聚合物基复合材料界面

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1、•复合材料的界面•复合材料界面是指复合材料的基体与增强材料之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷等传递作用的微小区域。•所说的界面并非是一个没有厚度的理想几何面。•复合材料的界面的好坏直接影响到复合材料的综合性能。界面效应•物理效应–引起各组分之间相互浸润、扩散、相溶性、界面吉布斯自由能、结构网络互穿的变化。•化学效应–导致界面上的化学反应，形成新的界面层结构。•力学效应–引起界面上的应力分布。界面的形成•对于聚合物基复合材料，其界面的形成分为两个阶段–第一阶段：基体与增强纤维的接触和浸润

2、–第二阶段：聚合物的固化阶段•此过程中聚合物通过物理或化学的变化而固化，形成固定的界面层。•固化阶段受第一阶段影响，同时它也直接决定着所形成的界面层的结构。•复合材料的制备过程中，使材料在界面上形成能量的最低结合，通常都存在一个液体的相互浸润–浸润：在固体表面，液体立即铺展开来，遮盖固体的表面(浸润角θ<90°)–不浸润（浸润不好）：在固体表面，液滴仍团聚成球状（浸润角θ>90°）–完全浸润（θ=0°）–完全不浸润（θ=180°）界面的作用机理•浸润吸附理论•浸润吸附理论认为，高聚物的黏结作用可分为两

3、给阶段。•第一阶段：高聚物大分子借助宏观布朗运动从溶液或熔融体中，移动到被粘物表面；再通过微布朗运动，大分子链节逐渐向被粘体表面的极性基团靠近•第二阶段：发生吸附作用•当被粘体与黏结剂分子间距<0.5nm时，范德华力开始发生作用，从而形成偶极-偶极键、偶极-诱导偶极键、氢键等。•该理论在黏结要求到达后，进一步改善性能，应在于改进基体对填充剂的浸润性，吸附理论的局限性在于：•实验表明，剥离高聚物薄膜时所需要能量达104~108erg/cm2，这大大超过了克服分子间力所需的能量，表明界面上不仅仅有分子间作

4、用力。•黏结功决定于黏结层剥离的速率，但分子间力的强弱不应取决于两黏结表面的分离速率，所以黏结不是仅由分子间力决定的。•该理论是黏结剂与被粘结体的极性基团的相互作用为基础的，因此它不能解释为什么非极性聚合物间也会有黏结力。••化学键理论•1949年，Bjorksten和Lyaeger提出化学键理论•理论的主要观点：偶联剂分子应至少含有两种官能团•第一种官能团在理论上可与增强材料起化学反应•第二种官能团在理论上应能参与树脂的固化反应，与树脂分子链形成化学键结合•偶联分子像“桥”一样，将增强体材料与基体通

5、过共价键牢固的连接在一起•注：该理论对许多未使用偶联剂或虽使用了偶联剂但理论上根本不能形成化学键的复合体系，是无能为力的•••扩散理论•Barodkuu提出高聚物-高聚物黏结作用的扩散理论，出发点：基于高聚物的最基本特征——大分子链结构及柔顺性•观点：高聚物之间的黏结作用与其自黏作用一样，也是高聚物分子链及链段的相互扩散引起的，由此产生强大的黏结力•实际上是相互溶解，相互溶解能力的大小由溶解度参数决定，溶解度参数越接近，越容易互溶••电子静电理论•Dezyagin提出静电理论：黏结剂-被粘结体可以看成

6、一个电容器，二者各为一极板，相互接触而使电容器充电，形成双电层。•双电层可以通过一个相的极性基团在另一个相表面上定向吸附而产生，可由聚合物官能团的电子穿过相表面而形成。•局限性：不能圆满地解释电介质极性相近的聚合物也能牢固黏结的事实。•••机械联结理论•该理论认为黏结剂与被粘体的黏结纯粹基于机械作用，液态黏结剂渗入被粘体的空隙内，在一定条件下黏结剂凝固或固化而被机械地“镶嵌”在空隙中，便产生如螺栓、钉子、钩子那样的机械结合力。•机械结合力主要取决于材料的几何因素•事实上，机械理论是与其他黏结理论协同作

7、用的的理论，没有一个黏结系统是只由机械作用而形成的。••变形层理论•如果纤维与基体的热膨胀系数相差较大，固化成型后在界面会产生残余应力，将损伤界面和影响复合材料性能；另在载荷作用下，界面上会出现应力集中，若界面化学键破坏，产生微裂纹，同样也要导致复合材料性能变差。增强纤维表面处理后，在界面上形成一层塑性层，可以松弛并减少界面应力。——变形层理论•在这一理论的基础上又有经过修正的优先吸附理论和柔性理论：认为偶联剂会导致生成不同厚度的柔性基体界面层，而柔性层厚度与偶联剂本身在界面区的数量无关。此理论对聚合

8、物基的石墨碳纤维复合材料较为实用。••优先吸附理论•树脂胶液中，各组分在玻璃纤维上是吸附能力各有不同，有先有后，纤维表面优先吸附基体体系中的助剂。•胺类固化环氧树脂时，纤维表面优先吸附胺，使界面层基体内分布为一梯度，最后导致界面成结构性能也具有梯度化，利于消除应力，改善复合材料的力学性能。•对黏合现象了解仍很肤浅，尚未抓住本质，应对各理论进行综合分析。•