聚合物基复合材料界面课件.ppt

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1、聚合物基复合材料是由纤维和基体结合为一个整体，使复合材料具备了原组成材料所没有的性能，并且由于界面的存在，纤维和基体所发挥的作用，是各自独立而又相互依存的。界面是复合材料组成的重要组成部分，它的结构与性能，以及粘合强度等因素，直接关系到复合材料的性能。所以，复合材料界面问题的研究有着十分重要的意义。界面研究的意义：1主要内容4.1界面的基本概念4.2界面的形成与作用机理4.3界面的破坏机理4.4纤维的表面处理2了解界面结构对材料整体性能的影响，必须先表征界面相的化学、物理结构，厚度和形貌，粘接强度和残余应力等，从而可以寻找它们与复合材料性能之间的关系。3什么是

2、复合材料的界面？4.1界面的基本概念4许多复合材料的纤维与基体的粘接性差，为了改善两者的粘结性，在两相的界面上加入一些改性剂，如偶联剂等，这样在纤维、基体之间的界面上，形成一种新的界面，该界面层的结构与性能已不同于原来的两相界面。5我们所说的界面，并非是一个没有厚度的理想几何面。实验已证明，两相交接的区域是一个具有相当厚度的界面层,即中间相。PMC界面区域(interfacezoneofPMC)示意图1-外力场；2-树脂基体；3-基体表面区；4-相互渗透区；5-增强剂表面区；6-增强剂6复合材料界面结构与性能特点：i)非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂

3、、形式多样界面区至少包括：基体表面层、增强体表面层、基体/增强体界面层三个部分。ii)具有一定厚度的界面相（层），其组成、结构、性能随厚度方向变化而变化。iii)界面的比表面积或界面相的体积分数很大（尤其是纳米复合材料）界面效应显著：复合材料复合效应产生的根源。iv)界面缺陷形式多样（包括残余应力）对复合材料性能影响十分敏感。7界面效应：①物理效应，引起各组分之间互相浸润、扩散、相容性、界面自由能结构网络互穿的变化；②化学效应：导致界面上的化学反应，形成新的界面层结构；③力学效应：引起界面上的应力分布。8界面在复合材料中的作用是不可忽视的。因此，界面规律的研究

4、是复合材料的基础理论之一。94.2界面的形成与作用机理4.2.1界面的形成复合材料体系对界面要求各不相同，它们的成型加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为两个阶段。（接触—吸附与浸润—交互扩散—化学结合或物理结合）——固化。化学结合可看作是一种特殊的浸润过程10在复合材料的制备过程中，要求组分间能牢固地结合，并有足够的强度。要实现这一点，必须要使材料在界面上形成能量最低结合，通常都存在一个液体对固体的相互浸润。第一阶段：增强体与基体在一组份为液态（或粘流态）时的接触与浸润过程。（界面形成与发展的关键阶段）11所谓浸润，即

5、是把不同的液滴放到不同的固体表面上，有时液滴会立即铺展开来，遮盖固体的表面，这一现象称为“浸润”。有时液滴仍团聚成球状，这一现象称为“不浸润”或“浸润不好”。液体对固体的浸润能力，可以用浸润角θ来表示当θ≤90°时，称为浸润；当θ≥90°时，称为不浸润；当θ=0°及180°时，则分别为完全浸润和完全不浸润。121805年Young提出平衡接触角θ与固气、固液和液气界面自由能有下述关系：σSA=γSL+σLAcosθ（4-1）讨论：①若σSA<γSL,则cosθ<0,θ>90°,液体不能浸润固体。当θ＝180°时，表面完全不浸润，液体呈球状；②若σLA>σSA-

6、γSL时，则1>cosθ>0,θ<90°,液体能浸润固体；③若σLA＝σSA-γSL时，则cosθ＝1,θ＝0°，这时液体完全浸润固体；④若σLA<σSA-γSL时,则液体在固体表面完全浸润（θ＝0°）时仍未达到平衡而铺展开来。13从式（4－1）可知，改变研究体系的表面张力σ，就能改变接触角θ，即改变系统的润湿情况。固体表面的润湿性能与其结构有关，改变固体的表面状态，即改变其表面张力，就可以达到改变润湿情况的目的，如对增强纤维进行表面处理，就可改变纤维与基体材料间的润湿情况14第二阶段：液态（或粘流态）组分的固化过程，即凝固或化学反应。固化阶段受第一阶段影响，

7、同时它也直接决定着所形成的界面层的结构。以热固性树脂的固化过程为例，固化剂所在位置是固化反应的中心，固化反应从中心以辐射状向四周扩展，最后形成中心密度大、边缘密度小的非均匀固化结构，密度大的部分称做胶束或胶粒，密度小的称做胶絮。在依靠树脂本身官能团反应的固化过程中也出现类似的现象。15后处理过程：固-固界面自身完善与平衡的过程16界面的作用：使纤维和基体形成一个整体，通过它传递应力。如果纤维表面没有应力，而且全部表面都形成了界面，则界面区传递应力是均匀的。实践证明，应力是通过基体与纤维间的粘合键传递的。若基体与纤维间的湿润性不好，胶接面不完全，那么应力的传递面

8、积仅为纤维面积的一部分，所以为使复合材