复合材料的界面状态解析了解界面的分类掌握复ppt课件

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1、3 3 复合复合资资料的界面形状解析料的界面形状解析1 1、了解界面的分、了解界面的分类类；2 2、掌握复合、掌握复合资资料的界面料的界面层层，除了在性能和构造上，除了在性能和构造上不同于相不同于相邻邻两两组组分相外，分相外，还还具有的特点；具有的特点；3 3、掌握复合、掌握复合资资料界面的研料界面的研讨对讨对象；象；4 4、掌握与外表、掌握与外表张张力有关的要素；力有关的要素；5 5、掌握吸附按作用力的分、掌握吸附按作用力的分类类及特点；及特点；6 6、掌握、掌握导导致接触角的滞后效致接触角的滞后效应应的的缘缘由；由；7 7、掌握固体被液体的浸、掌握固体被液体的浸润润性；性；8 8、了解界面

2、的相容性与粘接；、了解界面的相容性与粘接；9 9、了解浸、了解浸润动润动力学；力学；1010、重点掌握加、重点掌握加强强体的外表特性及体的外表特性及对对复合复合资资料界面料界面结结合的影响。合的影响。3 3 复合复合资资料的界面形状解析料的界面形状解析 复合复合资资料性能的主要影响要素包括三个方面：料性能的主要影响要素包括三个方面：1 1、基体和加、基体和加强强体或功能体的性能；体或功能体的性能；2 2、复合、复合资资料的构造和成型技料的构造和成型技术术；3 3、界面、界面结结合形状合形状( (物理的和化学的物理的和化学的) )及由此及由此产产生生的复合效的复合效应应。 这这三个方面都可以成三

3、个方面都可以成为为复合复合资资料的薄弱料的薄弱环节环节；换换言之，复合言之，复合资资料的的性能料的的性能应应是以上三个要素是以上三个要素综综合效果的作用合效果的作用结结果。果。 3.1 界面效界面效应应界面的分界面的分类类： 根根据据物物质质的的聚聚集集态态，可可以以得得到到五五种种类类型型的的界界面面，即即气气-液液 g-l 、气、气-固固 g-s 、液、液-液液 l-l 、液、液-固固 l-s 、固、固-固固 s-s 界面。界面。 通通常常的的研研讨讨中中，习习惯惯于于把把气气-液液 g-l 、气气-固固 g-s 界界面面分分别别称称为为液相外表、固相外表。液相外表、固相外表。留意：留意：

4、 对对于复合于复合资资料来料来说说，界面并非是一个理想的几何面。，界面并非是一个理想的几何面。实验证实验证明：明： 复复合合资资料料中中相相与与相相之之间间的的两两相相交交接接区区是是一一个个具具有有相相当当厚厚度度的的界界面面层层，两两相相的的接接触触会会引引起起多多种种界界面面效效应应，使使界界面面层层的的构造和性能不同于它两构造和性能不同于它两侧临侧临近的构造和性近的构造和性质质。 图3.1 3.1 聚合物复合聚合物复合资料界面表示料界面表示a a含界面物含界面物质； b b不含界面物不含界面物质 复合复合资料的界面料的界面层，除了在性能和构造上不同，除了在性能和构造上不同于相于相邻两两

5、组分相外，分相外，还具有如下特点：具有如下特点：(1)具有一定的厚度；具有一定的厚度；(2)性能在厚度方向上有一定的梯度性能在厚度方向上有一定的梯度变化；化；(3)随随环境条件境条件变化而改化而改动 。 界面界面层的存在，的存在，导致界面效致界面效应的的发生。林毅把复合生。林毅把复合资料的界面效料的界面效应归结四四类：(1)分割效分割效应：一个延：一个延续体被分割成体被分割成许多区域，分析尺寸多区域，分析尺寸大小、中断大小、中断强度、分散情况等度、分散情况等对基体的力学性能的影响；基体的力学性能的影响；(2)不延不延续效效应：在界面上引起的物理性：在界面上引起的物理性质的不延的不延续性和性和界

6、面摩擦出界面摩擦出现的景象，如的景象，如电阻、介阻、介电特性、磁性、耐特性、磁性、耐热性、性、尺寸尺寸稳定性等；定性等；(3)散射和吸收效散射和吸收效应：光波、声波、：光波、声波、热弹性波、冲性波、冲击波等波等界面界面产生的散射和吸收，如生的散射和吸收，如 透光性、隔透光性、隔热性、隔音性、耐性、隔音性、耐冲冲击性及耐性及耐热冲冲击性等；性等；(4)感感应效效应：在界面上：在界面上产生的感生的感应效效应，特，特别是是应变、内内应力和由此出力和由此出现的景象的景象高的高的弹性、低的性、低的热膨膨胀性、耐性、耐冲冲击性和耐性和耐热性等。性等。 32 复合资料界面的研讨对象复合资料界面的研讨对象外表

