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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划材料界面结构复合材料中的界面问题及对其性能的影响古天权贵州大学化学与化工学院无机092班引言复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相组成，各自都有其独特的结构、性能与作用。增强相主要起承载作用；基体相主要起连接增强相和传载作用；界面是增强相和基体相连接的桥梁，同时是应力的传递者。复合材料的界面问题的研究引起了许多研究者的注意和兴趣。复合材料的界面复合材料是由几相材料复合而成，一般有一相以溶液或熔融流动状态与另一相或其它相接触，然后进行物化反应使相与相之间结合在一起。而两相互相作用
2、的结果即生成复合材料的界面。因此界面并不是单纯的一个几何面，而是一个过渡区域。一般来说，这个区域是从与增强物内部性质不同的那一点开始到基体内与基体性质相一致的某点终止。该区域材料的结构与性能不同于两相组分材料中的任一相，该区域即为界面相或界面层。界面的微观结构包括界面的组成和结构，界面区的成分及其分布，近界面基体一侧的位错密度及其分布等，复合材料的界面会受到温度、与基体和增强剂结构性能匹配度等各种因素的影响，而且这些因素的影响作用几乎是决定性的。而界面对复合材料的性能具有很大的影响，如刚度、疲劳、裂纹及韧性等重要性质参数。影响机制界面上一般都存在着一定的应力，可分为本征应力与热应力界面两侧晶粒
3、由于结构差异(原子间距差异)而带来的应力称为本征应力；当温度发生改变时，由于热膨胀系数差所带来的应力称为热应力。如多晶材料如果由两种不同热膨胀系数的晶相组成单相材料，如石英、氧化铝等，不同结晶学方向热膨胀系数不同高温烧结时，两相处于完全密合接触无应力状态冷却至室温，晶界应力裂纹/晶体破裂晶界应力：(双层复合体模型）K?Td/L其中为热膨胀系数，d为材料厚度，L为材料长度，K为与材料E、V有关的常数。温度上升时，大的材料受压应力，小的材料受张应力；温度下降时反之界面存在热应力，其根本原因是温度差T及线膨胀系数差界面热应力与线膨胀系数差及温度差T成正比应力正比于厚度，故材料越厚，界面剪切应力越大。
4、复合材料的界面效应界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种效应：传递效应：界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性和磁场尺寸稳定性等。散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击性等。诱导效应：一种物质的表面结构使另一种与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强弹性、低膨胀性、耐热性和冲击
5、性等。界面的结合状态和强度界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响。对于每一种复合材料都要求有合适的界面结合强度。界面结合较差的复合材料大多呈剪切破坏，且在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象。界面结合过强的复合材料则呈脆性断裂，也降低了复合材料的整体性能。界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域化而不进一步界面脱粘；即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。：当复合材料的界面强度由大到小逐步降低时，材料试件的宏观峰值强度也不断下降，同时材料试件的裂纹扩展形式从在基体中的横向扩展逐步转化为沿晶扩展，材料的脆性逐步改善，材料试件的韧性不断增强。复合材料的界面及
6、改性方法改善复合材料的原则：1、改善基体对增强材料的浸润程度；2、适度的界面粘结3、减少成型时形成的残余应力。4、调节界面内应力、减缓应力集中。复合材料的形成和改善界面途径1、原位复合界面2、刚性粒子增韧聚合物3、玻璃纤维增强复合材料的界面4、增强体的表面改性结语：界面对复合材料性能具有十分重要的影响，其在复合材料中也有必然性与重要性。如硬化、强化跨越界面的载荷传递，韧性裂纹的偏转，纤维的拔出，塑性界面附近峰值应力的松弛。但是由于界面尺寸很小且不均匀、化学成分及结构复杂、力学环境复杂、对于界面的结合强度、界面的厚度、界面的应力状态尚无直接的、准确的定量分析方法；所以，对于界面结合状态、形态、结
7、构以及它对复合材料性能的影响尚没有适当的试验方法，通常需要借助拉曼光谱、电子质谱、红外扫描、x衍射等试验逐步摸索和统一认识；另外，对于成分和相结构也很难作出全面的分析。因此，这今为止，对复合材料界面的认识还是很不充分的，尽管存在很大的困难，但由于界面的重要性，所以吸引着大量研究者致力于认识界面的工作，以便掌根其规律。参考文献：1伍章健.复合材料界面和界面力学.应用基础与工程科学学报.，1995:302-3142黄传真，张树生，艾兴，王景海.新型复合材料界面研究的现状与展望.材料导报.1996(4):15-183乔冠军，王永兰，金志浩等无机材料学报，1995，10(2)：1G94复合材料学-周祖
