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第七章
复合材料的复合原则及界面
2
第一节 复合原则
要想制备一种 好的复合材料,首先应
根据 所要求的性能 进行设计，这样才能成
功地制备出 性能理想的复合材料 。
复合材料的设计应 遵循的原则 如下：
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一、材料组元的选择
挑选最合适的 材料组元 尤为重要。
在 选择材料组元 时，首先应明确 各组
元在使用中所应承担的功能,也就是说，
必须明确 对材料性能的要求 。
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对 材料组元进行复合,即要求 复合后
材料 达到如下性能，如 高强度, 高刚度,
高耐蚀, 耐磨, 耐热 或其它的 导电, 传热
等性能或者某些 综合性能 如 既高强又耐蚀、
耐热 。
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因此，必须根据 复合材料所需的性能 来
选择组成复合材料的 基体材料 和 增强材料 。
例如，若所设计的复合材料是 用作结构
件,则复合的目的就是要使复合后材料具有
最佳的强度、刚度和韧性 等,
6
因此，设计 结构件复合材料 时，首先必
须明确其中 一种组元主要起 承受载荷 的作用,
它必须具有 高强度和高模量 。这种组元就是
所要选择的 增强材料 ；
而其它组元应起 传递载荷 及协同的作用,
而且要 把增强材料粘结在一起,这类组元就
是要选的 基体材料 。
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其次，除考虑 性能要求 外，还应考虑组
成复合材料的 各组元之间的相容性,这包括
物理, 化学, 力学 等性能的相容，使材料各
组元 彼此和谐地 共同发挥作用。
在任何使用环境中，复合材料的 各组元
之间的 伸长, 弯曲, 应变 等都应 相互或彼此
协调一致 。
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第三，要考虑复合材料 各组元之间的浸润
性,使 增强材料与基体之间 达到比较理想的 具
有一定结合强度的界面 。
适当的 界面结合强度 不仅有利于 提高材料
的整体强度,更重要的是 便于将基体所承受的
载荷通过界面传递给增强材料,以充分发挥其
增强作用。
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若 结合强度太低, 界面很难传递载荷,
不能起潜在材料的作用,影响复合材料的整
体强度 ；
但 结合强度太高 也不利，它 遏制复合材
料断裂对能量的吸收,易发生 脆性断裂 。
除此之外，还应联系到 整个复合材料的
结构 来考虑。
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具体到 颗粒 和 纤维 增强复合材料 来
说,增强效果 与 颗粒或纤维的 体积含量,
直径, 分布间距 及 分布状态 有关。
颗粒和纤维 增强复合材料的 设计原则
如下：
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1,颗粒增强复合材料的原则
(1)颗粒应 高度弥散均匀 地分散
在基体中，使其 阻碍 导致塑性变形
的位错运动 (金属、陶瓷基体 )或 分子
链的运动 (聚合物基体 )。
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(2)颗粒直径的大小 要合适。
因为 颗粒直径过大,会引起 应力集中 或
本身破碎,从而导致材料强度降低；
颗粒直径太小,则起不到 大的强化作用 。
因此，一般粒径为几微米到几十微米。
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(3)颗粒的数量 一般大于 20％。数量
太少，达不到 最佳的强化效果 。
(4)颗粒与基体之间 应有 一定的粘结
作用 。
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2．纤维增强复合材料的原则
(1)纤维的 强度和模量 都要 高于基体,即
纤维应 具有高模量和高强度,因为除个别情
况外，在多数情况下 承载主要是靠增强纤维 。
(2)纤维与基体之间 要有 一定的粘结作用,
两者之间结合要保证 所受的力通过界面 传递
给纤维。
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(3)纤维与基体的 热膨胀系数 不能相差过
大,否则 在热胀冷缩过程中 会自动 削弱它们
之间的结合强度 。
(4)纤维与基体之间 不能发生有害的化学
反应,特别是 不发生强烈的反应,否则将引
起 纤维性能降低 而失去强化作用。
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(5)纤维所占的体积, 纤维的尺寸 和 分布 必
须适宜。
一般而言，基体中 纤维的体积含量越高,
其 增强效果越显著 ；
纤维直径越细,则 缺陷越小, 纤维强度也
越高 ；
连续纤维的增强作用 大大高于 短纤维, 不
连续短纤维的长度 必须大于一定的长度 (一般
是长径比＞ 5)才能显示出 明显的增强效果 。
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二、制备方法的选择
材料组元 选择后，就要考虑所采用的
复合工艺路线,即 具体的制备方法 。
制备方法的选择 主要应考虑以下四个
方面：
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(1)所选的 工艺方法 对材料组元的损伤
最小,尤其是 纤维或晶须掺入基体之中时,
一些 机械的混合方法 往往造成 纤维或晶须
的损伤 ；
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(2)能使 任何形式的增强材料 (纤维, 颗
粒, 晶须 )均匀分布 或按预设计要求 规则排列 ；
(3)使最终形成的复合材料 在性能上 达到
充分发挥各组元的作用,即达到 扬长避短,
而且各组元仍保留着 固有的特性 。
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在 制备方法的选择上 还应考虑 性能／
价格比,在能 达到复合材料使用要求 的情
况下，尽可能选择 简便易行的工艺 以 降低
制备成本 。
针对不同的 增强材料和基体特性 应采
用不同的制备方法，
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如 金属基复合材料中,采用 纤维与颗粒、
晶须 增强时，同样采用固态法，但 用纤维增
强时,一般采用 扩散结合 ；而用 颗粒或晶须
增强时,往往采用 粉末冶金法结合 。
因为 颗粒或晶须增强时 若采用 扩散结合,
势必使 制造工艺十分复杂,且 无法保证颗粒
或晶须均匀分散 。
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第二节 复合材料的界面