7、处置物质外表处置物质加强体加强体基体基体外表处置物质层外表处置物质层加强体加强体外表处置物质层外表处置物质层加强体加强体基体基体加强体加强体外表处置技术外表处置技术基体基体复合技术复合技术IFF F 外表外表F/I F/I 界面界面I I 外表外表I I 构造构造F/I F/I 界面界面I/M I/M 界面界面F/M F/M 界面界面M M复合复合资料界面的研料界面的研讨对象：象：1加加强体外表有关的体外表有关的问题： 、加、加强体外表的化学、物理构造与性能；体外表的化学、物理构造与性能； 、加加强体体与与外外表表处置置物物质界界面面层的的构构造造与与性性质及及对加加强体外表特性的影响；体外表

8、特性的影响； 、加加强体体外外表表特特性性与与基基体体之之间的的相相互互关关系系及及两两者者间的的相相互作用加互作用加强体未体未处置置时； 、加、加强体与外表体与外表处置物置物质的界面作用；的界面作用； 、加、加强体外表特性与复合体外表特性与复合资料特性的相互关系。料特性的相互关系。2外表外表处置物置物质的有关的有关问题： 、最外、最外层的化学、物理构造及内的化学、物理构造及内层的化学、物理构造；的化学、物理构造； 、外表、外表处置物置物质与基体之与基体之间的相互作用；的相互作用； 、外表、外表处置物置物质对基体的影响；基体的影响； 、处置条件及置条件及处置置剂层的特性；的特性； 、处置置剂层

9、随随时间的的变化；化； 、处置置剂层与复合与复合资料性能的相互关系。料性能的相互关系。3外表外表处置的最置的最优化技化技术。4粉体粉体资料在基体中的分散：料在基体中的分散： 、分散形状的、分散形状的评价；价； 、分散技、分散技术及机理；及机理； 、分散形状与复合、分散形状与复合资料性能。料性能。5复合技复合技术的的优化及其机理。化及其机理。图图3.3 3.3 资料粘接的破坏方式资料粘接的破坏方式作业：作业：6、复复合合资资料料的的界界面面层层，除除了了在在性性能能和和构构造造上上不不同同于于相相邻邻两组分相外，还具有哪些特点；两组分相外，还具有哪些特点；7、简述复合资料界面的研讨对象；、简述复

10、合资料界面的研讨对象；8、简述与外表张力有关的要素。、简述与外表张力有关的要素。9、吸附按作用力的性质可分为哪几类？各有什么特点？、吸附按作用力的性质可分为哪几类？各有什么特点？10、利用接触角的知识，讨论固体被液体的浸润性。、利用接触角的知识，讨论固体被液体的浸润性。11、界面的相容性指什么？如何确定？、界面的相容性指什么？如何确定？3.3 外表及界面化学根底外表及界面化学根底3.3.1 外表外表张张力、外表自在能及比外表能力、外表自在能及比外表能 物物质质外外表表具具有有的的性性质质是是由由于于外外表表分分子子所所处处形形状状与与相相内内分子所分子所处处形状不同所引起的。形状不同所引起的。

11、 物物质质外表外表张张力可以表达力可以表达为为两种方式：两种方式：(3.1)(3.2)l为长为长度，度，x为为位移，位移，A为为面面积积，W为为所做的功；所做的功；即即为为物物质质的外表的外表张张力。力。 式式3.1中中，可可以以了了解解为表表征征表表层分分子子作作用用于于单位位长度上的收度上的收缩力，力，单位是牛位是牛顿每厘米；每厘米； 而而式式3.2中中， 可可以以了了解解为物物质单位位面面积上上的的能能量量，即即发生生单位位面面积变化化时，外外力力所所需需做做的的功功，其其单位位可可以是焦耳每平方厘米，又称以是焦耳每平方厘米，又称为物物质的外表能。的外表能。 界界面面上上单位位长度度的的

12、力力和和单位位外外表表积的的能能量量在在数数学学上上是相等的。是相等的。 (3.1)(3.2) 设在在恒恒温温、恒恒压、恒恒组成成条条件件下下，由由于于外外表表变化化，环境境对体系所做功体系所做功为W，那么体系外表自在能添加，那么体系外表自在能添加值G相相应为： 比外表比外表积 外表外表积/体体积比外表比外表积它表示物它表示物质的粉碎程度。的粉碎程度。设物物质的面的面积添加添加为A，由式，由式3.3，那么有：，那么有：这样，定，定义物物质单位外表位外表积的自在能的自在能为比外表自在能。比外表自在能。3.43.5(3.3) 外外表表张力力是是物物质的的一一种种特特性性，它它是是物物质内内部部分分

