复合材料的界面行为

第1章界面的形成和界面的作用

1.1　界面和界相002

1.2　界面的形成机理003

1.2.1　物理结合003

1.2.2　化学结合009

1.3　界面的作用011

1.4　增强机制014

1.4.1　理论预测014

1.4.2　实验研究018

1.5　增韧机制020

1.5.1　脱结合和拉出020

1.5.2　裂纹转向022

1.5.3　裂纹钉扎024

1.5.4　裂纹搭桥026

1.5.5　微开裂和塑性区分支028

1.5.6　裂纹尖端钝化028

1.5.7　增韧机制的表征029

1.6　界面设计031

1.6.1　基体改性032

1.6.2　增强体表面改性032

参考文献036



第2章复合材料界面的微观结构

2.1　概述040

2.2　界面断裂面的SEM表征041

2.2.1　二次电子成像衬度机理041

2.2.2　试样准备043

2.2.3　界面断裂面的形貌结构044

2.3　界面微观结构的TEM表征048

2.3.1　透射电子成像的衬度机理048

2.3.2　选区电子衍射052

2.3.3　试样准备053

2.3.4　陶瓷基复合材料界面055

2.3.5　金属基复合材料界面061

2.3.6　聚合物基复合材料界面063

2.4　界面微观结构的AFM表征064

2.4.1　基本原理066

2.4.2　操作模式和成像模式067

2.4.3　试样准备和图像伪迹079

2.4.4　碳纤维增强复合材料的界面080

2.4.5　聚合物纤维增强复合材料的界面086

2.4.6　玻璃纤维增强复合材料的界面091

2.4.7　纳米复合材料的界面096

2.5　界面微观结构的拉曼光谱表征099

2.5.1　界面碳晶粒的大小和有序度100

2.5.2　界面组成物的形成102

2.5.3　界面组成物的分布103

2.6　界面的成分分析105

2.6.1　特征X射线和荧光X射线分析106

2.6.2　背散射电子分析109

2.6.3　俄歇电子分析110

2.6.4　X射线光电子能谱分析112

参考文献114



第3章复合材料界面微观力学的传统实验方法

3.1　概述118

3.2　单纤维拉出试验119

3.2.1　试验装置和试样制备119

3.2.2　数据分析和处理122

3.3　微滴包埋拉出试验124

3.3.1　试验装置和试样制备124

3.3.2　数据分析和处理126

3.3.3　适用范围129

3.4　单纤维断裂试验130

3.4.1　试样制备和试验装置131

3.4.2　数据分析和处理132

3.4.3　适用范围133

3.5　纤维压出试验135

3.5.1　数据处理135

3.5.2　适用范围139

3.6　弯曲试验、剪切试验和Broutman试验139

3.6.1　横向弯曲试验139

3.6.2　层间剪切试验140

3.6.3　Broutman试验141

3.7　传统试验方法的缺陷141

参考文献142



第4章界面研究的拉曼光谱术和荧光光谱术

4.1　概述146

4.2　拉曼光谱和荧光光谱146

4.2.1　拉曼效应和拉曼光谱146

4.2.2　拉曼峰特性与材料微观结构的关系149

4.2.3　荧光的发射和荧光光谱152

4.3　纤维应变对拉曼峰频移的影响154

4.3.1　压力和温度对拉曼峰参数的影响154

4.3.2　拉曼峰频移与纤维应变的关系154

4.4　荧光峰波数与应力的关系156

4.4.1　荧光光谱的压谱效应156

4.4.2　单晶氧化铝的压谱系数及其测定156

4.4.3　多晶氧化铝纤维荧光峰波数与应变的关系159

4.4.4　玻璃纤维荧光峰波长与应变/应力的关系162

4.5　显微拉曼光谱术164

4.5.1　拉曼光谱仪164

4.5.2　显微系统166

4.5.3　试样准备和安置167

4.6　近场光学拉曼显微术168

4.7　拉曼力学传感器174

4.7.1　碳纳米管拉曼力学传感器174

4.7.2　二乙炔-聚氨酯共聚物拉曼力学传感器176

4.7.3　石墨烯拉曼力学传感器176

4.8　弯曲试验178

4.8.1　四点弯曲178