复合材料的界面 是指 基体与增强
物之间 化学成分 有显著变化的,构
成 彼此结合的、能起 载荷传递作用
的微小区域。
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复合材料的界面虽然 很小,但它
是有尺寸的，约 几个纳米到几个微米,
是一个区域或一个带、或一层，它的
厚度呈 不均匀分布状态 。
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界面通常 包含以下几个部分：
基体和增强物的部分 原始接触面 ；
基体与增强物相互作用 生成的反应
产物,此 产物与基体及增强物 的接触面；
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基体和增强物 的 互扩散层 ；
增强物上的 表面涂层 ；
基体和增强物上 的 氧化物及它们
的反应产物之间的接触面 等。
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在化学成分上,除了 基体, 增强物 及
涂层中的元素 外，还有 基体中的合金元素
和杂质, 由环境带来的杂质 。
这些成分或以 原始状态 存在，或 重新
组合成 新的化合物。
因此，界面上的 化学成分和相结构 是
很复杂的。
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界面 是 复合材料的特征,可将 界面的机能
归纳为以下几种效应。
(1)传递效应 界面能传递力，即 将外力传
递给增强物,起到基体和增强物之间的桥梁作
用。
(2)阻断效应 结合适当的界面有 阻止裂纹
扩展, 中断材料破坏, 减缓应力集中 的作用。
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(3)不连续效应 在界面上产生 物理性能
的不连续性 和 界面摩擦出现 的现象，如 抗电性,
电感应性, 磁性, 耐热性, 尺寸稳定性 等。
(4)散射和吸收效应 光波, 声波, 热弹
性波, 冲击波 等在界面 产生散射和吸收,如 透
光性, 隔热性, 隔音性, 耐机械冲击 及 耐热冲
击 性等。
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(5)诱导效应 一种 物质 (通常是增强物 )
的表面结构 使另一种 (通常是聚合物基体 )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, 耐冲击性 和 耐热性 等。
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界面上产生的这些效应,是 任何一种单
体材料所没有的特性,它对复合材料具有重
要作用。
例如在 粒子弥散强化金属中, 微形粒子
阻止晶格位错,从而 提高复合材料强度 ；
在 纤维增强塑料 中,纤维与基体界面 阻
止裂纹进一步扩展 等。
31
因而 在任何复合材料中, 界面 和 改善界
面性能 的 表面处理方法 是关于这种复合材料
是否有使用价值, 能否推广使用 的一个极重
要的问题。
界面效应 既与 界面结合状态, 形态 和 物
理 --化学性质 等有关，也与 界面两侧组分材
料的浸润性, 相容性, 扩散性 等密切相联。
32
复合材料中的界面 并不是一个单纯的
几何面，而是一个 多层结构的过渡区域,
界面区是从 与增强剂内部性质不同的某一
点开始,直到 与树脂基体内整体性质相一
致的点 间的区域。
33
界面区域的 结构与性质 都不同于 两相
中的任一相 。
从结构上来分，这一 界面区 由 五个亚
层 组成 (见下图所示 )：
34
界面区域示意图
1一外力场； 2-场所树脂基体；
3-基体表面区； 4-相互渗透区
5一增强剂表面； 6-增强剂
每一亚层的性能均
与 树脂基体 和 增强剂 的
性质,偶联剂 的品种和
性质、复合材料的 成型
方法 等密切有关。
35
基体和增强物 通过界面 结合在一起，
构成复合材料整体,界面结合的状态和强
度 对复合材料的性能有重要影响。
因此，对于各种复合材料都要求有 合
适的界面结合强度 。
36
界面的结合强度 一般是以 分子
间力, 表面张力 (表面自由能 )等表示
的，而实际上有 许多因素 影响着 界
面结合强度 。
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如表面的 几何形状, 分布状况, 纹理结构 ；
表面 吸附气体 和 蒸气 程度；
表面 吸水 情况,杂质 存在；
表面 形态 在界面的 溶解, 浸透, 扩散 和 化
学反应 ；
表面层的 力学特性, 润湿速度 等。
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由于 界面区 相对于整体材料 所占比重甚
微，欲 单独对某一性能 进行度量有很大困难。
因此常借于 整体材料的力学性能 来 表征
界面性能,如 层间剪切强度 (ILSS)就是研究
界面粘结的良好办法；
如再能配合 断裂形貌分析 等即可 对界面
的其他性能 作较深入的研究。
39
由于复合材料的 破坏形式 随 作
用力的类型, 原材料结构组成 不同
而异，故破坏可开始在 树脂基体 或
增强剂,也可开始在 界面 。
40
通过 力学分析 可看出,界面性能较差
的材料 大多呈 剪切破坏,且 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。
但 界面间粘结过强的材料 呈 脆性 也降
低了材料的复合性能。
41
界面最佳态 的衡量是 当受力发生开裂
时, 这一裂纹能转为区域化而不产生近一
步界面脱粘 。
即这时的复合材料具有 最大断裂能 和
一定的韧性 。
42
由此可见，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 。
43
例如，在某些应用中，如果要求 能量
吸收 或 纤维应力很大 时,控制界面的部分
脱粘 也许是所期望的，用 淀粉或明胶作为
增强玻璃纤维 表面浸润剂的 E粗纱 已用于
制备具有 高冲击强度的避弹衣 。
44
由于 界面尺寸很小 且 不均匀, 化学
成分及结构复杂, 力学环境复杂,对于
界面的 结合强度,界面的 厚度,界面的
应力状态 尚无直接的、准确的 定量分析
方法 ；
45
所以，对于 界面结合状态, 形态, 结
构 以及它对复合材料 性能的影响 尚 没有适
当的试验方法,通常需要借助 拉曼光谱,
电子质谱, 红外扫描, x衍射 等试验逐步摸
索和统一认识。
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另外，对于 成分和相结构 也很难作出 全
面的分析 。
因此，这今为止，对复合材料 界面的认
识 还是很不充分的，不能以一个 通用的模型
来 建立完整的理论 。
尽管存在很大的困难，但由于 界面的重
要性,所以吸引着大量研究者致力于 认识界
面的工作,以便掌根其规律。
47
第三节 复合材料的界面设计原则
界面粘结强度 是衡量复合材料中增
强体与基体间 界面结合状态 的一个指标。
界面粘结强度 对复合材料 整体力学
性能 的影响很大,界面粘结过高或过弱
都是不利的。