13、子子之之间相相互互作作用用的的一一种种表表现。有有关关外外表表张力力或或界界面面张力力，需需求求明明确确以以下三个下三个问题： (1)外表外表张力与物力与物质构造、性构造、性质有关。有关。 不不同同物物质性性质、构构造造的的分分子子间相相互互作作用用力力不不同同，分分子子间作作用用力力愈愈大大，相相应外外表表张力力也也愈愈大大。通通常常：金金属属键物物质(金金、银等等)离离子子键物物质(氧氧化化物物熔熔体体、熔熔盐)极极性性分分子子物物质(水水等等)弱极性物弱极性物质(丙丙酮等等)非极性物非极性物质(液液H2、液、液Cl2等等)。 (2)物物质的外表的外表张力与它相接触的另一相物力与它相接触的

14、另一相物质有关。有关。 当当与与不不同同性性质的的物物质接接触触时，外外表表层分分子子遭遭到到的的力力场不不同，致使外表同，致使外表张力不同。力不同。 (3)外外表表张力力随随温温度度不不同同而而不不同同，普普通通温温度度升升高高，外外表表张力下降。力下降。 这是是由由于于温温度度提提高高，物物质体体积膨膨胀，即即分分子子间距距增增大大，使分子使分子间作用力作用力变小。小。 恒恒温温、恒恒压条条件件下下，任任何何物物质都都有有自自动向向自自在在能能减减小小的方向挪的方向挪动的的趋势，因此，外表能也有自，因此，外表能也有自动减小的减小的趋势。降低外表能的措施：降低外表能的措施：1、经过自自动收收

15、缩外表外表积实现；2、经过降低比外表能来降低比外表能来实现。 332 外表吸附作用外表吸附作用吸附：吸附： 是是一一种种物物质质的的原原子子或或分分子子附附着着在在另另一一物物质质外外表表上上的的景景象象，或者或者说说，物，物质质在相的界面上，在相的界面上，浓浓度度发发生自生自动变动变化的景象。化的景象。 固体吸附的固体吸附的缘缘由：由： 由由于于固固体体外外表表质质点点处处于于力力场场不不平平衡衡的的形形状状，即即具具有有外外表表能能，这这一一不不平平衡衡的的力力场场为为了了趋趋于于平平衡衡态态，可可以以吸吸附附别别的的物物质质而而得得到到补补偿偿，以以降降低低外外表表能能(外外表表自自在在

16、能能)，所所以以固固体体外外表表自自动动地地吸附那些可以降低其外表自在能的物吸附那些可以降低其外表自在能的物质质。 吸附吸附过过程是放程是放热热反响，解吸反响，解吸过过程是吸程是吸热热的。的。 吸附按作用力的性吸附按作用力的性质质，分，分为为物理吸附和化学吸附。物理吸附和化学吸附。3.3.2.1 物理吸附物理吸附 当固体外表的原子的原子价被相当固体外表的原子的原子价被相邻邻的原子所的原子所饱饱和，和，外表分子与吸附物之外表分子与吸附物之间间的作用力是分子的作用力是分子间间引力引力 范德范德华华力力 。特点：特点： 1 、无、无选择选择性，吸附量相差性，吸附量相差较较大；大； 2 、吸附可呈、吸

17、附可呈单单分子分子层层或多分子或多分子层层； 3 、物理吸附、解吸速度、物理吸附、解吸速度较较快，易平衡。快，易平衡。 普通在低温下普通在低温下进进展的吸附是物理吸附。展的吸附是物理吸附。3.3.2.2 化学吸附化学吸附 当固体外表的原子的原子价被相当固体外表的原子的原子价被相邻邻的原子所的原子所饱饱和，和，还还有剩余的成有剩余的成键键才干，在吸附才干，在吸附剂剂及吸附物之及吸附物之间还间还有有电电子子转转移生成化学移生成化学键键的吸附。的吸附。特点：特点： 1 、有、有选择选择性；性； 2 、只能、只能单单分子吸附，且不易吸附或解吸；分子吸附，且不易吸附或解吸； 3 、平衡慢。、平衡慢。1、

