膜的完整程度；
工艺上宜采用固态法（如热压、粉末冶金、扩散结合），而不宜采用液态浸渗法。
以上金属基复合材料界面的划分并无严格界线；伪Ⅰ类的情况也不是绝对的，如SiC/Al系。 4.2.2.2 对W/Cu复合材料界面的研究4.2.2.2 对W/Cu复合材料界面的研究Petrasek和Weeton对W/Cu复合材料界面的研究（1964），分为4种情况：
1）W/纯Cu系：在W丝周围既不溶解也无反应；
2）W/Cu(Co、Al、Ni)系：发现W丝外表面晶粒因再结晶而粗大，这是由于基体中的合金元素（Co、Al、Ni）向W丝中扩散导致其再结晶温度下降的缘故，结果使W丝变脆；
null3）W/Cu(Cr、Nb)系：发现合金元素向W丝中扩散、溶解和合金化，形成W(Cr、Nb)固溶体。此种情况对复合材料性能影响不大；
4）W/Cu(Ti、Zr)系：W与Ti、W与Zr发生反应，并形成化合物。使复合材料强度和塑性下降。4.2.3 界面模型4.2.3 界面模型4.2.3.1 早期对界面的看法
4.2.3.2 Ⅰ型复合材料的界面模型
4.2.3.3 Ⅱ、Ⅲ型复合材料的界面模型4.2.3.1 早期对界面的看法4.2.3.1 早期对界面的看法早期－复合材料界面的看法：界面处无反应、无溶解，界面厚度为零；复合材料性能与界面无关；
稍后－则假设界面强度大于基体，因而基体产生的塑性流动将使纤维至纤维的载荷传递受到限制，这是所谓的强界面理论。它认为：基体最弱，复合材料强度取决于基体强度。
预测－复合材料力学性能的混合物定律（ROM）是根据强界面理论导出的。4.2.3.2 Ⅰ型复合材料的界面模型4.2.3.2 Ⅰ型复合材料的界面模型 Cooper和Kelly(1968)确定Ⅰ型界面：
有机械互锁存在，且此界面性能与增强体和基体均不相同；
复合材料性能受界面性能的影响，影响程度要看界面性能与基体、纤维性能的差异大小；
Ⅰ型界面模型包括机械结合和氧化物结合两种界面类型。null
图4-19Ⅰ型界面控制复合材料性能的因素 界面iiiiⅠ型界面控制复合材料性能的因素有两类，即界面拉强度（ i ）和界面剪切强度（ i ）。Ⅰ型界面控制复合材料性能的因素Ⅰ型界面控制复合材料性能的因素受界面拉伸强度 i 控制的复合材料性能包括：横向强度、压缩强度以及断裂能量；
受界面剪切强度i 控制的复合材料性能包括：纤维临界长度 lc（或称载荷传递长度）；纤维拔出情况下的断裂功以及断裂时基体的变形。
4.2.3.3 Ⅱ、Ⅲ型复合材料的界面模型4.2.3.3 Ⅱ、Ⅲ型复合材料的界面模型（１）概述
认为界面是具有不同性能的、有一定厚度的界面带，界面带可能是由于元素扩散、溶解造成，也可能是反应造成。
不论Ⅱ型或Ⅲ型界面，都对复合材料性能有显著影响。▲如B/Ti复合材料界面属于Ⅲ型，其横向破坏是典型的界面破坏，并在纤维一侧的界面处断裂。 图4-20 Ⅱ、Ⅲ型界面控制复合材料性能的因素图4-20 Ⅱ、Ⅲ型界面控制复合材料性能的因素 M 反应带 F
im if im
if
mr f f r m基体拉伸强度反应物拉伸强度纤维拉伸强度基体/反应物界面
拉伸强度纤维/反应物界面
拉伸强度纤维/反应物界面
剪切强度基体/反应物界面
剪切强度基体剪切强度反应物剪切强度纤维剪切强度nullm—基体拉伸强度；
f —纤维拉伸强度；
r —反应物拉伸强度；
im—基体／反应物界面拉伸强度；
if —纤维／反应物界面拉伸强度；
m —基体剪切强度；
f —纤维剪切强度；
r —反应物剪切强度；
im—基体／反应物界面剪切强度；
if —纤维／反应界面剪切强度。Ⅱ、Ⅲ类界面控制的复合材料10类性能：null反应物的强度、弹性模量与基体和纤维的很不相同。
反应物的断裂应变一般小于纤维的断裂应变，因此，反应物中常会先出现裂纹。
裂纹的来源有二种：
(a)在反应物生长过程中产生的裂纹（即反应物固有裂纹）；
(b)在拉伸过程中产生的裂纹。（２）反应物拉伸强度r null少量反应（反应物厚度小于500nm）时，裂纹长度小，反应层断裂所引起的应力集中小于纤维固有裂纹所引起的应力集中，所以，纤维中的裂纹控制复合材料的强度。
中等反应（反应物厚度500～１000nm）时，反应带中的裂纹开始控制复合材料强度，纤维在一定应变量后发生破坏。