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因此，人们很重视开展复合材料 界面
微区的研究 和 优化设计,以便制得具有 最
佳综合性能 的复合材料。
下图给出了 影响复合材料界面效应的
因素 及其与 复合材料性能 的关系。
49增强体：纤维、晶须、颗粒、片状
基体：聚合物．金属、陶瓷、碳等
50
大量事实证明,复合材料的界面 实质
上是 纳米级以上厚度的界面层 (Interlayer)
或称 界面相 (Interphase)。
51
界面相 是一种 结构 随 增强材料 而异，
并与 基体 有明显差别的新相。
界面相也包括 在增强材料表面上 预
先涂覆的表面处理剂层 以及增强材料 经
表面处理工艺后 而发生反应的 界面层 。
52
结构复合材料 中,界面层的作用 首先是
把施加在整体上的力,由基体通过 界面层 传
递到增强材料组元,这就需要有足够的 界面
粘接强度,粘接过程中,两相表面能相互润
湿 是首要的条件。
53
界面层的另一作用 是 在一定的应力条件
下能够脱粘,以及 使增强纤维从基体拔出并
发生摩擦 。这样就可以 借助脱粘 增大表面能,
拔出功 和 摩擦功 等形式 来吸收外加载荷的能
量 以达到 提高其抗破坏能力 。
从以上两方面综合考虑，则要求 界面具
有最佳粘接状态 。
54
设计复合材料时，仅仅考虑到复合材
料具有 粘接适度的界面层 还不够，还要考
虑究竟 什么性质的界面层最为合适 。
55
对 界面层的见解 有两种观点,一种是 界
面层的模量 应介于 增强材料与基体材料之间,
最好形成 梯度过渡 。
另一种观点是 界面层的模量 低于增强材
料与基体,最好是一种类似橡胶的 弹性体,
在受力时有较大的形变。
56
前一种观点从 力学的角度 来看，将会
产生好的效果；
后一种观点按照 可形变层理论,则可
以将 集中于界面的应力点 迅速分散，从而
提高整体的力学性能。
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前面的两种观点都 有一定的实验支
持,但是尚未得到定论。
然而无论如何，若 界面层的模量高
于增强材料和基体的模量,将会产生不
良的效果，这是大家都公认的观点。
58
实验表明,金属基复合材料 由于 容易
发生界面反应,生成 脆性大的界面反应层,
在低应力条件下,界面就会破坏，从而 降
低复合材料的整体性能 。
因此,界面层控制 是设计复合材料的
一个重要方面。
59
界面层的 形貌, 厚度, 结构 等可通过先进
的科学仪器进行观察与分析，常用的有 俄歇电
子谱仪 (AES),电子探针 (EP),x光电子能谱仪
(XPS),扫描二次离子质谱仪 (SSIMS),电子能
量损失谱仪 (EELS),x射线反射谱仪 (GAXP)、
透射电镜 (TEM)和 扫描电镜 (SEM)等。
60
一、聚合物基复合材料界面设计
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 。
61
对 碳纤维表面 上涂覆 惰性涂层 和 能与
基体树脂发生反应或聚合的涂层,比较后
发现,惰性涂层效果较好,后一种 活性涂
层由于降低了相界面的浸润性 而效果不良。
浸润不良 将会在界面产生 空隙,易使
应力集中 而使复合材料发生开裂。
62
另外，选择 合适的偶联剂 也很重要,所
选处理增强材料表面的偶联剂 应既含有 能与
增强材料起化学作用 的官能团，又含有 与聚
合物基体起化学作用 的官能团。
63
如 玻璃纤维 使用 硅烷 作为偶联剂可使
复合材料的性能大大改善,碳纤维经氧化
处理或等离子体处理 以及 适当的涂层 都可
以收到很好的效果。
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二、金属基、陶瓷基复合材科界面设计
金属基复合材料的特点 是容易 发生界面
反应 而生成 脆性界面 。
若 基体为合金,则还易出现 某元素在界
面上富集的现象 。
65
有关 金属基复合材料的界面控制 研究主
要有以下两方面：
1．对增强材料进行表面处理
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 。
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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 。
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在 碳纤维增强 A1复合材料 中，在碳纤
维上涂 Ti--B涂层；在 碳纤维增强 Mg复合材
料 中采用 SiO2作涂层；在 硼纤维增强 A1复
合材料 中用 SiC涂层等都是 在增强材料表面
预先涂层 的例子。
68
另外，在 C/A1复合材料中，常用 含 Ti
的 Al合金,由于 Ti的富集 形成一层 松散的钛
化物阻挡层,可大大 提高复合材料的拉伸
强度和抗冲击性 。
69
多数 陶瓷基复合材料 中 增强材料与基
体之间不发生化学反应,或 不发生激烈的
化学反应 。
有时，有些陶瓷基复合材料的 增强材
料与其基体的化学成分相同 。
70
例如，如 SiC晶须或 SiC纤维 增强 SiC陶
瓷,这种复合材料也希望建立一个 合适的界
面,即 合适的粘接强度、界面层模量和厚度
以提高其韧性。
一般认为，陶瓷基复合材料需要一种既
能 提供界面粘接 又能 发生脱粘 的界面层，这
样才能充分 改善陶瓷材料韧性差 的缺点。
71
第四节 复合材料界面理论
复合材料是由 性质和形状各不相同 的 两
种或两种以上 材料组元 复合而成，所以必然
存在着不同材料 共有的接触面 ---界面 。
72
正是 界面 使 增强材料与基体材料结合为
一个整体 。
人们一直非常重视 界面的研究,并有大
量的文献报道，但由于 材料的多样化 及 界面
的复杂性,至今尚无一个 普通性的理论 来说
明复合材料的界面行为。
对复合材料来讲,材料组元之间相互浸
润 是复合的首要条件。
73
一、浸润性
复合材料在制备过程中，只要涉及到
液相与固相的相互作用,必然就有 液相与
固相的浸润 问题。
74
在制备 聚合物基复合材料 时，一般是把
聚合物 (液态树脂 )均匀地浸渍或涂刷 在 增强
材料 上。
树脂对增强材料的浸润性 是指 树脂能否
均匀地分布在增强材科的周围,这是 树脂与
增强材料能否形成良好粘结 的重要前提。
75
在制备 金属基复合材料 时,液态金属
对增强材料的浸润性,则直接影响到 界面
粘结强度 。
浸润性 是表示 液体在固体表面上铺展
的程度 。
76
好的浸润性 意味着 液体 (基体 )将在增强
材料上铺展开来,并 覆盖整个增强材料表面 。
假如 基体的粘度 不是太高,浸润后导致
体系自由能降低 的话，就会发生 基体对增强
材料的浸润 。
77
一滴液体 滴落在一 固体表面 时，原来 固
--气接触界面 将被 液 --固界面 和 液 --气界面 所
代替，用 ?LG, ?SG, ?SL分别代表液 --气、
固 --气和固 --液的比表面能或称表面张力 (即
单位面积的能量 )。
78
因此,铺展系数 SC(Spreading Coefficient)
被定义为：
SGLGSL ??? ??
)( LGSLSGSC ??? ???