18、无选择性，吸附量相差较大；、无选择性，吸附量相差较大；2、吸附可呈单分子层或多分子层；、吸附可呈单分子层或多分子层；3、物理吸附、解吸速度较快，易平衡。、物理吸附、解吸速度较快，易平衡。3.3.3 粘附功及浸润景象3.3.3.1 粘附功与内聚功 将AB界面1cm2分别为A、B两个面时所需的功称为粘附功。表示为：图3.4 粘附功与内聚功对于于单一物一物质，相，相应的即的即为内聚功内聚功WAA可表示可表示为：式中式中WABWAB为A A，B B两外表的粘附功，两外表的粘附功，分分别为外表外表张力及力及ABAB的界面的界面张力。力。 3.3.3.2 接触角接触角浸浸润润功：在浸功：在浸润过润过程中所

19、程中所释释放的能量。放的能量。 设设液滴液滴发发生微小位移生微小位移时时，使覆盖固体的面，使覆盖固体的面积积改改动动了了 A，如，如图图，伴随的外表自在能，伴随的外表自在能变变化化 G是：是：或或3.12平衡平衡时于是于是在在这类吸附浸吸附浸润中，中，处于平衡于平衡态时的浸的浸润功功W为：为固固液界面的粘附功，液界面的粘附功，代入式代入式(310)，即可得到，即可得到(3.10)图3.5 3.5 液滴在固体外表形状液滴在固体外表形状式式(310)称称为Young公式，而式公式，而式(3.12)称称为Dupre公式。公式。 角角称称为液液相相与与固固相相之之间的的接接触触角角，其其确确切切定定义

20、为在在气气、液液、固三相交界固三相交界处的气的气-液界面与固液界面与固液界面之液界面之间的的夹角。角。由由Dupre式可知，式可知，当当0时，界面的粘附功最大：，界面的粘附功最大： 由此可知，接触角可以衡量液体由此可知，接触角可以衡量液体对固体的浸固体的浸润效果。效果。由由Young式，可以得到：式，可以得到：当当180时：由此可知：由此可知： (1)当当svsl, cos90,此此时固体不固体不为液体浸液体浸润； (2)当当lv(sv-sl)0，那么，那么1cos0，即，即090，此，此时固体固体为液体所浸液体所浸润； (3)假假设sv-sl lv，那么，那么cos1，0，此，此时固固体外表

21、可以被液体完全浸体外表可以被液体完全浸润，并，并获得最大粘附功。得最大粘附功。3.3.3.3 不均匀外表的接触角不均匀外表的接触角 当固体外表不均匀时，接触角可以用阅历的方法来确定。当固体外表不均匀时，接触角可以用阅历的方法来确定。 或或对粗糙外表对粗糙外表:对于由各种不同的小片组成的复合外表：对于由各种不同的小片组成的复合外表：图3.6 3.6 在粗糙外表上的液滴在粗糙外表上的液滴边缘3.3.3.4 接触角的滞后接触角的滞后 液液体体对对固固体体外外表表的的浸浸润润随随运运动动形形状状不不同同而而不不同同，可可以以显显示示出出不不同同的的接接触触角角数数值值，如如图图。通通常常称称较较大大的

22、的角角为为前前进进角角a，较较小小的的接接触触角角称称后后退退接接触触角角r，两两者者的的相相差差值值a-r，称，称为为接触角的滞后效接触角的滞后效应应。 导导致接触角的滞后效致接触角的滞后效应应的的缘缘由由:1 、污污染；染；2 、固体外表的粗糙度、固体外表的粗糙度 ；3 、外表的化学不均匀性。、外表的化学不均匀性。 3.3.3.4 接触角的滞后接触角的滞后 图图3.73.7水滴在玻璃外表的滴淌水滴在玻璃外表的滴淌图图3.8 3.8 玻璃纤维在液态树脂中的浸润形状玻璃纤维在液态树脂中的浸润形状玻璃外表玻璃外表前进时稳定前进时稳定平衡时平衡时后退时稳定后退时稳定纤维纤维3.3.4 固体外表的固

23、体外表的临临界外表界外表张张力力 Zisman等等发发现现对对于于同同系系的的液液体体，cos(前前进进角角)通通常常是是l的的单调单调函数。函数。提出：提出：式中，式中，a、b、 均均为常数。常数。335浸润的热效应浸润的热效应 假假设设将将干干净净固固体体外外表表浸浸入入液液体体，通通常常有有热热释释出出，即即所所谓谓浸润热浸润热q浸润，可表示为：浸润，可表示为：式中，式中，Es为固体外表能，为固体外表能，Esl为固为固-液界面能。液界面能。 浸浸润热可可以以用用量量热法法测定定 ， 浸浸润热的的大大小小与与固固体体外外表表的的物物理理化化学学性性能能，即即构构造造、极极性性、不不均均匀匀

