复合材料可以在广泛的温度范围内使用，同时其使用温度均高于复合材料基 体。目前聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 ?C；金属基复合材料按不同的 基体性能，其使用温度在350 ? 1100 ?C范围内变动；陶瓷基复合材料的使用温 度可达1400?C；而碳碳复合材料的使用温度最高，可高达2800?C。
3、良好的尺寸稳定性：
加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚度，而且可以使其热 膨胀系数明显下降。通过改变复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热 膨胀系数。例如在石墨纤维增强镁基复合材料中，当石墨纤维的含量达到48% 时，复合材料的热膨胀系数为零，即在温度变化时其制品不发生热变形。这对人 造卫星构件非常重要。
图2-3 不同材料的尺寸稳定性和比模量
4、良好的化学稳定性：
聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性。
5、良好的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性：
由于增强体的加入，复合材料的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性等性能得到 提高，特别是陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善
6、良好的功能性能：包括 光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。
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第三章 复合材料界面
一、复合材料界面（Interface or Interphase）
复合材料的界面是指基体与增强相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。
复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域，约几个纳米到几个微米（图3- 1、图3-2）。此区域的结构与性质都不同于两相中的任何一相。这一界面区由五 个亚层组成，每一亚层的性能都与基体和增强相的性质、复合材料成型方法有 关。
1、外力场
2、基体
3、基体表面区 4、相互渗透区
5、增强剂表面区 6、增强剂 图3 – 1 复合材料的界面示意图
图3 – 2 SCS6/25Al-10Nb-3V-1Mo复合材料界面透射电镜照片及示意图
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：界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。
（2）阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。
（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、耐热性和磁场尺寸稳定性等。
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（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、耐机械冲击性等。
（5）诱导效应：一种物质（通常是增强剂）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，如强弹性、低膨胀性、耐热性和冲击性等。
界面效应是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合材料具有重要的作用。界面效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性质有关，也与复合材料各组分的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。
界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响。对于每一种复合材料都要求有合适的界面结合强度。许多因素影响着界面结合强度，如表面几何形状、分布状况、纹理结构、表面杂质、吸附气体程度、吸水情况、表面形态、在界面的溶解、扩散和化学反应、表面层的力学特性、润湿速度等。
界面结合较差的复合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。界面结合过强的复合材料则呈脆性断裂，也降低了复合材料的整体性能。界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域化而不进一步界面脱粘；即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。因此，在研究和设计界面时，不应只追求界面结合而应考虑到最优化和最佳综合性能。
二、复合材料组分的相容性 物理相容性：
是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀地传递到增强剂 上，而不会有明显的不连续现象。另外，由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增强剂上形成高的局部应力。另一个重要的物理关系是热膨胀系数。基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面结合产生重要的影响，从而影响材料的各类性能。例如对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因为热膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却是将受到张应力；对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于抗拉强度，处于压缩状态比较有利。而对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求避免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差太大。
化学相容性：
化学相容性是一个复杂的问题。对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两相化学势相等，比表面能效应也最小。对非平衡态复合材料，化学相容
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性要严重得多。纤维和基体间的直接反应则是更重要的相容性问题。但对高温复合材料来说， 以下因素与复合材料化学相容性有关的问题则十分重要：
1） 相反应的自由能 ? F：代表该反应的驱动力。设计复合材料时，应确定 所选体系可能发生反应的自由能的变化。
2）化学势U：各组分的化学势不等，常会导致界面的不稳定。 3）表面能T：各组分的表面能可能很高，导致界面的不稳定。
4）晶界扩散系数D：由晶界或表面扩散系数控制的二次扩散效应常使复合体系中组分相的关系发生很大变化。
三、复合材料的界面理论 1、 界面润湿理论
界面润湿理论是基于液态树脂对纤维表面的浸润亲和，即物理和化学吸附作用。液态树脂对纤维表面的良好浸润是十分重要的。浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润将使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。
从热力学观点来考虑两个结合面与其表面能的关系，一般用表面张力来表征。表面张力即为温度和体积不变的情况下，自由能随表面积增加的增量。
? = （?F / ?A）TV
此处 ? 为表面张力；F为自由能； A为面积；T和V分别为温度和体积。 当两个结合面结合了，则体系中由于减少了两个表面和增加了一个界面使自由能降低了。体系由于两个表面结合而导致自由能的下降定义为粘合功。 WA = ?S + ?L - ? SL
式中S 、L 和 SL 下标分别代表固体、液体和固液体。如图2-3所示，? 角为接触
角。接触角表示了液体润湿固体的情况。
图 3 – 3 液滴在固体表面的不同润湿情况
当 ? > 90°， 液体不润湿固体； ?=180°, 固体表面完全不能被液体润湿；
当?< 90° ，液体润湿固体； ? = 0°，液体完全平铺在固体表面。接触角随温度、保持时间、吸附气体等而变化。
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根据力的合成 ?L cos ? = ?S - ? SL ，
粘合功可表示为： WA = ?S + ?L - ? SL= ?L（1+ cos ? ）。
粘合功WA最大时， cos ? =1，即? = 0，液体完全平铺在固体表面。同时 ? = ?S L , ?S = ?L 。
热力学说明两个表面结合的内在因素，表示结合的可能性；动力学反映实际产生界面结合的外界条件，如温度、压力等的影响，表示结合过程的速度问题。产生良好结合的条件如下：
1) 液体粘度尽量低；
2）?S 略大于?L ， 即 ` ? tL =`? 2` ? ， 0.8 ? ? ? 1 , ? ：效率因子，液体在固 体上扩展的条件，它与温度等活化过程有关。
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。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。因此润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条件。
2、机械作用理论：
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（图 3 – 4）。
图 3 – 4 表面机械互锁结合示意图
另一方面，尽管表面积随着粗糙度增大而增大，但其中有相当多的孔穴，
粘稠的液体是无法流入的。如经验公式：Z2 =K ? cos ? tδ/η， 表明流入量Z是 与液体表面张力、接触角、时间和孔径成正比，与粘度成反比。无法流入液体的 孔不仅造成界面脱粘的缺陷，而且也形成了应力集中点。
3、静电理论：
当复合材料不同组分表面带有异性电荷时，将发生静电吸引。仅在原子尺度 量级内静电作用力才有效（图 3 – 5）。
图 3 – 5 表面静电吸引结合示意图
4、化学键理论：
在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形成共价键结合（图3 – 6）。
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