聚合物基復(fù)合材料的界面課件.ppt

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1、第4章聚合物基復(fù)合材料的界面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4.5復(fù)合材料界面的研究1復(fù)合材料是由兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復(fù)合而成的新型材料。不同相之間必然存在界面，使基體和增強(qiáng)體各自獨(dú)立又相互依存。界面是復(fù)合材料的重要組成部分。4.1界面的基本概念2影響復(fù)合材料的因素：增強(qiáng)材料的性能基體的性能復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及成型技術(shù)復(fù)合材料中增強(qiáng)體與基體界面的性能界面的好環(huán)將直接影響到復(fù)合材料的綜合性能。3界面的定義：是指基體與增強(qiáng)相之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。復(fù)合材料的界面是一個(gè)多層

2、結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)域，約幾個(gè)納米到幾個(gè)微米。1、外力場(chǎng)2、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4非單分子層，其組成、結(jié)構(gòu)形態(tài)、形貌十分復(fù)雜界面區(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，具有“梯度”材料性能特征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)生的根源界面缺陷形式多樣（包括殘余應(yīng)力）對(duì)復(fù)合材料性能影響十分敏感界面特點(diǎn):5復(fù)合材料的綜合性能并不是由各單一組分性能的簡(jiǎn)單加合，而是一種線性關(guān)系；各組分既獨(dú)立又相互依存，這是由

3、復(fù)合材料的界面決定的。界面起著什么樣的效應(yīng)？6一種物質(zhì)（通常是增強(qiáng)劑）的表面結(jié)構(gòu)使另一種（通常是聚合物基體）與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如高彈性、低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應(yīng)性、磁性、耐熱性和磁場(chǎng)尺寸穩(wěn)定性等。界面效應(yīng)：界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能歸納為以下幾種效應(yīng)：界面可將復(fù)合材料體系中基體承受的外力傳遞給增強(qiáng)相，起到基體和增強(qiáng)相之間的橋梁作用基體和增強(qiáng)相之間結(jié)合力適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、減緩應(yīng)力集中的作用。光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，

4、如透光性、隔熱性、隔音性、耐機(jī)械沖擊性等。7界面效應(yīng)：界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能歸納為以下幾種效應(yīng)：★界面效應(yīng)是任何一種單一材料所沒(méi)有的特性，界面研究將對(duì)復(fù)合材料性能的提高、材料設(shè)計(jì)、加工工藝的實(shí)事、新型復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)起著重要的作用。84.2.1界面的形成復(fù)合材料界面的形成可分兩個(gè)階段：第一階段：基體與增強(qiáng)纖維的接觸與浸潤(rùn)過(guò)程第二階段：聚合物的固化過(guò)程增強(qiáng)纖維對(duì)基體分子中不同基團(tuán)或各組分的吸附能力不同；只是吸附能降低其表面能的物質(zhì)，并優(yōu)先吸附能較多降低其表面能的物質(zhì)。聚合物通過(guò)物理或化學(xué)變化而形成固定的界面層。4.2界面的形成與作用機(jī)理9界面的結(jié)合狀態(tài)和強(qiáng)度對(duì)復(fù)

5、合材料的性能有重要影響。對(duì)于每一種復(fù)合材料都要求有合適的界面結(jié)合強(qiáng)度。界面結(jié)合較差：大多呈剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。界面結(jié)合最佳態(tài)：當(dāng)受力發(fā)生開(kāi)裂時(shí)，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)域化而不進(jìn)一步界面脫粘；這時(shí)的復(fù)合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。界面結(jié)合過(guò)強(qiáng)：則呈脆性斷裂，也降低了復(fù)合材料的整體性能。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必須要使材料在界面上形成能量的最低結(jié)合，存在液體對(duì)固體的良好浸潤(rùn)。形成良好界面的前提條件。10浸潤(rùn)：是把液滴放到固體表面，液滴會(huì)立即鋪展開(kāi)來(lái)，遮蓋固體表面，這一現(xiàn)象稱(chēng)為浸潤(rùn)。Waterdropletonalotusleaf11液體對(duì)固體

6、的浸潤(rùn)能力可用浸潤(rùn)角θ(或接觸角)表示：θ=0°完全浸潤(rùn)；θ≤90°浸潤(rùn)；θ≥90°不浸潤(rùn)；θ=180°完全不浸潤(rùn)12液體浸潤(rùn)角的大小取決于：固體表面張力σSV、液體表面張力σLV固液界面張力σSL粘合功WA最大時(shí)：cos?=1，即?=0，液體完全平鋪在固體表面。σSVσSLσLV1314復(fù)合材料良好界面的形成其前提條件是先形成良好的浸潤(rùn)。良好的浸潤(rùn)取決于體系（固體、液體、界面）的表面張力。小結(jié)固液體的表面張力（或表面狀態(tài)）取決于表面結(jié)構(gòu)。15（1）潤(rùn)濕吸附理論潤(rùn)濕吸附理論是基于液態(tài)樹(shù)脂對(duì)纖維表面的浸潤(rùn)親和，即物理和化學(xué)吸附作用。4.2.1界面的作用機(jī)理高聚物的粘結(jié)作用分

7、兩個(gè)階段：第一階段：高聚物大分子借助于宏觀布朗運(yùn)動(dòng)從液體或熔體中，移動(dòng)到纖維表面，大分子鏈節(jié)逐漸向纖維表面極性基團(tuán)靠近；第二階段：發(fā)生吸附作用。當(dāng)纖維與聚合物分子間距<0.5nm，形成各種分子間作用力（吸附產(chǎn)生的根本原因）。16剝離所需能量大大超過(guò)克服分子間作用力，表明界面上不僅僅存在分子間作用力；該理論是以基體和纖維表面極性基團(tuán)間相互作用為基礎(chǔ)，因此不能解釋為什么非極性聚合物間也會(huì)有粘結(jié)力。潤(rùn)濕吸附理論的局限性：（1）潤(rùn)濕吸附理論潤(rùn)濕吸附理論是基于液態(tài)樹(shù)脂對(duì)纖維表面的浸潤(rùn)親和，即物理和化學(xué)吸附作用。17在復(fù)合材料組分之間發(fā)生