24、性性以以及及外外表表与与浸浸渍液液间的相互作用而构成的各种界面景象有关。的相互作用而构成的各种界面景象有关。需求留意的是：需求留意的是：复复合合资料料中中，作作为细微微的的粉粉状状粒粒子子(0.1mm以以下下)的的浸浸润热未必与未必与块状固体一状固体一样；浸浸润热是以不向固体中浸透、分散和溶解是以不向固体中浸透、分散和溶解为前提。前提。 通常浸通常浸润热很小，很小，约为几百几百尔格厘米格厘米23.3.6 界面的相容性与粘接界面的相容性与粘接 在在复复合合资资料料界界面面上上发发生生两两种种资资料料分分散散混混合合时时，相相容容性性成成为为粘接界面的一个重要要素。粘接界面的一个重要要素。 通通常

25、常，相相容容性性是是根根据据在在混混合合时时的的吉吉布布斯斯(Gibbs)的的自自在能在能变变化化 G来确定。来确定。 即即 G0, 就相容；就相容； G0, 就不相容，即不混合。就不相容，即不混合。 而而 G用混合用混合熵熵 S和混合和混合热热 H来表达，此来表达，此时时有：有： 溶解度参数溶解度参数：定：定义为内聚能密度内聚能密度CED的平方根。的平方根。内内聚聚能能密密度度CED：从从液液体体或或固固体体且且设体体积变化化可可忽忽略略物物质的一个分子移到离周的一个分子移到离周围分子很分子很远的地方所需的能量。的地方所需的能量。 CED111 12； CED222 22当当12那么有：那么

26、有：3.4 3.4 浸浸润动润动力学力学 固固液液两两种种资资料料接接触触并并浸浸润润的的过过程程，除除了了由由热热力力学学要要素素决决议议外外，还还必必需需思思索索粘粘接接速速度度这这要要素素。在在粘粘接接或或复复合合资资料制料制备过备过程中主要是流程中主要是流动动和硬化和硬化这这一一过过程。程。3 34 41 1 浸浸润润的速度的速度过过程程 当当粘粘结结剂剂涂涂布布于于凹凹凸凸不不平平的的被被粘粘物物时时，为为了了布布满满其其外表，必需求流外表，必需求流动动才干才干实现实现。 设设r r为为被被粘粘物物被被浸浸透透的的毛毛细细管管半半径径、V V为为液液态态粘粘结结剂剂的的粘粘度度、X

27、X为为液液体体在在时时间间内内沿沿毛毛细细管管前前进进的的间间隔隔，当当施施加加压压力尸力尸较较大大时时，那么可由，那么可由PoiseuillePoiseuille式表示：式表示： 当当液液体体自自然然浸浸透透或或压力力很很小小时，可可以以为P=0P=0，此此时那那么么有有RidealWashburnRidealWashburn式表示：式表示：浸润功为：浸润功为：当，当， 即发生毛细浸润。即发生毛细浸润。 Young公式及上式可得：公式及上式可得：故毛细浸润时，速度的浸润张力表达式也可以为：故毛细浸润时，速度的浸润张力表达式也可以为： 写成速度表达式那么为：写成速度表达式那么为： 或或 3 3

28、4 42 2 界面特性界面特性对对复合粘复合粘结结体系性能的影响体系性能的影响 在在复复合合资资料料成成型型时时，粘粘结结剂剂体体系系中中参参与与辅辅助助资资料料组组成成复合粘复合粘结结体系或将加体系或将加强强体外表体外表处处置的情况是很多的。置的情况是很多的。 这这里里重重点点引引见见一一下下加加强强体体( (或或填填料料) )经经偶偶联联剂剂处处置置后后的的复合体系粘复合体系粘结结特性。特性。 3 34 42 21 1 偶偶联剂处联剂处置置时时偶偶联剂联剂官能官能团团的特性作用的特性作用 偶偶联联剂剂官官能能团团的的特特性性，是是在在粘粘结结剂剂复复合合固固化化过过程程中中，可以引起体系固

29、化速度的改可以引起体系固化速度的改动动。 同同一一官官能能团团对对不不同同固固化化体体系系的的固固化化速速度度的的改改动动是是不不同同的。的。 环氧氧树脂和用硅脂和用硅烷处置置过的的SiO2SiO2组成的复合物的放成的复合物的放热效效应见表表3 31 1。 硅烷的有机官能团硅烷的有机官能团固化固化剂ZT()氨乙基氨乙基哌嗪固化固化剂T()未处置未处置-22-25胺基胺基-6-30二元胺二元胺-9-13多元胺多元胺-2-31阳离子苯乙烯基阳离子苯乙烯基-6+2环氧基环氧基-6-39表表3 31 1 不同硅烷偶联剂对环氧固化体系热效应的影响不同硅烷偶联剂对环氧固化体系热效应的影响 30g30g树脂

