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第四章复合材料界面理论与处理技术 4.1 复合材料界面状态解析4.2 复合体系的界面结合特性4.3 复合体系的界面反应及表面处理 4.1.2 表面与界面化学 碳纤维、有机纤维的表面处理也是化学键理论的应用实例，在表面氧化或等离子、辐照等处理过程中，纤维的表面产生了—COOH，—OH等含氧活性基团，提高了与环氧等基体树脂的反应能力，使界面形成化学键，大大提高了粘结强度。 如果润湿和化学键两种作用均存在，则认为化学偶联作用是主要的，在此基础上再提高树脂的浸润性，则效果更佳。 用偶联剂处理过的玻璃表面，一定程度上排除了表面空穴或微裂纹中的空气，从而减少了表面的空穴，并同时以内层单分子膜阻碍湿气浸入界面，延长了结合键的寿命，这些都是偶联剂除敷于玻璃表面对粘结有利的因素。但是，大部分用硅烷偶联剂处理过的表面使其表面能降低，对树脂浸润不利，这是偶联剂处理的不利之处。因此，应选探适宜的偶联剂使其结构与树脂相似，以使两者间有良好的相容性。 4、防水层理论 为了解释玻璃纤维经偶联剂处理后，所制得的复合材料使湿态强度大大改善的现象，有人提出防水层理论。 由于玻璃纤维表面牢固地吸附一层水膜，此水膜不仅不利于树脂与玻璃纤维的粘结，而且水会侵入纤维表面的微裂纹，助长裂纹扩展。同时玻璃表面具有明显的碱性，而碱性水将破坏玻璃纤维的SiO2骨架，导致纤维强度的下降。另外水也可以通过树脂扩散而进入界面及材料内部，使复合材料性能下降。 防水层理论认为，清洁的玻璃表面是亲水的，而经偶联剂处理并覆盖的表面变成疏水表面，该表面可以防止水的侵蚀，从而改善复合材料湿态强度。 该理论与实际情况是有出入的。水是不可避免地要侵入界面，即使采用憎水的偶联剂处理破璃表面后，当表面暴露于空气中时，会再次吸附水分，这种吸附水仍然会对材料起破坏作用。 5、可逆水解理论 可逆水解理论亦称为可形变层理论、减轻界面局部应力理论。 增强材料经处理剂处理后，能减缓固化收缩产生附加应力、界面应力集中等几种应力的作用，因此一些研究者对界面的形成及其作用提出了几种理论：一种理论认为，处理剂在界面形成了一层塑性层，它能松弛界面的应力，减小界面应力的作用，这种理论称为“变形层理论”；另一种理论认为，处理剂是界面的组成部分，这部分是介于高模量增强材料和低模量基体材料之间的中等模量物质，能起到均匀传递应力，从而减弱界面应力的作用，这种理论称为“抑制层理论”。 这两个可逆反应建立了键的形成与断裂的动态平衡，依靠这种动态平衡，在界面上起着一定作用： 1）对水产生排斥作用； 2）这种动态平衡，使界面上应力松弛； 3）使树脂与增强体表面始终保持一定的粘合强度。 这种理论对热固性树脂/玻璃纤维复合材科界面系统的结合机理解释是很成功的，也说明偶联剂在潮湿条件下使复合材料仍有良好的强度保留率的原因。 对热塑性树脂/玻璃纤维系统的界面粘结机理，用这种可逆水解理论就难以解释。 6、摩擦理论 摩擦理论认为，基体与增强材料界面的形成完全是由于摩擦作用。基体与增强材料间的摩擦系数决定了复合材料的强度。处理剂的作用在于增加了基体与增强材料间的摩擦系数，从而使复合材料的强度提高。该理论可较好地解释复合材料界面受水等低分子物质浸入后强度下降，干燥后强度又能部分恢复的现象。水等小分子浸入界面使基体与增强材料间的摩擦系数减小，界面传递应力的能力减弱，故强度降低。干燥后界面水分减少，基体与增强材料间的摩擦系数增大，传递应力的能力增加，故强度部分恢复。 4.2.3 非树脂基复合材料界面 1 机械结合。基体与增强材料之间不发生化学反应，纯粹靠机械连结，靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。 2 溶解和润湿结合。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶解，形成结合。界面是溶质原子的过渡带。 3 反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，在界面上生成化合物，使基体和增强材料结合在一起。 4 交换反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，生成化合物，且还通过扩散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。 5 混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。是以上几种结合方式中几个的组合。 界面结合方式的分类 * * 　　复合材料的界面是指基体与增强体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。 4.1 复合材料界面状态解析 PMC界面区域 interface zone of PMC 示意图 1-外力场； 2-树脂基体； 3-基体表面区； 4-相互渗透区； 5-增强体表面区； 6-增强体 4.1.1 复合材料界面及其研究对象 4.1.1.1界面的作用 1 传递作用。界面能传递场量，如传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强体之间的桥梁作用。 2 阻