大量反应（反应物厚度1000～2000nm）时，反应带中的裂纹会导致纤维立即破坏。复合材料的性能主要由反应带中的裂纹所控制。 （３）反应物裂纹的长度（一般等于反应物厚度）对复合材料性能的影响null 由上述研究结果可见，在Ⅱ、Ⅲ型界面的复合材料中，反应带裂纹是否对复合材料性能产生影响，有一个临界厚度问题：
高于此临界厚度，反应带裂纹将导致复合材料性能下降；
低于此临界厚度，复合材料的纵向拉伸强度不仅不受影响，而且可能还会有好处。
思考为什么？关于反应带裂纹对复合材料性能影响的分析：nullA 反应带中裂纹两端是否有支撑物（surpport)
主要是基体支撑，若基体弹性极限高，则裂纹开口困难，此时，可容许反应带厚度就大，即允许裂纹长B 纤维对裂纹的耐受力大小
★如果纤维具有一定程度的塑性而不是完全弹性体，则反应带裂纹尖端产生的应力集中将使纤维产生塑性变形，从而松弛应力而不致断裂。
★若纤维是脆性的，则反应带中裂纹尖端造成的应力集中很容易使纤维断裂。 （４）应考虑的其它因素null例子1：不锈钢丝／Al系（纤维是韧性的）基体Al反应物FeAl（强度低，有裂纹）不锈钢纤维中可观察到由于塑性变形而产生的滑移带裂纹尖端图4-21 当纤维具有一定程度塑性时，反应物裂纹尖端产生的应力集中使纤维发生塑性变形。null例子2：C/Al系（纤维是脆性的）基体反应物脆性纤维纤维裂纹当纤维是脆性时，反应物裂纹产生的应力集中使纤维断裂图4-22脆性纤维应力集中图4.3 对界面的要求4.3 对界面的要求4.3.1 对界面的力学要求
4.3.2 对界面的物理化学要求
4.3.3 纤维复合材料受力时界面的力学环境 null传递效应：传递载荷。
阻断效应：阻止裂纹扩展，中断材料破坏、减缓应力集中。
不连续效应：产生物理性能的不连续和界面摩擦出现的现象，如抗电性、磁性、耐热性等。
散射和吸收效应：波在界面产生散射和吸收。
诱导效应：一种物质（增强物）的表面结构使另一种（常为聚合物基体）与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象如强的弹性、低的膨胀性等。★对界面的要求
(the requirements for the interface)★对界面的要求
(the requirements for the interface)对界面的要求有二：
（1）力学要求——界面应能传递载荷。是对界面的主要要求。
（2）物理化学要求——要求界面在复合材料制造和整个服役期间的稳定性高。4.3.1 对界面的力学要求4.3.1 对界面的力学要求4.3.1.1 载荷传递与应力分布
4.3.1.2 界面结合强度对传递载荷的影响
★对界面的力学要求★对界面的力学要求从力学观点出发，整个复合材料应该是一个理想的力学连续体。即复合材料中各组分（基体、界面、纤维）之间有完整的结合，整个界面具有均匀、恒定的界面强度。以保证界面传递载荷的功能，并决定了载荷 在各组分中的分布状况。
只有在复合材料中各组元是力学连续体的情况下，各组元才能对复合材料作出自己的贡献（既保持原有性能，又贡献自身的优点)。4.3.1.1 载荷传递与应力分布4.3.1.1 载荷传递与应力分布对单向纤维增强复合材料施加纵向拉伸载荷时，载荷只能施加在复合材料的端面上，然后再以剪切方式传递到复合材料内部的纤维和基体上。
分析截面A（夹头附近）和截面B（远离夹头处）的应力分布。null复合材料 mfBA载荷 BA夹头图4-23 纵向拉伸载荷作用下，单向纤维增强复合材料的模型null 在A截面（夹头附近或夹头处）处，加在试样表面的外力在试样内引起不均匀变形。导致：
在基体和纤维中产生的剪应力沿截面A的分布不均匀；
在基体和纤维中产生的轴向正应力分布亦不均匀。(1)截面A处的应力分布 (a)截面A处的剪切应力分布(a)截面A处的剪切应力分布贴近夹头表面层的基体变形比纤维大，从而引起较大的剪切应力;
纤维/基体之间的界面处，剪切应力最大；
由于试样中心的基体与纤维之间变形差较小，因此剪切应力水平下降。
说明：剪应力沿截面A的分布不均匀。 null图4-24 截面A处剪应力分布AA0表面层的基体中心的基体表面层的基体剪应力大夹头夹头null(b)截面A处的正应力分布纤维中的正应力水平高，而基体中的正应力水平低。
说明：在基体和纤维中产生的轴向正应力水平亦不均匀
见下页图。