30、中加树脂中加5gSiO25gSiO2，SiO2SiO2用用0.50.5硅烷溶液处置。硅烷溶液处置。 偶偶联剂官能官能团对固化体系固化体系热效效应及内耗峰影响的及内耗峰影响的缘由：由：1、官能、官能团参与反响；参与反响；2、优先吸附引起的景象。先吸附引起的景象。玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维线性结合线性结合网络架结合网络架结合钛酸酸酯偶偶联剂硅硅烷偶偶联剂3.4.2.2 3.4.2.2 偶联剂分子构造及偶联构造的影响偶联剂分子构造及偶联构造的影响 加加强强体体在在用用不不同同偶偶联联剂剂处处置置时时，由由于于分分子子构构造造的的不不同同，会会影影响响到到粘粘结结剂剂对对加加强强体体的的浸浸润润

31、效效果果，也会影响到复合体系的流动特性。也会影响到复合体系的流动特性。 图3.13 3.13 偶偶联剂分分子子构构造造及及偶偶联构构造造对GFGFUPUP体体系系流流变性的影响性的影响 植物植物纤维加加强石膏石膏详细实例：详细实例：玻璃玻璃纤维加加强石膏石膏3.5 加强体外表特性及对复合资料界面结合的影响加强体外表特性及对复合资料界面结合的影响1 、了解加、了解加强强体外表特性的分体外表特性的分类类；2 、掌握加、掌握加强强体外表物理特性及体外表物理特性及对对界面界面结结合的影响；合的影响；3 、掌握加、掌握加强强体外表化学特性及体外表化学特性及对对界面界面结结合的影响；合的影响；4 、掌握玻

32、璃、掌握玻璃纤维纤维的构造及反响性。的构造及反响性。本本节要点要点3.5 加加强强体的外表特性及体的外表特性及对对复合复合资资料界面料界面结结合的影响合的影响 复合复合资料根本性能料根本性能基体基体资料的性能及含量料的性能及含量加加强资料的性能、含量料的性能、含量及分布情况及分布情况界面界面结合情况合情况如何表达？如何表达？加强体的外表特性的分类及作用：加强体的外表特性的分类及作用： 1.1.加加强强体外表的物理特性体外表的物理特性; ;3.3.加加强强体的外表能。体的外表能。 2.2.加加强强体外表的化学特性体外表的化学特性; ;决决议界面粘界面粘结的好坏的好坏决决议界面粘界面粘结的效果的效

33、果判判别加加强体的活性体的活性351 加加强强体外表的物理特性与界面体外表的物理特性与界面结结合合 物理特性物理特性比外表比外表积多孔性多孔性极性极性构造均一性构造均一性结晶特性晶特性3.5.1.1 3.5.1.1 比外表比外表积积 对界面的影响：是导对界面的影响：是导致复合资料中的界面致复合资料中的界面存在并引起界面效应存在并引起界面效应的根本所在。的根本所在。普通以为：加强体的比外普通以为：加强体的比外表越大，与基体结合的物表越大，与基体结合的物理界面大，对粘合强度的理界面大，对粘合强度的奉献大。当然存在浸润的奉献大。当然存在浸润的要素。要素。纤维种类纤维种类密度密度（g/cmg/cm3

34、3）直径直径d d（umum）比表面积比表面积（m m2 2/g/g）玻璃纤维玻璃纤维2.502.5010100.160.16硼纤维硼纤维2.702.70101.6101.60.0150.015碳化硅纤维碳化硅纤维3.503.50101.6101.60.0120.012Thornel 50Thornel 501.631.636.86.80.370.37 3.5.1.2 3.5.1.2 多孔性多孔性主要表达在加强体外表主要表达在加强体外表的孔隙或空隙上。的孔隙或空隙上。对任何加强体：外表对任何加强体：外表总亦多多少少地存在总亦多多少少地存在部分孔隙；且孔隙中部分孔隙；且孔隙中存在有气体；存在有气

35、体；对对界界面面的的影影响响：部部分分孔孔隙隙能能被被基基体体填填充充，部部分分由由于于很很难难完完全全浸浸润润，界界面面结结合合不不好好，成成为为应应力力传送的薄弱环节。传送的薄弱环节。不易与树脂结不易与树脂结合，但易使树合，但易使树脂浸透，能使脂浸透，能使纤维间的空隙纤维间的空隙被树脂填充得被树脂填充得较为密实；较为密实；(a)(b)(c)(d)能与树脂起较好的机能与树脂起较好的机械结协作用，但高粘械结协作用，但高粘度的基体有时很难完度的基体有时很难完全浸润其外表，呵斥全浸润其外表，呵斥很多空隙，成为应力很多空隙，成为应力传送的薄弱环节。传送的薄弱环节。egeg：极性的基体与极性的加：极性

