第4章 复合材料的界面

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1、1第四章复合材料的界面4第一节复合材料的界面复合材料的界面是指基体与增强物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。界面很小，约几个纳米到几个微米，是一个区域或一个带、或一层，它的厚度呈不均匀分布状态。界面的存在具有必然性，是复合材料复合的关键：复合材料是由两种及以上材料复合而成的，必然存在界面；界面是基体和增强材料的结合处，即二者的分子在界面形成原子作用力，起到桥梁作用；界面又作为基体和增强材料之间传递载荷的媒介或过渡带。5界面通常包含以下几个部分：基体和增强物的部分原始接触面；基体与增强物相互作用生成的反应产物，此产物与基体及增强物的接触

2、面；基体和增强物的互扩散层；增强物上的表面涂层；基体和增强物上的氧化物及它们的反应产物之间的接触面等。6界面区域示意图1一外力场；2-树脂基体；3-基体表面区；4-相互渗透区5一增强剂表面；6-增强体每一亚层的性能均与树脂基体和增强剂的性质、偶联剂的品种和性质、复合材料的成型方法等密切有关。五个亚层：界面并不是一个单纯的几何面，而是一个多层结构的过渡区域，界面区是从与增强剂内部性质不同的某一点开始，直到与树脂基体内整体性质相一致的点间的区域。7界面是复合材料的特征，界面的机能归纳为以下几种：(1)传递效应界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用

3、。(2)阻断效应结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。(3)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出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性等。(4)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。(5)诱导效应一种物质(通常是增强物)的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。8界面效应既与界面结合状态、形态和物理--化学性质等有关，也与界面两侧组分材料的浸润性、相容性、扩散性等密切相联。基体和增强物通过界面结合

4、在一起，界面结合的状态和强度对复合材料的性能有重要影响。界面的结合强度一般是以分子间力、表面张力(表面自由能)等表示的，而实际上有许多因素影响着界面结合强度：如：表面的几何形状、分布状况、纹理结构；表面吸附气体和蒸气程度；表面吸水情况，杂质存在；9由于界面区相对于整体材料所占比重甚微，欲单独对某一性能进行度量有很大困难。因此常借于整体材料的力学性能来表征界面性能，如层间剪切强度(ILSS)就是研究界面粘结的良好办法；再配合断裂形貌分析等即可对界面的其他性能进行研究。通过力学分析可看出，界面性能较差的材料大多呈剪切破坏，且在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等

5、现象。但界面间粘结过强的材料呈脆性也降低了材料的复合性能。10界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时，这一裂纹能转为区域化而不产生近一步界面脱粘，这时复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。因此，在研究和设计界面时，不应只追求界面粘结而应考虑到最优化和最佳综合性能。由于界面尺寸很小且不均匀、化学成分及结构复杂、力学环境复杂、对于界面的结合强度、界面的厚度、界面的应力状态尚无直接的、准确的定量分析方法；所以，对于界面结合状态、形态、结构以及它对复合材料性能的影响尚没有适当的试验方法，通常需要借助拉曼光谱、电子质谱、红外扫描、x衍射等试验逐步摸索和统一认识。11第二节复合材料界面理

6、论人们一直非常重视界面的研究，并有大量的文献报道，但由于材料的多样化及界面的复杂性，至今尚无一个普通性的理论来说明复合材料的界面行为。12一、界面浸润理论复合材料在制备过程中，只要涉及到液相与固相的相互作用，必然就有液相与固相的浸润问题。材料组元之间相互浸润是复合的首要条件。在制备聚合物基复合材料时，一般是把聚合物(液态树脂)均匀地浸渍或涂刷在增强材料上。树脂对增强材料的浸润性是指树脂能否均匀地分布在增强材科的周围，这是能否形成良好粘结的重要前提。在制备金属基复合材料时，液态金属对增强材料的浸润性，则直接影响到界面粘结强度。13（a）不完全浸润（b）浸润不良由可知浸润

7、的程度。＝0o时，完全浸润；＝180o时，不浸润；0o＜＜180o时，不完全浸润(或称部分浸润)，随角度下降，浸润的程度增加。＞90o时常认为不发生液体浸润。浸润性是表示液体在固体表面上铺展的程度。好的浸润性意味着液体(基体)将在增强材料上铺展开来，并覆盖整个增强材料表面。14对于一个结定的体系，接触角随着温度、保持时间、吸附气体等而变化。浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触时的情况，而并不能表示界面的粘结性能。一种体系的两个组元可能有极好的浸润性，但它们之间的结合可能很弱，如范德华物理键合形式。因此良好的浸润性，只是两个组元间可达