2.3.1 视频单元慕课视频播放-复合材料设计与成型-MOOC慕课视频教程-柠檬大学

接下来我们一起来学习界面效应

增强体与基体在成型过程中会发生程度不同的相互作用和界面反应

从而形成一层具有一定厚度的新相——界面相

界面相的厚度一般在纳米以上乃至数微米，薄薄的一层

如左图中绿色的部分

红色的部分是增强相，蓝色为基体相

复合材料成型时

相与相接触过程中的结合或粘接

源于两相接触表面之间的物理结合、化学结合或兼而有之

其结合机理，也就是界面效应，主要包括物理效应与化学效应

物理效应，如组分之间相互吸附、浸润、静电吸引

元素或分子相互扩散、机械锁合、范德瓦尔斯力等等

化学效应，主要包括化学基团连接以及化学反应形成新的化合物

因此在选择基体相和增强相时，要考虑两者间的物理相容性和化学相容性

为了了解物理结合、化学结合的作用机理

我们首先介绍关于表面和界面的一些基本概念

由物理化学的基本知识可知

凡是不同相共存的体系，相与相之间都存在界面

界面就是两相的接触面，具有一定厚度

表面就是与气体接触的界面

物质以气、固、液三种相态存在，三种相态相互接触可以产生五种界面

比表面积就是单位体积或单位质量物质的表面积

举个例子，把边长1cm的立方体，不停进行分割

当分割成边长为1纳米的立方体时，比表面积将增长到1000万倍

表面张力是物质表层原子的特殊性质

例如液体表面张力是由于液体表面层原子与内部原子所处力场不同产生的

下面我们来学习表面吸附作用

一种物质的原子或分子附着在另一物质表面上的现象

或物质在相的界面上浓度发生变化的现象

我们称之为表面吸附

按作用力性质又分为物理吸附和化学吸附

对于物理吸附而言，吸附力为范德华力，吸附层数为单层或多层原子

吸附热小，吸附物质间几乎无选择性

吸附过程可逆，吸附平衡也容易达到

而对化学吸附而言，吸附力为化学键，吸附层数多为单层

吸附反应热大，吸附物质间的选择性较强

也就是不是所有物质间都能发生化学吸附

吸附过程一般不可逆，吸附平衡不易达到

再来看浸润性

浸润或者润湿是指原来的固-气界面被新的固-液界面置换的过程

即把不同的液滴放到固体表面上，有时液滴会立即铺展开来

遮盖固体的表面，这一现象称为“浸润现象”

复合材料制备过程中，基体对纤维的浸润是必要条件

图中从左到右，液滴在固体表面

依次是完全铺展开、完全不铺展以及部分铺展

对应着完全润湿，完全不润湿以及部分润湿的情形

中间的完全不浸润现象，就像荷叶上的水滴

那么如何来定量描述润湿的程度呢？

可以用接触角来描述

当一液滴在固体表面上不完全展开时

在气(v)、液(l)、固(s)三相会合点(平衡点)