36、的基体与极性的加强强体有体有较较强强的界面的界面结结合，因此合，因此也就有也就有较较强强的界面的界面结结合合强强度及复合度及复合资资料料强强度。度。极性的取决要素：极性的取决要素：加强体的分子构造、物质构造及外场的作用。加强体的分子构造、物质构造及外场的作用。3.5.1.3 3.5.1.3 加强体外表的极性加强体外表的极性分布均匀：界面分布均匀：界面结合均匀、完善；合均匀、完善；分布不均：在界面部分构成缺陷，构成弱界面。分布不均：在界面部分构成缺陷，构成弱界面。 均一性的本均一性的本质：是是指指加加强体体外外表表的的活活性性点点分分布布的的均均一一性性，包括物理活性点及化学活性点。包括物理活性

37、点及化学活性点。3.5.1.4 3.5.1.4 加强体外表的均一性加强体外表的均一性影响界面结合效果影响界面结合效果3.5.1.5 3.5.1.5 加加强强体外表的体外表的结结晶特性晶特性结结晶晶特特性性：包包括括外外表表的的结结晶晶程程度度及及晶晶体体分分布布形形状。状。产产生生影影响响：影影响响复复合合资资料料的的界界面面作作用用和和资资料料性性能。能。图3.14 3.14 高高弹性碳性碳纤维PANPAN基的构造基的构造碳纤维外表晶碳纤维外表晶格陈列平行于格陈列平行于纤维外表纤维外表近似平行于纤近似平行于纤维轴向维轴向Eg:碳碳纤维纤维含含碳碳量量高高的的高高度度交交联联的的聚聚合合物物经

38、经过过固固相相热热裂裂解解制制成成的。的。实实践上是践上是纯纯碳。碳。热裂裂解解时，其其他他元元素素被被排排出，构成石墨晶格构造。出，构成石墨晶格构造。热裂裂解解时，施施加加张力力，碳碳纤维轴向取向。向取向。外外表表晶晶体体越越小小外外表表积积就就越越大大，添添加加与与基基体体的的粘结面。粘结面。3 35 52 2 加强体外表的化学特性与界面结合加强体外表的化学特性与界面结合化学特性化学特性外表化学外表化学组成和构造成和构造外表的反响特性外表的反响特性加加强体是体是否要否要进展展外表外表处置置加加强体与体与基体能否基体能否构成化学构成化学结合合能否易与能否易与环境接触境接触反响而影反响而影响响

39、资料性料性能的能的稳定定重要性重要性3.5.2.1 3.5.2.1 玻璃玻璃纤维纤维的外表化学的外表化学组组成成留意：留意：纤维纤维整体的化学整体的化学组组成与外表的化学成与外表的化学组组成通常成通常不同。不同。 整体含有整体含有Si、O、Al、Ca、Mg、B、F、Na等元素。等元素。外表仅有外表仅有Si、O、Al等如今的等如今的EPS能谱能谱分析几乎可以测出一分析几乎可以测出一切元素。切元素。以以E-E-玻璃玻璃纤维为例：例：2点：Elmt Spect Type. Element % Atomic % O K ED 39.20 58.67 Al K ED 6.73 5.98 Si K ED

40、42.87 30.97 S K ED 0.52 0.39 Ca K ED 8.64 3.08 Ti K ED 0.65 0.33 Fe K ED 1.38 0.59 Total 100.00 100.00 1点：Elmt Spect Type. Element % Atomic %C K ED 10.34 15.39 O K ED 61.00 68.16 Al K ED 14.54 9.63 Si K ED 1.86 1.18 S K ED 1.97 1.10 CaK ED 9.77 4.36 Ti K ED 0.11 0.04 FeK ED 0.41 0.13 Total 100.00 10

41、0.00 三度空间的不三度空间的不规那么延续网规那么延续网络多面体络多面体所构成所构成3.5.2.2 3.5.2.2 玻璃玻璃纤维纤维的构造及反响性的构造及反响性 构造：与构造：与块块状玻璃具有状玻璃具有类类似的构造。似的构造。反响性？反响性？O NaCaSi 1、多多面面体体中中心心：电荷荷多多、半半径径小小的的阳阳离离子子；周周围有有阴阴离离子子，相相互互作作用用。可可以以以以为内内部部这些些作用力是作用力是处于平衡形状；于平衡形状；2、外外表表情情况况：阳阳离离子子在在该处不不能能获得得所所需需求求数数量量的的氧氧离离子子，产生生外外表表张力力，当当处于于力力的的不不平平衡衡形形状状时，