按照 热力学条件,只有 体系自由能减
少时，液体才能铺展开来,即
79
只有当 铺展系数 SC＞ 0时，才能 发生浸润 。
不完全浸润的情况如下图所示，根据 力平衡,
可得
式中 ?称为接触角。
???? C O SLGSLSG ??
]/)[(1 LGSLSGCO S ???? ?? ?
80
（ a） 不完全浸润
（ b） 不浸润
不完全浸润 (a)和不浸润 (b)情况示意图
81
由 ?可知 浸润的程度 。
?＝ 0o时,液体完全浸润固体 ；
? ＝ 180o时,不浸润 ；
oo＜ ? ＜ 180o时,不完全浸润 (或称部
分浸润 )，随角度下降，浸润的程度增加。
? ＞ 90o时常认为 不发生液体浸润 。
82
对于一个结定的体系, 接触角 随着
温度、保持时间、吸附气体等而变化 。
浸润性仅仅表示了 液体与固体发生
接触时的情况,而并不能表示 界面的粘
结性能 。
83
一种体系的 两个组元 可能有 极好的浸润
性,但它们之间的 结合可能很弱,如范德华
物理键合形式。
因此 良好的浸润性,只是两个组元间可
达到 良好粘结 的必要条件，并非充分条件。
84
为了提高复合材料 组元间的浸润性,
常常通过 对增强材料进行表面处理的方法
来改善润湿条件，有时也可通过 改变基体
成分 来实现。
85
二、界面粘结
界面的粘结强度 直接影响着复合材料
的 力学性能 以及 其它物理、化学性能,如
耐热性、耐蚀性、耐磨性等。
因此自 50年代以来，复合材料的 界面
粘结机理 一直是人们致力研究的内容。
86
粘结 (或称 粘合, 粘着, 粘接 )是指 不
同种类的两种材料相互接触并结合在一起
的一种现象。
当 基体浸润增强材料后,紧接着便发
生 基体与增强材料的粘结 (Bonding)。
87
对于一个 给定的复合材料体系, 同时
可能会有不同的粘结机理 (如机械粘结、静
电粘结等 )起作用，而且 在不同的生产过程
中或复合材料的使用期间, 粘结机理还会
发生变化,如由静电粘结变成反应粘结。
88
体系不同, 粘结的种类或机理不同,这
主要取决于 基体与增强材料的种类 以及 表面
活性剂 (或称偶联剂 )的类型 等。
界面粘结机理 主要有 界面反应理论, 浸
润理论, 可变形层理论, 约束层理论, 静电
作用理论, 机械作用理论 等。
89
1．机械作用理论
机械作用机理如图 3— 3(a)所示，当两个表
面相互接触后，由于表面粗糙不平将发生机
械互锁 [interlocking)。 很显然表面越粗糙，
互锁作用越强，因此机械粘结作用越有效。
90
界面粘结机理示意图 机械作用理论（ mechanical bonding
91
在受到平行于界面的作用力时，机械粘
结作用可达到最佳效果，获得较高的剪切强
度。但若界面受拉力作用时，除非界面有如
图中 A处所示的‘锚固’形态，否则拉伸强
度会很低。
在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很
难遇到，往往是机械粘结作用与其它粘结机
理共同起作用。
92
2．静电作用理论
当复合材料的基体及增强材料的表面带有
异性电荷时，在基体与增强材料之间将发生
静电吸引力，如图所示。静电相互作用的距
离很短，仅在原子尺度量级内静电作用力才
有效。因此表面的污染等将大大减弱这种粘
结作用。
93
界面粘结机理示意图 静电作用理论 (electrostatic bonding)
94
3．化学作用理论
化学作用是指增强材料表面的化学基 (图 3—
3(c)中标有 x面 )与基体表面的相容基 (标有 R面 )
之间的化学粘结。
95
界面粘结机理示意图 化学作用理论 (chemical bonding) R,X分别代表相容的官能团
96
化学作用理论最成功的应用是偶联剂用于增
强材料表面与聚合物基体的粘结。如硅烷偶联
刑具有两种性质不同的官能团，一端为亲玻璃
纤维的官能团 (X),一端为亲材脂的官能团 (R)，
将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面上形成共
价键结合，如图 3— 3(d)所示。
97
界面粘结机理示意图 硅烷偶联剂产生的化学粘结
98
4．界面反应或界面扩散理论
复合材料的基体与增强材料间可以发生
原子或分子的互扩散或发生反应，从而形
成反应结合或互扩散结合。对于聚合物来
说，这种粘结机理可看作为分子链的缠结
(如图所示 )。
99
界面粘结机理示意图 聚合物的反应粘结（ reaction bonding）
100
聚合物的粘结作用正如它的自粘作
用一样是由于长链分子及其各链段的扩散
作用所致。而对于金属和陶瓷基复合材料，
两组元的互扩散可产生完全不同于任一原
组元成分及结构的界面层 (如图所示 )，
101
界面粘结机理示意图 界面扩散形成的界面层
102
而且界面层的性能也与复合材料组元
不同，对于金属基复合材料，这种界面层
常常是 AB,AB2,A3B类型的脆性的金属
间化合物；对于金属基和陶瓷基复合材料，
形成界面层的主要原因之一是由于它们的
生产制备过程不可避免地涉及到高温。在
高温下，扩散极易进行，扩散系数 D随温
度呈指数关系增加，按照 Arrhenius方程
103
21ktx ?
Q一扩散激活能,D０ 一常数,R一气体常
数,T一温度。
温度明显影响着扩散系数，若 Q＝ 250kJ／
mol,并代入上式，则在 10000C时扩散系数
D=2× 1034,要比室温大得多。互扩散层的程
度即反应层的厚度 x取决于时间 t和温度，可近
似表示为
)/e x p (0 RTQDD ??