固-液界面(s-l)的水平线与液-气界面(l-v)切线之间通过液体内部的夹角θ，称为接触角

接触角θ与固、气、液三相两两之间的界面自由能γ之间满足杨氏方程

界面自由能之间满足不同的关系，就会导致接触角的不同

当接触角等于0度时，称为完全润湿

当接触角为0到90度之间时，称为润湿

接触角大于90度，则认为是不润湿

接下来我们一起来看界面效应

界面效应主要有三种

(1) 传递效应：外载荷通过基体和界面传递，使增强相作为整体承担外载荷

(2) 隔断效应：界面对基体材料和增强材料的成份分布等产生了隔断

对裂纹扩展路径产生隔断

(3)突变效应（leap跳跃）：界面区域的成份和结构变化急剧

光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收

透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击性等在界面处产生突变

首先来看传递效应

外载荷直接作用在基体上，基体又通过界面将载荷传递到增强相上

关于临界纤维长度和临界纤维长径比的概念

在上一节短纤维增强原理中已经讲过

临界纤维长度是指充分发挥纤维性能的最小纤维长度

也就是使纤维上受到的拉伸应力达到纤维的断裂应力所必须的纤维最小长度

纤维临界长径比与纤维强度、界面强度的关系之前已经推导过

其中纤维的强度和直径都是由纤维的种类本身决定的

因此纤维临界长度取决于界面强度

而界面强度主要和界面层的厚度与结构有关，是可以调节的

界面的强弱直接影响复合材料的性能

界面结合太弱，基体不能将载荷有效传递给纤维

存在不均匀损伤，断裂时有纤维拔出

复合材料表现出强度低、韧性高

界面结合太强，复合材料表现出脆性断裂特征，无纤维拔出

界面结合强弱适中，在纤维与基体之间结合弱的部位发生非积聚断裂

结合较强的部位发生积聚性断裂，也就是表现出混合型破坏

界面结合强弱，通过临界纤维长径比来反映

临界长径比高，复合材料强度低而韧性高

临界长径比低，强度高而韧性低

临界长径比高低适度，则发生混合型破坏，强度和韧性匹配

界面强度的调节方式，主要有调节界面相模量、纤维表面处理等

接下来看界面效应中的隔断效应

界面的存在使得复合材料中正在扩展的裂纹遇到界面后扩展方向发生偏转

裂纹扩展发生偏转的主要过程分为以下三个阶段

开始的时候裂纹向界面扩展接近

还没到达界面时主裂纹尖端的界面剥离

最后主裂纹与剥离的界面合体（如左图所示）

根据能量守恒原理，恒温恒压时

使体系增加(或形成)单位面积的表面(界面剥离)，环境需作表面功

因此隔断效应，或称为阻隔效应

在裂纹扩展过程中，界面的剥离使得外载要做额外的功

也就是需要消耗更多的能量，实际上就是提高了材料破坏的难度

界面的突变效应主要有不连续效应、散射和吸收效应、诱导效应等

不连续效应是指在界面上产生物理性能不连续性

如导电性、电感应性、磁性、导热性等

散射和吸收效应是指光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收

从而影响透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击性等

而诱导效应则是指

增强相的表面结构使聚合物基体的结构由于诱导作用而发生改变

从而产生强弹性、低膨胀性、耐热性和冲击性等

复合材料设计与成型课程列表：

上篇基础--复合材料的概念与原理 1 引言

-1.1 课程简介及复合材料定义

--1.1.1 视频单元

--1.1.2 作业

--1.1.3讨论

-1.2 复合材料的命名与分类

--1.2.1 视频单元

--1.2.2 作业

-1.3 复合材料的特点

--1.3.1 视频单元

--1.3.2 作业

-1.4 复合材料的应用

--1.4.1 视频单元

--1.4.2 作业

--1.4.3 讨论题

--1 引言课件

2 复合原理及界面

-2.1 颗粒增强原理

--2.1.1 视频单元

--2.1.2 作业

-2.2 短纤维增强原理

--2.2.1 视频单元

--2.2.2 作业

-2.3 界面效应

--2.3.1 视频单元

--2.3.2 作业

-2.4 复合材料界面

--2.4.1 视频单元

--2.4.2 作业

-2.5 复合材料界面表征与分析

--2.5.1 视频单元

--2.5.2 作业

-2 复合原理及界面课件

3 增强材料

-3.1 增强材料概述

--3.1.1 视频单元

--3.1.2 作业

-3.2 玻璃纤维概述、生产工艺、成分与结构

--3.2.1 视频单元

--3.2.2 作业

-3.3 玻璃纤维的性能、制品与规格

--3.3.1 视频单元

--3.3.2 作业

-3.4 碳纤维概述

--3.4.1 视频单元

--3.4.2 作业

-3.5 碳纤维的制备工艺

--3.5.1 视频单元

--3.5.2 作业

