复合材料界面

界面层的结构
界面粘合力的性质 界面层的厚度 界面层的组成
界面层的结构 界面粘合力----存在于两相之间
界面粘合力
宏观结合力----不包含化学键和次价键
它是由裂纹及表面的凹凸不平 而产生的机械铰合力。
微观结合力----包含有化学键和次价键
这两种键的相对比例取决于组 成成分及其表面性质。
界面层的结构
Interface 界面
Matrix 基体
复合材料的特征体现：
是两种固相物质间的组合 各组分间的界面存在界面效应
复合材料--除了研究组分、分散相的分散状况外， 更需研究各组分间的界面问题
提高复合材料性能 如何使纤维与基体间形成合理的结合 高性能纤维面临的问题----表面处理
什么是界面 界面相互作用理论 材料（纤维）的表面处理 纤维表面（或界面）分析技术 复合材料的界面效应
拘束层理论
界面区的模量介于基体和纤维之间时可最 均匀地传递应力。
扩散层理论
偶联剂形成的界面是能与树脂相互扩散的 聚合物硅氧烷层或其它的偶联剂层。
减弱界面局部应力作用理论
基体与纤维之间的处理剂提供了一种具 有“自愈合能力”的化学键，在载荷作用下 处于不断形成与断裂的动态平衡。同时应力 得以松弛，减缓了界面处的应力集中。
（ 1）基体与填充物之间能够浸润和接触， 而能否浸润则主要取决于它们的表面自由能， 即表面张力---首要条件
材料之间的浸润一般用接触角来衡量（液 /固间浸润）
界面的形成
γlv
气
液
γ sv
θ
γsl
固
θ >90°，γ sv< γsl，此时液体不能润湿固体 θ=180 °时，液滴呈球状。 0 ° <θ < 90°， γlv >γ sv - γ sl>0，此时液体能 润湿固体。 θ= 0 °，液体能完全湿润固体
界面浸润理论 Z2 = K cost /
树脂流入量 Z 与液体表面张力 、接触角 、时间 t 和孔径成正比，与粘度 成反比。
物理吸附理论
界面结合是属于机械铰合和基于次价键作用 的物理吸附。粘结作用的优劣取决于材料相互之 间的浸润性。该理论实质上是指两个理想的清洁 表面，靠物理作用，以表面能为基础的吸附作用。
在众多结合力中，化学键的结合是最强 的结合，是界面粘结强度贡献最大的积极因素
制备复合材料时，尽可能向界面位置引入反应 基团，以增加化学键的比例，有利于提高复合 材料性能。
界面层的结构
界面层的厚度 界面层的组成
提供更好的粘合力环境
界面相互作用理论
化学键理论 界面浸润理论 物理吸附理论 变形理论
拘束层理论
1、什么是界面
几个概念 界面的形成
界面层的结构
几个概念
界面
两相态 接触的 分解层
晶界 相界
气、液、固
表面
真空下，物质 内部与真空之 间的过渡区
相界是复合材料研究关注的焦点----组成复合材 料的组分要表现出一个复合效果，必须而且只 能通过界面层的相互传递作用来实现。
phase
phase
相接触两相间 的过渡区，称 为界面相
被粘物体表面粗糙不 平的凸凹结构及疏松 孔隙结构，有利于界 面的结合
被粘结物体表面形状 不规整的孔穴越多， 则粘结强度就会越高
物理吸附理论 物理吸附（浸润）理论要求被粘结物体表面
必须有大量的槽沟、多孔穴等，会出现某些负效 应。
更多地从化学键合的角度来解决 界面问题
材料的表面处理
变形理论
纤维经处理后，在界面上形成一层塑性层， 松弛和减缓界面处的应力集中。
界面的形成
界面研究的一个重要内容----填充材料的 表面处理
界面的形成
（ 2）基体材料与填充材料间通过相 互作用而使界面固定下来，形成固 定的界面层----体现材料复合效果 的核心
界面的形成
界面层的作用：
使基体材料与填充材料形成一个整体， 并通过它传递应力。
为使界面层能够均匀地传递应力，充分发挥 填充材料的作用，就要求复合材料在制造过 程中形成一个完整的界面层。
物质内部，称 为本体相
界面的特征： 复合材料中的界面并非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 填充剂内部性质不同的某一点开始，至与基体 内整体性质相一致的点间的区．此区域的结构 与性质都异于两相中的任一相。
界面的形成
界面形成的两个条件 界面层的作用
界面的形成
界面形成的两个条件
扩散层理论
减弱界面局部应力 作用理论
化学键理论
填充材料（特别是增强材料）与基体之间 必须形成化学键才能产生良好的粘结强度，形 成理想的界面。
化学键----共价键 氢键
形成的条件---- 表面活性原子+基团数量+ 化学活性
在理论上可获得最强的界面结合（210 – 220 J/mol）这对在偶联剂的选择方面有一定指导 意义。
材料（纤维）的表面处理
玻璃纤维的表面处理方法 碳纤维的表面处理方法 芳纶纤维的表面处理方法
玻璃纤维的表面处理方法
玻璃纤维在复合材料中主要起承载作用。 为了充分发挥玻璃纤维的承载作用,减少玻璃纤 维和树脂基体差异对复合材料界面的影响,提高 与树脂基体的粘合能力,因此有必要对玻璃纤维 的表面进行处理,使之能够很好地与树脂粘合, 形成性能优异的界面层,从而提高复合材料的综 合性能。
表面处理方法主要有：
玻璃纤维表面的偶联剂处理 玻璃纤维接枝处理 等离子体处理
玻璃纤维的表面处理方法
来自百度文库
玻璃纤维表面 的偶联剂处理
所谓偶联剂是分子中含有两种不同性质基 团的化合物，其中一种集团可与增强材料发生 化学或物理的作用，另一种基团可以与基体发 生化学或物理的作用。通过偶联剂的偶联作用， 使基体与增强材料实现良好的界面结合，从而 显著提高复合材料的性能。
材料（纤维）的表面处理
表面处理的双效性 达到改善复合材料性能的纤维表面处理，
具有双重效果： 改善纤维的表面性能，促进纤维与基体界面
的结合 破坏纤维的表面状态，影响纤维的力学性能
双赢的表面处理境界
材料（纤维）的表面处理
表面处理程度的控制 控制表面处理程度的考虑因素 处理对象因素 处理技术因素 应用目的因素
增强材料 基体材料
纤维 织物 粒子
热固性树脂 热塑性树脂
碳纤维 玻璃纤维 芳纶
环氧树脂 不饱和聚酯树脂 酚醛树脂 PC、PP、 PBT、 PMMA 聚氯乙稀 聚砜 聚酰胺
复合材料的组成
基体
Matrix
增强体
Reinforcement
界面 Interface
Interphase 界面相
Fiber 纤维