104
k一反应速度常数，与扩散系数有关。复合
材料在使用过程中，尤其在高温使用时，界
面会发生变化并可形成界面层，此外先前形
成的界面层也会继续增长并形成复杂的多层
界面。
105
上述理论有一定的实验支待，但也有
矛盾之处。
如静电粘结理论的最有力证明是观察
聚合物薄膜从各种表面剥离时所发现的电
子发射现象，由电子发射速度算出剥离功
大小与计算的粘结功值和实际结果相当吻
合。
106
但是静电粘结理论不能解释非线性聚
合物之间具有较高的粘结强度这一现象。
因此，每一种粘结理论都有它的局限
性，这是因为界面相是一个结构复杂而具
有多重行为的相。
第七章
复合材料的复合原则及界面
2
第一节 复合原则
要想制备一种 好的复合材料,首先应
根据 所要求的性能 进行设计，这样才能成
功地制备出 性能理想的复合材料 。
复合材料的设计应 遵循的原则 如下：
3
一、材料组元的选择
挑选最合适的 材料组元 尤为重要。
在 选择材料组元 时，首先应明确 各组
元在使用中所应承担的功能,也就是说，
必须明确 对材料性能的要求 。
4
对 材料组元进行复合,即要求 复合后
材料 达到如下性能，如 高强度, 高刚度,
高耐蚀, 耐磨, 耐热 或其它的 导电, 传热
等性能或者某些 综合性能 如 既高强又耐蚀、
耐热 。
5
因此，必须根据 复合材料所需的性能 来
选择组成复合材料的 基体材料 和 增强材料 。
例如，若所设计的复合材料是 用作结构
件,则复合的目的就是要使复合后材料具有
最佳的强度、刚度和韧性 等,
6
因此，设计 结构件复合材料 时，首先必
须明确其中 一种组元主要起 承受载荷 的作用,
它必须具有 高强度和高模量 。这种组元就是
所要选择的 增强材料 ；
而其它组元应起 传递载荷 及协同的作用,
而且要 把增强材料粘结在一起,这类组元就
是要选的 基体材料 。
7
其次，除考虑 性能要求 外，还应考虑组
成复合材料的 各组元之间的相容性,这包括
物理, 化学, 力学 等性能的相容，使材料各
组元 彼此和谐地 共同发挥作用。
在任何使用环境中，复合材料的 各组元
之间的 伸长, 弯曲, 应变 等都应 相互或彼此
协调一致 。
8
第三，要考虑复合材料 各组元之间的浸润
性,使 增强材料与基体之间 达到比较理想的 具
有一定结合强度的界面 。
适当的 界面结合强度 不仅有利于 提高材料
的整体强度,更重要的是 便于将基体所承受的
载荷通过界面传递给增强材料,以充分发挥其
增强作用。
9
若 结合强度太低, 界面很难传递载荷,
不能起潜在材料的作用,影响复合材料的整
体强度 ；
但 结合强度太高 也不利，它 遏制复合材
料断裂对能量的吸收,易发生 脆性断裂 。
除此之外，还应联系到 整个复合材料的
结构 来考虑。
10
具体到 颗粒 和 纤维 增强复合材料 来
说,增强效果 与 颗粒或纤维的 体积含量,
直径, 分布间距 及 分布状态 有关。
颗粒和纤维 增强复合材料的 设计原则
如下：
11
1,颗粒增强复合材料的原则
(1)颗粒应 高度弥散均匀 地分散
在基体中，使其 阻碍 导致塑性变形
的位错运动 (金属、陶瓷基体 )或 分子
链的运动 (聚合物基体 )。
12
(2)颗粒直径的大小 要合适。
因为 颗粒直径过大,会引起 应力集中 或
本身破碎,从而导致材料强度降低；
颗粒直径太小,则起不到 大的强化作用 。
因此，一般粒径为几微米到几十微米。
13
(3)颗粒的数量 一般大于 20％。数量
太少，达不到 最佳的强化效果 。
(4)颗粒与基体之间 应有 一定的粘结
作用 。
14
2．纤维增强复合材料的原则
(1)纤维的 强度和模量 都要 高于基体,即
纤维应 具有高模量和高强度,因为除个别情
况外，在多数情况下 承载主要是靠增强纤维 。
(2)纤维与基体之间 要有 一定的粘结作用,
两者之间结合要保证 所受的力通过界面 传递
给纤维。
15
(3)纤维与基体的 热膨胀系数 不能相差过
大,否则 在热胀冷缩过程中 会自动 削弱它们
之间的结合强度 。
(4)纤维与基体之间 不能发生有害的化学
反应,特别是 不发生强烈的反应,否则将引
起 纤维性能降低 而失去强化作用。
16
(5)纤维所占的体积, 纤维的尺寸 和 分布 必
须适宜。
一般而言，基体中 纤维的体积含量越高,
其 增强效果越显著 ；
纤维直径越细,则 缺陷越小, 纤维强度也
越高 ；
连续纤维的增强作用 大大高于 短纤维, 不
连续短纤维的长度 必须大于一定的长度 (一般
是长径比＞ 5)才能显示出 明显的增强效果 。
17
二、制备方法的选择
材料组元 选择后，就要考虑所采用的
复合工艺路线,即 具体的制备方法 。
制备方法的选择 主要应考虑以下四个
方面：
18
(1)所选的 工艺方法 对材料组元的损伤
最小,尤其是 纤维或晶须掺入基体之中时,
一些 机械的混合方法 往往造成 纤维或晶须
的损伤 ；
19
(2)能使 任何形式的增强材料 (纤维, 颗
粒, 晶须 )均匀分布 或按预设计要求 规则排列 ；
(3)使最终形成的复合材料 在性能上 达到
充分发挥各组元的作用,即达到 扬长避短,
而且各组元仍保留着 固有的特性 。
20
在 制备方法的选择上 还应考虑 性能／
价格比,在能 达到复合材料使用要求 的情
况下，尽可能选择 简便易行的工艺 以 降低
制备成本 。
针对不同的 增强材料和基体特性 应采
用不同的制备方法，
21
如 金属基复合材料中,采用 纤维与颗粒、
晶须 增强时，同样采用固态法，但 用纤维增
强时,一般采用 扩散结合 ；而用 颗粒或晶须
增强时,往往采用 粉末冶金法结合 。
因为 颗粒或晶须增强时 若采用 扩散结合,
势必使 制造工艺十分复杂,且 无法保证颗粒
或晶须均匀分散 。
22
第二节 复合材料的界面
复合材料的界面 是指 基体与增强
物之间 化学成分 有显著变化的,构
成 彼此结合的、能起 载荷传递作用
的微小区域。
23
复合材料的界面虽然 很小,但它
是有尺寸的，约 几个纳米到几个微米,
是一个区域或一个带、或一层，它的
厚度呈 不均匀分布状态 。
24
界面通常 包含以下几个部分：
基体和增强物的部分 原始接触面 ；
基体与增强物相互作用 生成的反应
产物,此 产物与基体及增强物 的接触面；