42、就就有有吸吸附附外外界界物物质的的倾向。向。3、研研讨阐明明：非非SiO2成成分分的的存存在在使使玻玻璃璃外外表表形形状状与与性性质突突出地表出地表现为吸湿性。吸湿性。式中式中D代表碱金属代表碱金属吸附水与玻璃吸附水与玻璃纤维中的碱金属或碱土金属反响：中的碱金属或碱土金属反响：碱性碱性SiO2骨架破坏骨架破坏继续与水反响与水反响 由于吸附水的作用，玻由于吸附水的作用，玻纤外表外表带有有SiSiOHOH基基团。 玻玻璃璃纤维成成分分中中含含碱碱量量越越高高，吸吸附附水水对SiO2SiO2骨骨架架的的破破坏坏愈大，愈大，纤维强度下降就越大。度下降就越大。 产生的大量生的大量SiSiOHOH基基团可

43、以构成可以构成氢键结合，构成构造：合，构成构造：总结玻玻纤外表存在的构造：外表存在的构造：SiOHSiOH基基团、相、相邻SiOHSiOH基基团上的上的OHOH基之基之间的的氢键结合合及多及多层吸附水分子。吸附水分子。活性的，纤维外表改活性的，纤维外表改性及改善纤维树脂界性及改善纤维树脂界面粘结的根据面粘结的根据 3.5.3 3.5.3 加加强体外表能体外表能 影响要素：影响要素： 比外表比外表积、多孔性、均一性及、多孔性、均一性及结晶特性等。晶特性等。 普通地，高外表能的加普通地，高外表能的加强体与基体构成体与基体构成较强的界面的界面结合。合。 CED CED：树脂基体的内聚能密度；脂基体的

44、内聚能密度； a a：粉状填料的比外表能。：粉状填料的比外表能。 CEDa CEDa为非活性填料；非活性填料； CED CEDaa为活性填料。活性填料。 0 5 10 15 20 25 30Al2O3体积含量体积含量 杨氏氏模模量量GPa 3.83.32.82.3 1.8 1.3 偶偶联剂处置置 未未处置置Al2O3颗粒粒100 m Al2O3颗粒粒0.4m图图3.15 PP3.15 PPAl2O3Al2O3杨氏模量与杨氏模量与Al2O3Al2O3细度、体积分数关系细度、体积分数关系阐明：明：1、Al2O3在在某某一一细度度范范围内内，偶偶联剂处置置外外表表有有利利于于体系性能提高；体系性能提

45、高；2、超超越越一一定定细度度后后，那那么么相反。相反。3.5.2.2 碳碳纤纤维维及及其其他他纤纤维维外外表表的的化化学学组组成成、构构造造及及反响性反响性 石墨石墨纤维纤维整体整体组组成成为为C、O、N、H及金属及金属杂质杂质等，而其外表的化学等，而其外表的化学组组成成为为C、H、O等。等。 硼硼纤维纤维外表有氧化硼；外表有氧化硼； 碳化硅碳化硅纤维纤维外表有氧化硅。外表有氧化硅。 碳碳纤维外表根本上是惰性的，特外表根本上是惰性的，特别是高模量碳是高模量碳纤维。共同点：共同点：都含都含O 碳纤维外表氧的存在方式碳纤维外表氧的存在方式:低浓度的羟基、羰基、羧基、内酯基低浓度的羟基、羰基、羧基

46、、内酯基能与能与树脂基体中反响的基脂基体中反响的基团：环氧基、氨基氧基、氨基碳碳纤维的外表改性：的外表改性：a a、添加比外表、添加比外表积；b b、添加其外表的含氧基、添加其外表的含氧基团60%HNO3(氧化时间)表面反应性(COOH mol/g)短梁剪切强度(MPa)0.06630.982.0438.643.0042.023.6044.855.9048.30 表3.3 碳纤维外表反响性与环氧复合资料剪切强度的关系12、偶联剂官能团对固化体系热效应及内耗峰影响的缘由？、偶联剂官能团对固化体系热效应及内耗峰影响的缘由？13、简述加强体外表的物理特性对界面结合性能的影响。、简述加强体外表的物理特性对界面结合性能的影响。14、为什么玻璃纤维外表经常吸附一层水分子？、为什么玻璃纤维外表经常吸附一层水分子？