聚合物基復(fù)合材料界面課件.ppt

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1、聚合物基復(fù)合材料是由纖維和基體結(jié)合為一個(gè)整體，使復(fù)合材料具備了原組成材料所沒有的性能，并且由于界面的存在，纖維和基體所發(fā)揮的作用，是各自獨(dú)立而又相互依存的。界面是復(fù)合材料組成的重要組成部分，它的結(jié)構(gòu)與性能，以及粘合強(qiáng)度等因素，直接關(guān)系到復(fù)合材料的性能。所以，復(fù)合材料界面問題的研究有著十分重要的意義。界面研究的意義：1主要內(nèi)容4.1界面的基本概念4.2界面的形成與作用機(jī)理4.3界面的破壞機(jī)理4.4纖維的表面處理2了解界面結(jié)構(gòu)對材料整體性能的影響，必須先表征界面相的化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)，厚度和形貌，粘接強(qiáng)度和殘余應(yīng)力等，從而可以尋找它們與復(fù)合材料性能之間的關(guān)系。3什么是

2、復(fù)合材料的界面？4.1界面的基本概念4許多復(fù)合材料的纖維與基體的粘接性差，為了改善兩者的粘結(jié)性，在兩相的界面上加入一些改性劑，如偶聯(lián)劑等，這樣在纖維、基體之間的界面上，形成一種新的界面，該界面層的結(jié)構(gòu)與性能已不同于原來的兩相界面。5我們所說的界面，并非是一個(gè)沒有厚度的理想幾何面。實(shí)驗(yàn)已證明，兩相交接的區(qū)域是一個(gè)具有相當(dāng)厚度的界面層,即中間相。PMC界面區(qū)域(interfacezoneofPMC)示意圖1-外力場；2-樹脂基體；3-基體表面區(qū)；4-相互滲透區(qū)；5-增強(qiáng)劑表面區(qū)；6-增強(qiáng)劑6復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)：i)非單分子層，其組成、結(jié)構(gòu)形態(tài)、形貌十分復(fù)雜

3、、形式多樣界面區(qū)至少包括：基體表面層、增強(qiáng)體表面層、基體/增強(qiáng)體界面層三個(gè)部分。ii)具有一定厚度的界面相（層），其組成、結(jié)構(gòu)、性能隨厚度方向變化而變化。iii)界面的比表面積或界面相的體積分?jǐn)?shù)很大（尤其是納米復(fù)合材料）界面效應(yīng)顯著：復(fù)合材料復(fù)合效應(yīng)產(chǎn)生的根源。iv)界面缺陷形式多樣（包括殘余應(yīng)力）對復(fù)合材料性能影響十分敏感。7界面效應(yīng)：①物理效應(yīng)，引起各組分之間互相浸潤、擴(kuò)散、相容性、界面自由能結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互穿的變化；②化學(xué)效應(yīng)：導(dǎo)致界面上的化學(xué)反應(yīng)，形成新的界面層結(jié)構(gòu)；③力學(xué)效應(yīng)：引起界面上的應(yīng)力分布。8界面在復(fù)合材料中的作用是不可忽視的。因此，界面規(guī)律的研究

4、是復(fù)合材料的基礎(chǔ)理論之一。94.2界面的形成與作用機(jī)理4.2.1界面的形成復(fù)合材料體系對界面要求各不相同，它們的成型加工方法與工藝差別很大，各有特點(diǎn)，使復(fù)合材料界面形成過程十分復(fù)雜，理論上可分為兩個(gè)階段。（接觸—吸附與浸潤—交互擴(kuò)散—化學(xué)結(jié)合或物理結(jié)合）——固化?；瘜W(xué)結(jié)合可看作是一種特殊的浸潤過程10在復(fù)合材料的制備過程中，要求組分間能牢固地結(jié)合，并有足夠的強(qiáng)度。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必須要使材料在界面上形成能量最低結(jié)合，通常都存在一個(gè)液體對固體的相互浸潤。第一階段：增強(qiáng)體與基體在一組份為液態(tài)（或粘流態(tài)）時(shí)的接觸與浸潤過程。（界面形成與發(fā)展的關(guān)鍵階段）11所謂浸潤，即

5、是把不同的液滴放到不同的固體表面上，有時(shí)液滴會(huì)立即鋪展開來，遮蓋固體的表面，這一現(xiàn)象稱為“浸潤”。有時(shí)液滴仍團(tuán)聚成球狀，這一現(xiàn)象稱為“不浸潤”或“浸潤不好”。液體對固體的浸潤能力，可以用浸潤角θ來表示當(dāng)θ≤90°時(shí)，稱為浸潤；當(dāng)θ≥90°時(shí)，稱為不浸潤；當(dāng)θ=0°及180°時(shí)，則分別為完全浸潤和完全不浸潤。121805年Young提出平衡接觸角θ與固氣、固液和液氣界面自由能有下述關(guān)系：σSA=γSL+σLAcosθ（4-1）討論：①若σSA<γSL,則cosθ<0,θ>90°,液體不能浸潤固體。當(dāng)θ＝180°時(shí)，表面完全不浸潤，液體呈球狀；②若σLA>σSA-

6、γSL時(shí)，則1>cosθ>0,θ<90°,液體能浸潤固體；③若σLA＝σSA-γSL時(shí)，則cosθ＝1,θ＝0°，這時(shí)液體完全浸潤固體；④若σLA<σSA-γSL時(shí),則液體在固體表面完全浸潤（θ＝0°）時(shí)仍未達(dá)到平衡而鋪展開來。13從式（4－1）可知，改變研究體系的表面張力σ，就能改變接觸角θ，即改變系統(tǒng)的潤濕情況。固體表面的潤濕性能與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，改變固體的表面狀態(tài)，即改變其表面張力，就可以達(dá)到改變潤濕情況的目的，如對增強(qiáng)纖維進(jìn)行表面處理，就可改變纖維與基體材料間的潤濕情況14第二階段：液態(tài)（或粘流態(tài)）組分的固化過程，即凝固或化學(xué)反應(yīng)。固化階段受第一階段影響，

7、同時(shí)它也直接決定著所形成的界面層的結(jié)構(gòu)。以熱固性樹脂的固化過程為例，固化劑所在位置是固化反應(yīng)的中心，固化反應(yīng)從中心以輻射狀向四周擴(kuò)展，最后形成中心密度大、邊緣密度小的非均勻固化結(jié)構(gòu)，密度大的部分稱做膠束或膠粒，密度小的稱做膠絮。在依靠樹脂本身官能團(tuán)反應(yīng)的固化過程中也出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。15后處理過程：固-固界面自身完善與平衡的過程16界面的作用：使纖維和基體形成一個(gè)整體，通過它傳遞應(yīng)力。如果纖維表面沒有應(yīng)力，而且全部表面都形成了界面，則界面區(qū)傳遞應(yīng)力是均勻的。實(shí)踐證明，應(yīng)力是通過基體與纖維間的粘合鍵傳遞的。若基體與纖維間的濕潤性不好，膠接面不完全，那么應(yīng)力的傳遞面

8、積僅為纖維面積的一部分，所以為使復(fù)合材