复合材料的界面情况.pptVIP

第4章 聚合物基复合材料的界面 界面研究的意义： 聚合物基复合材料是由纤维和基体结合为一个整体，使复合材料具备了原组成材料所没有的性能，并且由于界面的存在，纤维和基体所发挥的作用，是各自独立而又相互依存的。 界面是复合材料组成的重要组成部分，它的结构与性能，以及粘合强度等因素，直接关系到复合材料的性能。所以，复合材料界面问题的研究有着十分重要的意义。 主要内容 4.1界面的基本概念 4.2 界面的形成与作用机理 4.3界面的破坏机理 4.4纤维的表面处理 了解界面结构对材料整体性能的影响，必须先表征界面相的化学、物理结构，厚度和形貌，粘接强度和残余应力等，从而可以寻找它们与复合材料性能之间的关系。 4.1 界面的基本概念 界面效应： ①物理效应，引起各组分之间互相浸润、扩散、相容性、界面自由能结构网络互穿的变化； ②化学效应：导致界面上的化学反应，形成新的界面层结构； ③力学效应：引起界面上的应力分布。 界面在复合材料中的作用是不可忽视的。因此，界面规律的研究是复合材料的基础理论之一。 4.2 界面的形成与作用机理 4.2.1 界面的形成 复合材料体系对界面要求各不相同，它们的成型加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为两个阶段。 （接触—吸附与浸润—交互扩散—化学结合或物理结合）——固化。 化学结合可看作是一种特殊的浸润过程 所谓浸润，即是把不同的液滴放到不同的固体表面上，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”。 有时液滴仍团聚成球状，这一现象称为“不浸润”或“浸润不好”。 液体对固体的浸润能力，可以用浸润角θ来表示 当θ≤90°时，称为浸润； 当θ≥90°时，称为不浸润； 当θ 0°及180°时，则分别为完全浸润和完全不浸润。 1805年Young提出平衡接触角θ与固气、固液和液气界面自由能有下述关系： σSA γSL+σLA cosθ （4-1） 讨论：① 若σSA γSL,则cosθ 0, θ 90° ,液体不能浸润固体。当θ＝180 °时，表面完全不浸润，液体呈球状； ②若σLA σSA- γSL时，则1 cosθ 0, θ 90°,液体能浸润固体； ③若σLA ＝σSA- γSL时，则cosθ ＝1, θ＝0°，这时液体完全浸润固体； ④若σLA σSA- γSL时,则液体在固体表面完全浸润（ θ＝0 °）时仍未达到平衡而铺展开来。 从式（4－1）可知，改变研究体系的表面张力σ，就能改变接触角θ，即改变系统的润湿情况。固体表面的润湿性能与其结构有关，改变固体的表面状态，即改变其表面张力，就可以达到改变润湿情况的目的，如对增强纤维进行表面处理，就可改变纤维与基体材料间的润湿情况 第二阶段： 液态（或粘流态）组分的固化过程，即凝固或化学反应。 固化阶段受第一阶段影响，同时它也直接决定着所形成的界面层的结构。 以热固性树脂的固化过程为例，固化剂所在位置是固化反应的中心，固化反应从中心以辐射状向四周扩展，最后形成中心密度大、边缘密度小的非均匀固化结构，密度大的部分称做胶束或胶粒，密度小的称做胶絮。 在依靠树脂本身官能团反应的固化过程中也出现类似的现象。 后处理过程：固-固界面自身完善与平衡的过程 界面的作用： 使纤维和基体形成一个整体，通过它传递应力。如果纤维表面没有应力，而且全部表面都形成了界面，则界面区传递应力是均匀的。实践证明，应力是通过基体与纤维间的粘合键传递的。若基体与纤维间的湿润性不好，胶接面不完全，那么应力的传递面积仅为纤维面积的一部分，所以为使复合材料内部能均匀传递应力，显示出优良的性能，要求复合材料的制备过程中形成一个完整的界面区。 4.2.2 界面的作用机理 在组成复合材料的两相中，一般总有一相以溶液或熔融流动状态与另一固相相接触，然后进行固化反应使两相结合在一起，在这个过程中，两相间的作用和机理一直是人们关心的问题，但至今尚不完全清楚。 从已有的研究结果总结为以下几种理论，包括： 1）浸润吸附理论 浸润吸附理论认为，高聚物的黏结作用可以分为两个阶段： 第一阶段：高聚物大分子借助于宏观布朗运动从溶液或熔融体中，移动到被粘物表面；再通过微布朗运动，大分子链节逐渐向被粘体表面的极性基体靠近。没有溶剂时，大分子链节只能局部靠近表面，而在压力作用下或加热使黏度降低时，便可与表面靠得很近。 第二阶段：发生吸附作用。当被粘体与黏结剂分子间距 0.5nm时，范德华力开始发生作用，从而形成偶极－偶极键、偶极－诱导偶极键、氢键等。 此理论认为黏结力决定于次价键力，其根据是： ①同一种黏结剂可黏接各种不同材料； ② 一般黏结剂与被粘体的惰性很大，它们之间发生化学作用可能性很小。 Bancroft指出，被粘体对粘结剂吸附越强