25
基体和增强物 的 互扩散层 ；
增强物上的 表面涂层 ；
基体和增强物上 的 氧化物及它们
的反应产物之间的接触面 等。
26
在化学成分上,除了 基体, 增强物 及
涂层中的元素 外，还有 基体中的合金元素
和杂质, 由环境带来的杂质 。
这些成分或以 原始状态 存在，或 重新
组合成 新的化合物。
因此，界面上的 化学成分和相结构 是
很复杂的。
27
界面 是 复合材料的特征,可将 界面的机能
归纳为以下几种效应。
(1)传递效应 界面能传递力，即 将外力传
递给增强物,起到基体和增强物之间的桥梁作
用。
(2)阻断效应 结合适当的界面有 阻止裂纹
扩展, 中断材料破坏, 减缓应力集中 的作用。
28
(3)不连续效应 在界面上产生 物理性能
的不连续性 和 界面摩擦出现 的现象，如 抗电性,
电感应性, 磁性, 耐热性, 尺寸稳定性 等。
(4)散射和吸收效应 光波, 声波, 热弹
性波, 冲击波 等在界面 产生散射和吸收,如 透
光性, 隔热性, 隔音性, 耐机械冲击 及 耐热冲
击 性等。
29
(5)诱导效应 一种 物质 (通常是增强物 )
的表面结构 使另一种 (通常是聚合物基体 )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, 耐冲击性 和 耐热性 等。
30
界面上产生的这些效应,是 任何一种单
体材料所没有的特性,它对复合材料具有重
要作用。
例如在 粒子弥散强化金属中, 微形粒子
阻止晶格位错,从而 提高复合材料强度 ；
在 纤维增强塑料 中,纤维与基体界面 阻
止裂纹进一步扩展 等。
31
因而 在任何复合材料中, 界面 和 改善界
面性能 的 表面处理方法 是关于这种复合材料
是否有使用价值, 能否推广使用 的一个极重
要的问题。
界面效应 既与 界面结合状态, 形态 和 物
理 --化学性质 等有关，也与 界面两侧组分材
料的浸润性, 相容性, 扩散性 等密切相联。
32
复合材料中的界面 并不是一个单纯的
几何面，而是一个 多层结构的过渡区域,
界面区是从 与增强剂内部性质不同的某一
点开始,直到 与树脂基体内整体性质相一
致的点 间的区域。
33
界面区域的 结构与性质 都不同于 两相
中的任一相 。
从结构上来分，这一 界面区 由 五个亚
层 组成 (见下图所示 )：
34
界面区域示意图
1一外力场； 2-场所树脂基体；
3-基体表面区； 4-相互渗透区
5一增强剂表面； 6-增强剂
每一亚层的性能均
与 树脂基体 和 增强剂 的
性质,偶联剂 的品种和
性质、复合材料的 成型
方法 等密切有关。
35
基体和增强物 通过界面 结合在一起，
构成复合材料整体,界面结合的状态和强
度 对复合材料的性能有重要影响。
因此，对于各种复合材料都要求有 合
适的界面结合强度 。
36
界面的结合强度 一般是以 分子
间力, 表面张力 (表面自由能 )等表示
的，而实际上有 许多因素 影响着 界
面结合强度 。
37
如表面的 几何形状, 分布状况, 纹理结构 ；
表面 吸附气体 和 蒸气 程度；
表面 吸水 情况,杂质 存在；
表面 形态 在界面的 溶解, 浸透, 扩散 和 化
学反应 ；
表面层的 力学特性, 润湿速度 等。
38
由于 界面区 相对于整体材料 所占比重甚
微，欲 单独对某一性能 进行度量有很大困难。
因此常借于 整体材料的力学性能 来 表征
界面性能,如 层间剪切强度 (ILSS)就是研究
界面粘结的良好办法；
如再能配合 断裂形貌分析 等即可 对界面
的其他性能 作较深入的研究。
39
由于复合材料的 破坏形式 随 作
用力的类型, 原材料结构组成 不同
而异，故破坏可开始在 树脂基体 或
增强剂,也可开始在 界面 。
40
通过 力学分析 可看出,界面性能较差
的材料 大多呈 剪切破坏,且 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。
但 界面间粘结过强的材料 呈 脆性 也降
低了材料的复合性能。
41
界面最佳态 的衡量是 当受力发生开裂
时, 这一裂纹能转为区域化而不产生近一
步界面脱粘 。
即这时的复合材料具有 最大断裂能 和
一定的韧性 。
42
由此可见，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 。
43
例如，在某些应用中，如果要求 能量
吸收 或 纤维应力很大 时,控制界面的部分
脱粘 也许是所期望的，用 淀粉或明胶作为
增强玻璃纤维 表面浸润剂的 E粗纱 已用于
制备具有 高冲击强度的避弹衣 。
44
由于 界面尺寸很小 且 不均匀, 化学
成分及结构复杂, 力学环境复杂,对于
界面的 结合强度,界面的 厚度,界面的
应力状态 尚无直接的、准确的 定量分析
方法 ；
45
所以，对于 界面结合状态, 形态, 结
构 以及它对复合材料 性能的影响 尚 没有适
当的试验方法,通常需要借助 拉曼光谱,
电子质谱, 红外扫描, x衍射 等试验逐步摸
索和统一认识。
46
另外，对于 成分和相结构 也很难作出 全
面的分析 。
因此，这今为止，对复合材料 界面的认
识 还是很不充分的，不能以一个 通用的模型
来 建立完整的理论 。
尽管存在很大的困难，但由于 界面的重
要性,所以吸引着大量研究者致力于 认识界
面的工作,以便掌根其规律。
47
第三节 复合材料的界面设计原则
界面粘结强度 是衡量复合材料中增
强体与基体间 界面结合状态 的一个指标。
界面粘结强度 对复合材料 整体力学
性能 的影响很大,界面粘结过高或过弱
都是不利的。
48
因此，人们很重视开展复合材料 界面
微区的研究 和 优化设计,以便制得具有 最
佳综合性能 的复合材料。
下图给出了 影响复合材料界面效应的
因素 及其与 复合材料性能 的关系。
49增强体：纤维、晶须、颗粒、片状
基体：聚合物．金属、陶瓷、碳等
50
大量事实证明,复合材料的界面 实质
上是 纳米级以上厚度的界面层 (Interlayer)
或称 界面相 (Interphase)。
51
界面相 是一种 结构 随 增强材料 而异，
并与 基体 有明显差别的新相。
界面相也包括 在增强材料表面上 预
