复合材料的界面理论和界面控制讲稿

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1、第四章复合材料的界面理论和界面控制影响复合材料性能的因素：基体和增强材料（增强体或功能体）的性能；复合材料的结构和成型技术；复合材料中增强材料与基体的结合状态（物理的和化学的）及由此产生的复合效应。复合材料的界面产生于复合材料的制造过程。在材料复合过程中，增强材料和基体互相接触，它们中的某些元素在相互扩散、溶解后往往发生化学反应而生成界面相：复合材料的界面：基体和增强材料之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。“界面工程”：研究复合材料界面的组成、结构、性能、控制和改进界面相的工作。第一节复合材料的界面状态及界面结合特性一、界面效应 1、复合材料的界面结构

2、复合材料的界面不是一个单纯的几何面，而是一个多层结构的过渡区域。从结构来分，界面区由五个亚层组成，每一个亚层的性能均与基体和增强材料的性质、偶联剂的品种和性质、复合材料的成型方法等密切相关。界面结合的状态和强度对复合材料的性能有着重要影响。界面结合强度一般用分子间力、溶解度指数、表面张力（表面自由能）等表示。影响界面结合强度的因素：表面的几何形状、分布状况、纹理结构；表面形态（形成与块状物不同的表面层）；表面吸附气体和蒸汽程度；表面吸水情况；表面层的力学特性；在界面的溶解、浸透、扩散和化学反应等。2、界面的特点（P20）界面相的化学组成、结构和物理性能与增强材料和基体的均不相同，对复合

3、材料的整体性能产生重大影响。界面具有一定的厚度（约几个纳米到几个微米），厚度不均匀。包含：基体和增强材料的部分原始接触面、基体与增强材料相互作用生成的反应产物、反应产物与基体及增强材料的接触面，基体和增强材料的互扩散层，增强材料的表面涂层、基体和增强材料的氧化物以及它们的反应产物等。材料特性在界面是不连续的，这种不连续性可能是陡变的，也可能是渐变的。材料特性：元素的浓度、原子的配位、晶体结构、密度、弹性模量、热膨胀系数等。3、界面的机能（界面效应）传递效应：将外加载荷传递给增强材料。阻断效应：阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中。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

4、出现，例：抗电性、电感应性、介电性能、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。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，例：透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。诱导效应：一种物质（通常是增强体）的表面结构使另一种与之接触的物质（通常是聚合物基体）的结构发生改变，由此产生一些现象，例：高的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。界面效应既与界面结合状态、形态、物理-化学性质等有关，也与界面两侧组分材料的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。二、浸润（也称润湿）现象（P25）1、接触角：在复合材料的制备过程中，要求组分间能牢固地结合，并具有足够的强度。这就要求两种材料

5、在界面上形成能量最低的结合，这就存在一个液体对固体材料的相互浸润。浸润：固-气界面被固-液界面置换的过程，用于描述液体在固体表面上自动铺展的程度。固体表面的润湿程度可以用液体分子对其表面的作用力大小来表征。Young公式（液体对固体的润湿条件）：液滴在固体表面发生微小位移时：（g：表面能）平衡时，于是，降低液-固表面能和液-气表面能或者增大固-气表面能有助于润湿。q=0°（glv=gsv-gsl），完全浸润；0°gsv-gsl>0），部分浸润；q>90°（gsv

6、体、氧化膜等均使接触角增大。固体表面粗糙度增加将使接触角减小。固相或液相的夹杂、相与相之间化学反应的产物都将影响润湿性。原因：夹杂或反应产物改变了固相的性质和固相的表面粗糙度。润湿性的测量：液滴试验模型（适用于在高温下熔化的基体材料）。固体增强材料制成光滑平板，固态基体切割成立方体置于其上，在石英玻璃管中高频感应加热。温度升高至基体熔化温度以上时开始定时拍照。随着温度的升高，熔化的基体由立方体变成圆球、椭圆球、半圆球、球缺直至铺展。记录与各种形状的液滴对应的温度，即可确定该增强材料与基体体系的润湿条件。在所拍摄的照片上，测量气-液表面与液-固界面之间的夹角，可得接触角q。2、润湿性与结

7、合润湿性：液体和固体在分子水平上紧密接触的可能程度。接触角小（q<90°），润湿性良好；接触角大（q>90°），润湿性差。润湿性只用于说明固态相与液态相之间的接触情况，是评价复合材料体系工艺性的重要概念。结合：相邻两相沿着整个界面形成的均匀的、原子或分子水平的接触。结合强度可以从弱的范德华力到强的共价键力。结合可以在液相与固相之间发生（评价和估计复合材料体系工艺的可行性和质量），也可以在固相与固相之间发生（评价和估计复合材料的性能）。润湿性好将