8、福5张国定，金属基复合材料界面问题，材料研究学报，1997，649-657材料表面与界面第一章绪论1-1表面与界面的概念表面：通常把一个相和它本身的蒸汽：晶胞在三维空间上的周期性重复。实际晶体：有边界一、表面与体内的差别1、组成上的差别表面偏析(表面富集、表面偏析、晶界偏析）2、表面质点排列与体内的差别3、表面原子的电子结构与体内的不同表面上的原子的电子云空间分布变化?表面物理化学性质变化XPS测内层电子UPS测价电子二、表面科学的实际应用光学性质：增透膜、减反膜催化作用：1、改善材料的机械性能、腐蚀性能SiN4-SiN2O预氧化2、催化问题3、界面的研究固-固界面、固-液界面4、能源的利用1
9、-3表面研究方法一、常用表面分析技术AES俄歇电子谱SEM扫描电子显微镜EELS电子能量损失谱EXAFS扩展X射线吸收精细结构IMMA离子微探针质量分析器LEED低能电子衍射RHEED反射高能电子衍射STM扫描隧道显微镜XPSX射线光电子谱二、表面分析分类1、根据测量物理基础分类a、以电学、光学技术为基础2、表面电子谱优点：a)电子容易产生而且价廉AEAPSEPMAESCAHREELSIRRASMEEDSIMSUPS俄歇电子出现电势谱电子探针微区分析化学分析电子谱高分辨电子能量损失谱红外反射吸收谱中能电子衍射二次离子质谱紫外光电子谱b)电子的荷质比很大，很容易被聚束或偏转c)电子有合适的非弹性
10、散射平均自由程d)电子和原子、分子、离子不同，它在使用过程中不会影响系统的真空度，不会存在“记忆”效应e)电子能有效地加以检测缺点：a)电子对样品不是完全无损的b)电子谱探测的深度依赖于电子的能量和材料的特性c)电子携带的信息一般来自近表面约1nm的深度，所以电子谱包含有某些体内的性质d)电子不像光束那么容易做到“偏振化”和单色化，并且容易受外界磁场的影响。LEED）AES）a)b)c)d)分析深度LEEDEELSISS材料界面结构)材料学科的发展，人们获得具有较大比表面积的纳米材料，是表面研究工作进入一个巅峰状态。由于纳米材料的尺寸效应、大的比表面积，表面原子严重失配，处于高度的活化状态，与
11、聚合物之间有强的界面作用，从而可增强增韧聚合物。容敏智等5研究了聚苯乙烯辐射接枝纳米SiO2粒子增强PP体系，从复合材料的界面效应等角度研究纳米粒子与聚合物之间发生的协同作用，并对复合材料的力学行为进行了分析解释。在有机微粒子增强复合材料中的应用近些年来，随着表界面化学学科的发展，研究学者们将其应用到一种特殊行业即军工行业。含能固体填料的加入，使高能发射药在微观结构上表现出固体填料粒子呈分散相分布，黏结剂呈连续相分布，从而形成一种非均相聚合物体系。如此，可使高能发射药力学性能降低，应用受到一定限制。从微观结构研究发射药黏结剂与固体填料界面间的相互作用将成为表征发射药宏观力学性能的理论基础和有效
12、手段。因此，可以以界面分析结果为指南，建立与宏观力学性能的定量关系，为提出合理的键合机理，指导键合剂和包覆技术的开展提供理论基础。蔚红建等人采用动态接触角和界面张力仪，研究了星型GAP与固体填料AP、RDX和HMX之间的表界面性能，为提高GAP推进剂的力学性能提供了一定参考6。王晗等人7采用动态接触角和界面张力仪研究了氮含量不同的硝化棉(NC)与不同粒度的高氯酸铵(AP)表面性能以及NC与填料之间的界面性能，研究了界面性能对含AP和铝粉(Al)改性双基推进剂(AP/Al/CMDB)力学性能的影响。国防科技大学的工作人员采用扫描电镜观察和测试探测液在填料AP、黏合剂基体上接触角的方法，并通过计算
13、填料与基体的粘附功和界面张力，研究了HTPB推进剂填料与基体界面的黏结性能。4材料表界面现代分析方法表界面观察利用透射电镜、扫面电镜等手段对材料表面或复合材料断裂面进行观察，获得材料的宏观特征。肖忠良教授课题组8曾通过扫描电镜对变燃速火药层间界面微观黏结情况进行观察，通过与宏观力学性能测试结果对比，得出两层间界面结合良好，此研究只是定性研究微观结构，没有将微观与宏观建立起定量关系。在复合材料界面中的应用XPS方法即利用一定能量的光子照射材料样品，电子就可以从原子的某能级发射出来，根据这些光电子的结合能或动能及其变化，就能断定元素构成及元素周围化学环境的变化情况。Johansson等人9曾用此方
14、法对包覆的TiO2粉末的表面结构和包覆情况进行表征。MikaelEpstein10用此技术对PET、LLDPE等纤维在表面处理前后的表面结构变化，来说明纤维与高分子基底材料的黏合强度。5结语材料的表面和界面的好坏是直接影响材料性能的关键因素之一，进而影响其在生产实践中的应用。尤其是具有优良性能的复合材料，当材料受到外力作用时，除增强材料和基体受力外，界面亦起着极其重要的作用。复合材料的强度、刚性和韧性是代表物理机械性能的重要指标，对复合材料进行界面改性使两相界面具有合适的黏附力，形成一个相互作用匹配且能顺利传递应力的中间模量层，以提高聚合物基复合材料的力学性能一直是高分子材料科学的重要研究领域。随着各种新型材料的研制，表界面化学知识的应用范围将不断推广。参考文献1陈邦林，化学世界,1984,5,1901912甄开吉.表面化学D.吉林：吉林大学出版社.1995.3黄玉东.聚合物基复合材料界面研究现状与发展趋势Z.复合材料技术发展的研讨会,南京,XX.4欧玉春，方晓萍聚丙烯混杂复合体系的界面和力学性能J高分子学报，1997，(2)：31-375容敏智，章明秋纳米SiO：增韧增强聚丙烯的界面效应与逾渗行为J复合材料学报，XX，(2)：1-46蔚红建，付小龙，邓重清等.星型GAP与固体推进剂填料的表界面性能J.固体火箭技术,XX,34(2)：211-21