先涂覆的表面处理剂层 以及增强材料 经
表面处理工艺后 而发生反应的 界面层 。
52
结构复合材料 中,界面层的作用 首先是
把施加在整体上的力,由基体通过 界面层 传
递到增强材料组元,这就需要有足够的 界面
粘接强度,粘接过程中,两相表面能相互润
湿 是首要的条件。
53
界面层的另一作用 是 在一定的应力条件
下能够脱粘,以及 使增强纤维从基体拔出并
发生摩擦 。这样就可以 借助脱粘 增大表面能,
拔出功 和 摩擦功 等形式 来吸收外加载荷的能
量 以达到 提高其抗破坏能力 。
从以上两方面综合考虑，则要求 界面具
有最佳粘接状态 。
54
设计复合材料时，仅仅考虑到复合材
料具有 粘接适度的界面层 还不够，还要考
虑究竟 什么性质的界面层最为合适 。
55
对 界面层的见解 有两种观点,一种是 界
面层的模量 应介于 增强材料与基体材料之间,
最好形成 梯度过渡 。
另一种观点是 界面层的模量 低于增强材
料与基体,最好是一种类似橡胶的 弹性体,
在受力时有较大的形变。
56
前一种观点从 力学的角度 来看，将会
产生好的效果；
后一种观点按照 可形变层理论,则可
以将 集中于界面的应力点 迅速分散，从而
提高整体的力学性能。
57
前面的两种观点都 有一定的实验支
持,但是尚未得到定论。
然而无论如何，若 界面层的模量高
于增强材料和基体的模量,将会产生不
良的效果，这是大家都公认的观点。
58
实验表明,金属基复合材料 由于 容易
发生界面反应,生成 脆性大的界面反应层,
在低应力条件下,界面就会破坏，从而 降
低复合材料的整体性能 。
因此,界面层控制 是设计复合材料的
一个重要方面。
59
界面层的 形貌, 厚度, 结构 等可通过先进
的科学仪器进行观察与分析，常用的有 俄歇电
子谱仪 (AES),电子探针 (EP),x光电子能谱仪
(XPS),扫描二次离子质谱仪 (SSIMS),电子能
量损失谱仪 (EELS),x射线反射谱仪 (GAXP)、
透射电镜 (TEM)和 扫描电镜 (SEM)等。
60
一、聚合物基复合材料界面设计
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 。
61
对 碳纤维表面 上涂覆 惰性涂层 和 能与
基体树脂发生反应或聚合的涂层,比较后
发现,惰性涂层效果较好,后一种 活性涂
层由于降低了相界面的浸润性 而效果不良。
浸润不良 将会在界面产生 空隙,易使
应力集中 而使复合材料发生开裂。
62
另外，选择 合适的偶联剂 也很重要,所
选处理增强材料表面的偶联剂 应既含有 能与
增强材料起化学作用 的官能团，又含有 与聚
合物基体起化学作用 的官能团。
63
如 玻璃纤维 使用 硅烷 作为偶联剂可使
复合材料的性能大大改善,碳纤维经氧化
处理或等离子体处理 以及 适当的涂层 都可
以收到很好的效果。
64
二、金属基、陶瓷基复合材科界面设计
金属基复合材料的特点 是容易 发生界面
反应 而生成 脆性界面 。
若 基体为合金,则还易出现 某元素在界
面上富集的现象 。
65
有关 金属基复合材料的界面控制 研究主
要有以下两方面：
1．对增强材料进行表面处理
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 。
66
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 。
67
在 碳纤维增强 A1复合材料 中，在碳纤
维上涂 Ti--B涂层；在 碳纤维增强 Mg复合材
料 中采用 SiO2作涂层；在 硼纤维增强 A1复
合材料 中用 SiC涂层等都是 在增强材料表面
预先涂层 的例子。
68
另外，在 C/A1复合材料中，常用 含 Ti
的 Al合金,由于 Ti的富集 形成一层 松散的钛
化物阻挡层,可大大 提高复合材料的拉伸
强度和抗冲击性 。
69
多数 陶瓷基复合材料 中 增强材料与基
体之间不发生化学反应,或 不发生激烈的
化学反应 。
有时，有些陶瓷基复合材料的 增强材
料与其基体的化学成分相同 。
70
例如，如 SiC晶须或 SiC纤维 增强 SiC陶
瓷,这种复合材料也希望建立一个 合适的界
面,即 合适的粘接强度、界面层模量和厚度
以提高其韧性。
一般认为，陶瓷基复合材料需要一种既
能 提供界面粘接 又能 发生脱粘 的界面层，这
样才能充分 改善陶瓷材料韧性差 的缺点。
71
第四节 复合材料界面理论
复合材料是由 性质和形状各不相同 的 两
种或两种以上 材料组元 复合而成，所以必然
存在着不同材料 共有的接触面 ---界面 。
72
正是 界面 使 增强材料与基体材料结合为
一个整体 。
人们一直非常重视 界面的研究,并有大
量的文献报道，但由于 材料的多样化 及 界面
的复杂性,至今尚无一个 普通性的理论 来说
明复合材料的界面行为。
对复合材料来讲,材料组元之间相互浸
润 是复合的首要条件。
73
一、浸润性
复合材料在制备过程中，只要涉及到
液相与固相的相互作用,必然就有 液相与
固相的浸润 问题。
74
在制备 聚合物基复合材料 时，一般是把
聚合物 (液态树脂 )均匀地浸渍或涂刷 在 增强
材料 上。
树脂对增强材料的浸润性 是指 树脂能否
均匀地分布在增强材科的周围,这是 树脂与
增强材料能否形成良好粘结 的重要前提。
75
在制备 金属基复合材料 时,液态金属
对增强材料的浸润性,则直接影响到 界面
粘结强度 。
浸润性 是表示 液体在固体表面上铺展
的程度 。
76
好的浸润性 意味着 液体 (基体 )将在增强
材料上铺展开来,并 覆盖整个增强材料表面 。
假如 基体的粘度 不是太高,浸润后导致
体系自由能降低 的话，就会发生 基体对增强
材料的浸润 。
77
一滴液体 滴落在一 固体表面 时，原来 固
--气接触界面 将被 液 --固界面 和 液 --气界面 所
代替，用 ?LG, ?SG, ?SL分别代表液 --气、
固 --气和固 --液的比表面能或称表面张力 (即
单位面积的能量 )。
78
因此,铺展系数 SC(Spreading Coefficient)
被定义为：
SGLGSL ??? ??
)( LGSLSGSC ??? ???