4.8.2　三点弯曲179

4.8.3　悬臂梁弯曲179

参考文献180



第5章碳纤维增强复合材料

5.1　碳纤维表面的微观结构184

5.2　碳纤维形变微观力学189

5.3　碳纤维/聚合物复合材料的界面192

5.3.1　热固性聚合物基复合材料192

5.3.2　热塑性聚合物基复合材料198

5.4　C/C复合材料的界面201

5.5　碳纤维复合材料的应力集中205

5.5.1　应力集中和应力集中因子205

5.5.2　碳纤维/环氧树脂复合材料的应力集中208

5.6　裂缝与纤维相互作用引起的界面行为210

5.6.1　纤维搭桥技术210

5.6.2　搭桥纤维与裂缝的交互微观力学213

5.7　变温拉曼光谱术217

5.7.1　碳材料的变温拉曼研究217

5.7.2　树脂基体的热运动219

5.7.3　复合材料内部的微观应力变化221

参考文献223



第6章碳纳米管增强复合材料

6.1　概述228

6.2　碳纳米管形变行为的拉曼光谱响应230

6.3　碳纳米管/聚合物复合材料的界面结合和应力传递236

6.3.1　界面应力传递236

6.3.2　界面结合物理242

6.3.3　界面结合化学244

6.4　碳纳米管/聚合物复合材料的界面能248

参考文献251



第7章石墨烯增强复合材料

7.1　概述254

7.2　石墨烯的拉曼峰行为对应变的响应257

7.2.1　实验方法257

7.2.2　峰频移与应变的函数关系259

7.3　界面应力传递262

7.3.1　Cox模型剪切－滞后理论的有效性262

7.3.2　应变分布和界面剪切应力263

7.3.3　*佳石墨烯尺寸266

7.3.4　应变图266

7.3.5　压缩负载下的界面应力传递268

7.3.6　*佳石墨烯片层数272

7.4　聚二甲基硅氧烷（PDMS）基纳米复合材料的界面应力传递278

7.5　氧化石墨烯纳米复合材料的界面应力传递282

参考文献284





第8章玻璃纤维增强复合材料

8.1　概述288

8.2　玻璃纤维增强复合材料的界面应力289

8.2.1　间接测量法289

8.2.2　直接测量法295

8.3　界面附近基体的应力场296

8.4　纤维断裂引起的应力集中299

8.5　光学纤维内芯/外壳界面的应力场302

参考文献305



第9章陶瓷纤维增强复合材料

9.1　概述308

9.2　陶瓷纤维的表面处理309

9.2.1　涂层材料和涂覆技术309

9.2.2　碳化硅纤维的表面涂层310

9.2.3　氧化铝纤维的表面涂层313

9.3　陶瓷纤维的形变微观力学314

9.3.1　碳化硅纤维和碳化硅单丝314

9.3.2　应变氧化铝纤维的拉曼光谱行为320

9.3.3　应变氧化铝纤维的荧光光谱行为322

9.4　碳化硅纤维增强复合材料的界面行为323

9.4.1　碳化硅纤维/玻璃复合材料323

9.4.2　压缩负载下SiC/SiC复合材料的界面行为328

9.4.3　纤维搭桥331

9.5　氧化铝纤维增强复合材料的界面行为334

9.5.1　氧化铝纤维/玻璃复合材料334

9.5.2　氧化铝纤维/金属复合材料344

9.5.3　纤维的径向应力347

9.5.4　纤维间的相互作用353

9.6　陶瓷纤维复合材料的热残余应力356

9.6.1　理论预测356

9.6.2　实验测定357

参考文献360



第10章高性能聚合物纤维增强复合材料

10.1　高性能聚合物纤维的形变364

10.1.1　芳香族纤维和PBO纤维的分子形变364

10.1.2　超高分子量聚乙烯纤维的分子形变369

10.1.3　分子形变和晶体形变372

10.2　界面剪切应力373

10.2.1　概述373

10.2.2　芳香族纤维/环氧树脂复合材料375

10.2.3　PBO纤维/环氧树脂复合材料377

10.2.4　PE纤维/环氧树脂复合材料382

10.3　纤维表面改性对界面行为的作用384

10.3.1　PPTA纤维表面的化学改性384

10.3.2　PE纤维的等离子体处理386

10.4　裂缝与纤维相互作用引起的界面行为387

参考文献390