-3.6 碳纤维的结构、性能、制品与规格

--3.6.1 视频单元

--3.6.2 作业

-3.7 芳纶纤维

--3.7.1 视频单元

--3.7.2 作业

-3 增强材料课件

4 聚合物基复合材料

-4.1 聚合物概述

--4.1.1 视频单元

--4.1.2 作业

-4.2 聚酯概述、化学结构、合成与交联

--4.2.1 视频单元

--4.2.2 作业

-4.3 聚酯的性能与应用

--4.3.1 视频单元

--4.3.2 作业

-4.4 环氧树脂概述、化学结构、合成与表征

--4.4.1 视频单元

--4.4.2 作业

-4.5 环氧树脂的交联、性能与应用

--4.5.1 视频单元

--4.5.2 作业

-4.6 酚醛树脂及其他热固性树脂

--4.6.1 视频单元

--4.6.2 作业

-4.7 热塑性树脂及聚合物基复合材料的应用

--4.7.1 视频单元

--4.7.2 作业

-4 聚合物基复合材料课件

5 陶瓷基复合材料

-5.1 陶瓷及陶瓷基复合材料概述

--5.1.1 视频单元

--5.1.2 作业

-5.2 陶瓷基复合材料成型工艺

--5.2.1 视频单元

--5.2.2 作业

-5.3 陶瓷基复合材料的界面及强韧化

--5.3.1 视频单元

--5.3.2 作业

-5.4 碳碳复合材料及陶瓷基复合材料的应用

--5.4.1 视频单元

--5.4.2 作业

-5 陶瓷基复合材料课件

6 金属基复合材料

-6.1 金属基体

--6.1.1 视频单元

--6.1.2 作业

-6.2 金属基复合材料成型工艺

--6.2.1 视频单元

--6.2.2 作业

-6.3 金属基复合材料的界面

--6.3.1 视频单元

--6.3.2 作业

-6.4 金属基复合材料的性能与应用

--6.4.1 视频单元

--6.4.2 作业

-6 金属基复合材料课件

中篇理论--复合材料结构设计原理 1 引言

-1.1 视频单元

-1.2 作业

-1 引言课件

2 应力-应变关系

-2.1 应力与应变

--2.1.1 视频单元

--2.1.2 作业

-2.2 广义胡克定律

--2.2.1 视频单元

--2.2.2 作业

-2.3 工程常数、平面应力状态、应力应变转换

--2.3.1 视频单元

--2.3.2 作业

-2 应力-应变关系课件

3 单向板的刚度

-3.1 单向板的正轴刚度、刚度柔度变换

--3.1.1 视频单元

--3.1.2 作业

-3.2 倍角变换、偏轴工程常数

--3.2.1 视频单元

--3.2.2 作业

-3 单向板的刚度课件

4 层合板的刚度

-4.1 层合板的代号、面内刚度

--4.1.1 视频单元

--4.1.2 作业

-4.2 典型层合板的面内刚度

--4.2.1 视频单元

--4.2.2 作业

-4.3 层合板的弯曲刚度

--4.3.1 视频单元

--4.3.2 作业

-4.4 单向层合板、对称层合板及夹芯结构的弯曲刚度

--4.4.1 视频单元

--4.4.2 作业

-4 层合板的刚度课件

5 层合板的强度

-5.1 最大应力与最大应变准则

--5.1.1 视频单元

--5.1.2 作业

-5.2 蔡-希尔、蔡-吴强度准则

--5.2.1 视频单元

--5.2.2 作业

-5.3 层合板的强度分析

--5.3.1 视频单元

--5.3.2 作业

-5.4 层合板的极限强度

--5.4.1 视频单元

--5.4.2 作业

-5 层合板的强度课件

6 复合材料细观力学

-6.1 细观力学引言、平均性质

--6.1.1 视频单元

--6.1.2 作业

-6.2 单向板的工程常数

--6.2.1 视频单元

--6.2.2 作业

-6.3 单向板的强度

--6.3.1 视频单元

--6.3.2 作业

-6.4 热膨胀与湿溶胀系数

--6.4.1 视频单元

--6.4.2 作业

-6.5 层合板的残余应力

--6.5.1 视频单元

--6.5.2 作业

-6 复合材料细观力学课件

7 复合材料一维受力构件分析

-7.1 复合材料结构控制方程

--7.1.1 视频单元

--7.1.2 作业

-7.2 简单构型复合材料一维受力构件的力学分析

--7.2.1 视频单元

--7.2.2 作业

-7 复合材料一维受力构件分析课件

8 复合材料梁

-8.1 复合材料层合梁

--8.1.1 视频单元

--8.1.2 作业

-8.2 复合材料板梁

--8.2.1 视频单元

--8.2.2 作业

-8.3 复合材料薄壁梁

--8.3.1 视频单元

--8.3.2 作业

-8 复合材料梁课件

下篇应用--复合材料成型工艺 1 引言

-1.1 绪论

--1.1.1 视频单元

--1.1.2 作业

--1.1.3 讨论

-1 引言课件

2 手糊成型工艺