按照 热力学条件,只有 体系自由能减
少时，液体才能铺展开来,即
79
只有当 铺展系数 SC＞ 0时，才能 发生浸润 。
不完全浸润的情况如下图所示，根据 力平衡,
可得
式中 ?称为接触角。
???? C O SLGSLSG ??
]/)[(1 LGSLSGCO S ???? ?? ?
80
（ a） 不完全浸润
（ b） 不浸润
不完全浸润 (a)和不浸润 (b)情况示意图
81
由 ?可知 浸润的程度 。
?＝ 0o时,液体完全浸润固体 ；
? ＝ 180o时,不浸润 ；
oo＜ ? ＜ 180o时,不完全浸润 (或称部
分浸润 )，随角度下降，浸润的程度增加。
? ＞ 90o时常认为 不发生液体浸润 。
82
对于一个结定的体系, 接触角 随着
温度、保持时间、吸附气体等而变化 。
浸润性仅仅表示了 液体与固体发生
接触时的情况,而并不能表示 界面的粘
结性能 。
83
一种体系的 两个组元 可能有 极好的浸润
性,但它们之间的 结合可能很弱,如范德华
物理键合形式。
因此 良好的浸润性,只是两个组元间可
达到 良好粘结 的必要条件，并非充分条件。
84
为了提高复合材料 组元间的浸润性,
常常通过 对增强材料进行表面处理的方法
来改善润湿条件，有时也可通过 改变基体
成分 来实现。
85
二、界面粘结
界面的粘结强度 直接影响着复合材料
的 力学性能 以及 其它物理、化学性能,如
耐热性、耐蚀性、耐磨性等。
因此自 50年代以来，复合材料的 界面
粘结机理 一直是人们致力研究的内容。
86
粘结 (或称 粘合, 粘着, 粘接 )是指 不
同种类的两种材料相互接触并结合在一起
的一种现象。
当 基体浸润增强材料后,紧接着便发
生 基体与增强材料的粘结 (Bonding)。
87
对于一个 给定的复合材料体系, 同时
可能会有不同的粘结机理 (如机械粘结、静
电粘结等 )起作用，而且 在不同的生产过程
中或复合材料的使用期间, 粘结机理还会
发生变化,如由静电粘结变成反应粘结。
88
体系不同, 粘结的种类或机理不同,这
主要取决于 基体与增强材料的种类 以及 表面
活性剂 (或称偶联剂 )的类型 等。
界面粘结机理 主要有 界面反应理论, 浸
润理论, 可变形层理论, 约束层理论, 静电
作用理论, 机械作用理论 等。
89
1．机械作用理论
机械作用机理如图 3— 3(a)所示，当两个表
面相互接触后，由于表面粗糙不平将发生机
械互锁 [interlocking)。 很显然表面越粗糙，
互锁作用越强，因此机械粘结作用越有效。
90
界面粘结机理示意图 机械作用理论（ mechanical bonding
91
在受到平行于界面的作用力时，机械粘
结作用可达到最佳效果，获得较高的剪切强
度。但若界面受拉力作用时，除非界面有如
图中 A处所示的‘锚固’形态，否则拉伸强
度会很低。
在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很
难遇到，往往是机械粘结作用与其它粘结机
理共同起作用。
92
2．静电作用理论
当复合材料的基体及增强材料的表面带有
异性电荷时，在基体与增强材料之间将发生
静电吸引力，如图所示。静电相互作用的距
离很短，仅在原子尺度量级内静电作用力才
有效。因此表面的污染等将大大减弱这种粘
结作用。
93
界面粘结机理示意图 静电作用理论 (electrostatic bonding)
94
3．化学作用理论
化学作用是指增强材料表面的化学基 (图 3—
3(c)中标有 x面 )与基体表面的相容基 (标有 R面 )
之间的化学粘结。
95
界面粘结机理示意图 化学作用理论 (chemical bonding) R,X分别代表相容的官能团
96
化学作用理论最成功的应用是偶联剂用于增
强材料表面与聚合物基体的粘结。如硅烷偶联
刑具有两种性质不同的官能团，一端为亲玻璃
纤维的官能团 (X),一端为亲材脂的官能团 (R)，
将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面上形成共
价键结合，如图 3— 3(d)所示。
97
界面粘结机理示意图 硅烷偶联剂产生的化学粘结
98
4．界面反应或界面扩散理论
复合材料的基体与增强材料间可以发生
原子或分子的互扩散或发生反应，从而形
成反应结合或互扩散结合。对于聚合物来
说，这种粘结机理可看作为分子链的缠结
(如图所示 )。
99
界面粘结机理示意图 聚合物的反应粘结（ reaction bonding）
100
聚合物的粘结作用正如它的自粘作
用一样是由于长链分子及其各链段的扩散
作用所致。而对于金属和陶瓷基复合材料，
两组元的互扩散可产生完全不同于任一原
组元成分及结构的界面层 (如图所示 )，
101
界面粘结机理示意图 界面扩散形成的界面层
102
而且界面层的性能也与复合材料组元
不同，对于金属基复合材料，这种界面层
常常是 AB,AB2,A3B类型的脆性的金属
间化合物；对于金属基和陶瓷基复合材料，
形成界面层的主要原因之一是由于它们的
生产制备过程不可避免地涉及到高温。在
高温下，扩散极易进行，扩散系数 D随温
度呈指数关系增加，按照 Arrhenius方程
103
21ktx ?
Q一扩散激活能,D０ 一常数,R一气体常
数,T一温度。
温度明显影响着扩散系数，若 Q＝ 250kJ／
mol,并代入上式，则在 10000C时扩散系数
D=2× 1034,要比室温大得多。互扩散层的程
度即反应层的厚度 x取决于时间 t和温度，可近
似表示为
)/e x p (0 RTQDD ??
104
k一反应速度常数，与扩散系数有关。复合
材料在使用过程中，尤其在高温使用时，界
面会发生变化并可形成界面层，此外先前形
成的界面层也会继续增长并形成复杂的多层
界面。
105
上述理论有一定的实验支待，但也有
矛盾之处。
如静电粘结理论的最有力证明是观察
聚合物薄膜从各种表面剥离时所发现的电
子发射现象，由电子发射速度算出剥离功
大小与计算的粘结功值和实际结果相当吻
合。
106
但是静电粘结理论不能解释非线性聚
合物之间具有较高的粘结强度这一现象。
因此，每一种粘结理论都有它的局限
性，这是因为界面相是一个结构复杂而具
有多重行为的相。
