复合材料及成型加工(第五章)-材料的界面.ppt

第五章复合材料的界面5.1界面的基本概念界面：基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起传递载荷作用的微小区域。复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域，厚度约几个纳米到几个微米。1.外力场；2.树脂基体3.基体表面区；4.相互渗透区5.增强剂表面区；6.增强剂5.2界面效应阻断效应阻断裂纹扩展，减缓应力集中。不连续效应在界面上产生物理性质不连续现象。如电阻，介电等。传递效应界面传递力作用，将外力传递给增强物。起到基体与增强物之间的桥梁作用。散射和吸收效应光波、声波等在界面处产生散射和吸收，从而产生透光性、隔音性等。诱导效应一种物质（增强体）的表面结构使另一种与之接触物质（聚合物基体）的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强的弹性、低膨胀性等。5.2聚合物基复合材料的界面5.2.1界面的形成与作用机理（一）界面形成第一阶段：基体与增强体的接触与浸润增强体优先吸附那些能够较多降低其表面能的物质。第二阶段：聚合物的固化聚合物通过物理的或化学的变化而固化，形成稳定的界面层。（1）界面浸润性理论1963年由Zisman提出。该理论认为填充剂被液态树脂良好浸润是非常重要的，若浸润不好会在界面上产生孔隙，易使应力集中而使复合材料开裂，如果两组组分完全浸润，则树脂与填充剂之间的黏结强度将超过基体的内聚强度。（二）界面作用机理

目前有多种界面作用理论，但还不够完善。

首先，从热力学角度考虑两个表面结合与其表面能的关系。用表面张力来表征表面能，（5－1）式中：γ－表面张力；G－体系的Gibbs自由能；A－界面面积；T，P,n－体系的温度，压力，摩尔数若两个表面结合在一起，则体系由于减少了两个表面和增加了一个界面使自由能下降。这种自由能的下降定义为黏合功WA，即把单位黏附界面拉开所需的功，则WA=γS+γL－γSL（5－2）一滴液体在固体表面的润湿状态当θ90°，液体能润湿固体当θ=0°，这时液体完全润湿固体当θ90°，液体不能润湿固体表面当θ=180°，液体完全不能润湿固体表面根据力的平衡：γLcosθ=γS－γSL（5-3）由式（5-2）、式（5-3）可知：WA=γS+γL－γSL=γL（1+cosθ）（5-4）由式（5-4）可知，界面结合最好的情况即WA达到最大值的条件为cosθ=1，也即θ=0。这时，γS=γL。（2）化学键理论化学键理论认为要使两相之间实现有效的结合，两相表面应含有能相互发生化学反应的活性官能团，通过它们的反应以化学键结合形成界面。如两相之间不能直接进行化学反应，也可以通过偶联剂的媒介作用以化学键互相结合。化学键理论应用最广，也最成功。（a）两相界面间发b）两相界面通过偶联生化学反应剂以化学键结合该理论难以解释有些偶联剂不含有与基体树脂起反应的基团，却有较好的处理效果。按化学键理论，基体与增强体之间只需要单分子层的偶联剂就可以了，但实际上偶联剂在增强体表面不是单分子层，而是多层。（3）物理吸附理论该理论认为，增强体与基体之间结合属于机械咬合和基于次价键的物理吸附。偶联剂的作用主要是促进基体与增强体表面完全浸润。这种理论并不完全正确。某些实验显示，偶联剂未必一定改善树脂对增强体的浸润。这种理论可作为化学键理论的一种补充。（4）过渡层理论如果复合材料在成型时，基体和增强体的热膨胀系数相差较大，在固化过程中，增强体与基体界面上就会有残余应力，降低复合材料的性能。变形层理论：由Hooper提出。该理论认为增强体经表面处理后，在界面上形成一层塑性过渡层，可以松弛并减小界面应力。优先吸附理论和柔性层理论：认为偶联剂会导致生成不同厚度的柔性基体界面层，而柔