-2.1 手糊基本原理

--2.1.1 视频单元

--2.1.2 作业

-2.2 树脂对纤维的润湿（上）

--2.2.1 视频单元

--2.2.2 作业

-2.3 树脂对纤维的润湿（下）

--2.3.1 视频单元

--2.3.2 作业

-2.4 手糊技术进展和典型应用

--2.4.1 视频单元

--2.4.2 作业

-2 手糊成型工艺课件

3 树脂传递模塑工艺

-3.1 RTM基本原理

--3.1.1 视频单元

--3.1.2 作业

-3.2 树脂渗流规律

--3.2.1 视频单元

--3.2.2 作业

-3.3 树脂流动模拟分析

--3.3.1 视频单元

--3.3.2 作业

-3.4 RTM技术发展和典型应用

--3.4.1 视频单元

--3.4.2 作业

-3 树脂传递模塑工艺课件

4 树脂膜熔融浸渍工艺

-4.1 RFI基本原理

--4.1.1 视频单元

--4.1.2 作业

-4.2 RFI树脂膜体系

--4.2.1 视频单元

--4.2.2 作业

-4.3 树脂固化制度的确定和RFI典型应用

--4.3.1 视频单元

--4.3.2 作业

-4 树脂膜熔融浸渍工艺课件

5 真空导入模塑工艺

-5.1 VIMP基本原理

--5.1.1 视频单元

--5.1.2 作业

-5.2 树脂的粘度特性

--5.2.1 视频单元

--5.2.2 作业

-5.3 纤维预成型体的渗透特性和VIMP典型应用

--5.3.1 视频单元

--5.3.2 作业

-5 真空导入工艺课件

6 拉挤成型工艺

-6.1 拉挤基本原理

--6.1.1 视频单元

--6.1.2 作业

-6.2 拉挤内脱模剂

--6.2.1 视频单元

--6.2.2 作业

-6.3 拉挤技术发展和典型应用

--6.3.1 视频单元

--6.3.2 作业

-6 拉挤成型工艺课件

7 缠绕成型工艺

-7.1 缠绕基本原理

--7.1.1 视频单元

--7.1.2 作业

-7.2 缠绕线型规律

--7.2.1 视频单元

--7.2.2 作业

-7.3 缠绕工艺参数、技术发展和典型应用

--7.3.1 视频单元

--7.3.2 作业

-7 缠绕成型工艺课件

8 模压成型工艺

-8.1 模压基本原理和模压料工艺性

--8.1.1 视频单元

--8.1.2 作业

-8.2 SMC片状模塑料

--8.2.1 视频单元

--8.2.2 作业

-8.3 模压关键工艺参数和典型应用

--8.3.1 视频单元

--8.3.2 作业

-8 模压成型工艺课件

9 有机先驱体转化法

-9.1 概述

--9.1.1 视频单元

--9.1.2 作业

-9.2 PIP基本原理

--9.2.1 视频单元

--9.2.2 作业

-9.3 PIP关键步骤

--9.3.1 视频单元

--9.3.2 作业

-9.4 致密化和典型应用

--9.4.1 视频单元

--9.4.2 作业

-9 先驱体转化法课件

考试

-课程考试

2.3.1 视频单元在线视频

2.3.1 视频单元课程教案、知识点、字幕

复合材料设计与成型课程列表：

上篇基础--复合材料的概念与原理 1 引言

2 复合原理及界面

3 增强材料

4 聚合物基复合材料

5 陶瓷基复合材料

6 金属基复合材料

中篇理论--复合材料结构设计原理 1 引言

2 应力-应变关系

3 单向板的刚度

4 层合板的刚度

5 层合板的强度

6 复合材料细观力学

7 复合材料一维受力构件分析

8 复合材料梁

下篇应用--复合材料成型工艺 1 引言

2 手糊成型工艺

3 树脂传递模塑工艺

4 树脂膜熔融浸渍工艺

5 真空导入模塑工艺

6 拉挤成型工艺

7 缠绕成型工艺

8 模压成型工艺

9 有机先驱体转化法

考试

2.3.1 视频单元笔记与讨论

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复合材料设计与成型课程列表：

上篇 基础--复合材料的概念与原理 1 引言

2 复合原理及界面

3 增强材料

4 聚合物基复合材料

5 陶瓷基复合材料

6 金属基复合材料

中篇 理论--复合材料结构设计原理 1 引言

2 应力-应变关系

3 单向板的刚度

4 层合板的刚度

5 层合板的强度

6 复合材料细观力学

7 复合材料一维受力构件分析

8 复合材料梁

下篇 应用--复合材料成型工艺 1 引言

2 手糊成型工艺

3 树脂传递模塑工艺

4 树脂膜熔融浸渍工艺

5 真空导入模塑工艺

6 拉挤成型工艺

7 缠绕成型工艺

8 模压成型工艺

9 有机先驱体转化法

考试

2.3.1 视频单元笔记与讨论

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下篇应用--复合材料成型工艺 1 引言