null图4-25 截面A处正应力分布AA0表示正应力基体中正应力小纤维中正应力大夹头夹头(2)截面B处的应力分布(2)截面B处的应力分布(A)截面B处剪切应力分布：在截面B处纤维、基体变形均匀，该处界面剪切应力为零；
(B)截面B处正应力的分布：各组元承受轴向应力的大小取决于弹性模量 E 和应变 ，理论上只有轴向正应力存在： =E （正应力均匀分布）。
产生横向应力
见下页图。nullBB B截面处界面剪应力为零BB截面处界面轴向正应力分布均匀代表正应力00AA图4-26 截面B处剪应力和正应力分布（3）截面A至截面B的应力分布（3）截面A至截面B的应力分布变形由不均匀到均匀；
界面剪切应力从最大值变化到零；
界面正应力由不均匀分布到均匀分布；
A至B的距离大约是4至5倍纤维直径，但在实际上要比此值大得多。（2）横向应力的分析（2）横向应力的分析 在截面B处，除了轴向应力外，还产生横向应力。这是由于纤维与基体的收缩倾向不一致（泊松比不同）而造成的。在均匀变形过程中，界面处产生相互约束，因而产生横向应力（包括切向应力和径向应力r ） ；
图4-27 截面B处的横向应力rfmzB截面4.3.1.2 界面结合强度对传递载荷的影响4.3.1.2 界面结合强度对传递载荷的影响（1）界面结合好的含义：
界面两侧组元的原子结构在整个界面上呈连贯状态；
界面强度均匀、恒定。
则这样的界面：
(a)能够顺利完成传递载荷的功能；
(b)能够抵抗横向应力的产生，从而防止界面开裂。null（2）对界面的力学要求与加载类型的关系纵向载荷
对界面要
求不高横向载荷
对界面要
求高非轴向载荷
对界面要求
更高与疲劳有关的缺口拉伸载荷和交变载荷对界面的要求最高 缺口图4-28 加载类型与对界面的要求4.3.2 对界面的物理化学要求4.3.2 对界面的物理化学要求4.3.2.1 要求界面是理想的化学非连续体的理由
4.3.2.2 什么是理想的化学非连续体★对界面的物理化学要求★对界面的物理化学要求 要求界面是理想的化学非连续体。即各组元间没有元素间相互扩散或化学作用。4.3.2.1 要求界面是理想的化学非连续体的理由4.3.2.1 要求界面是理想的化学非连续体的理由只有各组分保持各自的化学成份和结晶构造，在界面处不存在相互连系的过渡相（甚至没有共格或半共格相），界面才能有效地阻止裂纹的传播和扩展；
只有两组元不发生化学作用，才能避免界面形成脆性连续相，乃至由脆性过渡相产生的裂纹所诱发的纤维破坏；
只有元素间不发生扩散，才不致使基体塑性变差或使增强体产生凹陷和不平整缺口等缺陷。4.3.2.2 什么是理想的化学非连续体4.3.2.2 什么是理想的化学非连续体只有热力学上相容的组分结合在一起才能符合化学非连续体的要求。如W/Cu系、定向共晶复合材料系。
实际复合材料常常是化学连续体。因为在复合材料设计时，更多地是考虑组元性能的协调，性能搭配好了以后，再考虑组元间的相容性。如果相容性差，则从纤维表面处理或工艺方法上加以改进。4.3.3 纤维复合材料受力时界面的力学环境4.3.3 纤维复合材料受力时界面的力学环境4.3.3.1 基本假设
4.3.3.2 连续纤维复合材料在纵向载荷下的力学性质
4.3.3.3 连续纤维复合材料在横向载荷下的力学性质
4.3.3.4 非连续纤维复合材料的界面力学性质
4.3.3.5 界面残余应力4.3.3.1 基本假设4.3.3.1 基本假设（1）各组分的化学成份是不连续的，因此，各组分的力学性能在界面处的突变的（各自独立，无过渡态）；
（2）界面或是完全结合（界面强度大于基体），或是完全不结合（不能承受拉力或剪力），而无中间状态（中间状态即是弱结合状态，界面受力情况复杂）；
（3）等应变；
（4）纤维整列良好。4.3.3.2 连续纤维复合材料在纵向载荷下的力学性质4.3.3.2 连续纤维复合材料在纵向载荷下的力学性质纵向载荷的载荷方向与纤维平行
在纵向载荷作用下，复合材料内部任何一点处都产生三轴应力，即
轴向应力
径向应力
切向应力横向应力（1）在弹性范围内的应力状态（1）在弹性范围内的应力状态由于纤维与基体的弹性模量不同，故：
纤维比基体的轴向应力高，界面处轴向应力最高；
横向应力与轴向应力相比，其值很小；
在简单拉伸时，纤维、基体和界面的应力状态均为三向。
（2）塑性范围内的应力状态（2）塑性范围内的应力状态（A）界面
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