《聚合物基复合材料 教学课件 ppt 作者 顾书英 任杰 编著第二篇 第四章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《聚合物基复合材料 教学课件 ppt 作者 顾书英 任杰 编著第二篇 第四章（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 复合材料的界面 复合材料的界面结构 图2.4.1 界面区域示意图 1外力场 2树脂基体 3基体表面区 4相互渗透区 5增强剂表面区 6增强剂 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。 (1) 传递效应 界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和 增强物之间的桥梁作用。 （2）阻断效应 结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、 减缓应力集中的作用。 (3) 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、尺寸稳定性等。 （4）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
2、、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲 击性等。 (5) 诱导效应 一种物质(通常是增强物)的表面结构使另一种(通常是 聚合物基体)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，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。 复合材料界面的形成 浸润和接触浸润和接触：增强材料与高聚物间界面的形成首先要 求增强材料与基体之间能够浸润和接触，这是界面形 成的第一阶段 。 界面的固定界面的固定：增强材料与基体材料之间界面形成的第 二阶段就是增强材料要与基体材料间通过相互作用而 使界面固定下来，形成固定的界面层。 浸润和接触浸润和接触 表面张力或界面张力可定义为增加单位表面积所需 的功，
3、或增加单位表面积时表面能的增量，其单位 为10-3J/m2或10-3N/m。 ? 如果我们把不同性质的液滴放在不同的固体表面 上，有的液滴就聚积成球形，有的液滴会铺展开来 遮盖固体的表面。后一现象我们称为 如果我们把不同性质的液滴放在不同的固体表面 上，有的液滴就聚积成球形，有的液滴会铺展开来 遮盖固体的表面。后一现象我们称为“浸润浸润”或或“润 湿 润 湿”。反之，如果不铺展而是球状的则称为是。反之，如果不铺展而是球状的则称为是“不浸 润 不浸 润”或或“润湿不好润湿不好”。 ? “浸润浸润”或不浸润取决于液体对固体和液体自身的吸 引力大小，当液体对固体的吸引力大于液体自身的 吸引力时，就会
4、产生浸润现象。 或不浸润取决于液体对固体和液体自身的吸 引力大小，当液体对固体的吸引力大于液体自身的 吸引力时，就会产生浸润现象。 浸润和接触浸润和接触 图2.4.2 气、液、固表面张力的平衡状态图2.4.2 气、液、固表面张力的平衡状态 cos SVSLLV =+cos SVSL LV = SV为固体表面在液体饱和蒸气压下的表面张力； LV为液体在它自身饱和蒸气压下的表面张力； SL为固液间的表面张力； 就是气液固达到平衡时的接触角 浸润和接触浸润和接触 (1)若SV90， 此时液体不能润湿固体。特别当 =180时，表示完全不润湿，液滴 此时呈球状； (2) 若LVSV-SL0，则1cos0
5、， 0LV，则式（2-4-3）在这里 已不适用了。 cos SVSL LV = 界面层的作用机理 ? 化学键理论化学键理论 ? 弱边界层理论弱边界层理论 ? 物理(浸润)吸附理论物理(浸润)吸附理论 ? 机械粘结理论机械粘结理论 填充、增强材料的表面处理 ?粉状填料的表面处理粉状填料的表面处理 ?玻璃纤维的表面处理玻璃纤维的表面处理 ?碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理 玻璃纤维的表面处理玻璃纤维的表面处理 首先为硅烷偶联剂水解： 首先为硅烷偶联剂水解： SiX R X X SiHO R OH OH + 3HX H2O 硅醇之间进行缩合反应，形成低聚体 硅醇之间进行缩合反应，形成低聚体： SiH
6、O R O OH H O H Si R OH O H O H Si R OH OH -H2O HOSiOSi R OH O R OH Si R OH OH 玻璃纤维的表面处理玻璃纤维的表面处理 吸水玻璃纤维的表面与硅醇之间形成氢键 吸水玻璃纤维的表面与硅醇之间形成氢键 HOSiOSi R O O R O Si R O OH H O HH O HH O H 最后干燥脱水，玻璃纤维表面与硅醇之间形成共 价键。 最后干燥脱水，玻璃纤维表面与硅醇之间形成共 价键。 这样，硅烷偶联剂就跟玻璃纤维的表面结合起来了。 硅烷当中的 这样，硅烷偶联剂就跟玻璃纤维的表面结合起来了。 硅烷当中的R基团可以与跟基体树
7、脂反应，使得玻璃 纤维的表面具有了亲高聚物的性质。 基团可以与跟基体树脂反应，使得玻璃 纤维的表面具有了亲高聚物的性质。 玻璃纤维的表面处理玻璃纤维的表面处理 除了硅烷偶联剂之外，玻璃纤维常用的另一大类偶联剂为有机络合物，是玻璃纤 维最早使用的偶联剂。它们是有机酸与氯化铬的络合物。目前应用得较多的是甲 基丙烯酸氯化铬盐，也叫做“沃兰”(Volan)，它与高聚物和玻璃纤维的反应是按照 如下式反应式进行的。 O Cr OH Cr O C CCH3 H2C Cl2CO2 水解 H2O O Cr OH Cr O C CCH3 H2C OH OH HO HO C O Cr OH Cr O CCH3 H2
8、C C O Cr OH Cr O CCH3 H2C -H2O OOO OOOO 碳纤维的表面处理 1.氧化法 2.沉积法 3.电沉积与电聚合法 4.等离子体处理法 1.氧化法 2.沉积法 3.电沉积与电聚合法 4.等离子体处理法 Kevlar纤维的表面处理 与碳纤维相比，适于Kevlar纤维表面处理的方法不多， 目前主要是基于化学键理论，通过有机化学反应和等离 子体处理，在纤维表面引进或产生活性基团，从而改善 纤维与基体之间的界面粘结性能。前者常常因使用强 酸、强碱等试剂，容易给纤维力学性能带来不良影响。 尽管等离子体处理纤维表面的机理尚不十分清楚，但就 效果而言，既不明显损害纤维性能，又能较有效地改进 纤维与基体的界面状况，所以应用较多。 超高分子量聚乙烯纤维的表面处理 ? 超高分子量聚乙烯纤维是继碳纤维、Kevlar纤维之 后又一种力学性能优异的高强、高模纤维。 ? 由于聚乙烯大分子中只含有C和H两种元素，无任何 极性基因，所以这种纤维很难与基体形成良好的界 面结合，影响了复合材料的整体力学性能。 ? 目前，较常用的改性方法为等离子体处理。 复合材料界面分析技术 红外光谱研究：衰减全反射吸收光谱 ATR 电子显微镜法 ：SEM、TEM X射线光电子能谱 ：XPS 红外光谱研究：衰减全反射吸收光谱 ATR 电子显微镜法 ：SEM、TEM X射线光电子能谱 ：XPS
