第6章 复合材料的界面
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
界面在复合材料中发挥着越来越重要的作 用，界面的优化设计是实现复合材料性能的关键 所在。请结合某种具体的复合材料，掌握界面的
相关基础知识以及如何改善界面的方法。
Next on ……
第7章 复合材料理化性能
7.1 7.2 7.3
功能复合材料的发展和应用 复合材料的理化性能 复合材料的热物理性能及耐烧蚀性能
三、水对复合材料及界面的破坏作用
水的浸入（通过扩散作用进入界面） 从树脂宏观裂纹进入（有化学应力和热应力产生裂纹）； 树脂内存在的杂质（水溶性杂质）； 复合材料成型中在材料内部产生的气泡 水对玻纤的腐蚀 水溶解玻纤表面碱金属氧化物，溶液呈碱性，并加剧玻 纤表面腐蚀破坏，最后导致玻纤SiO2骨架破坏，玻纤强度 降低，复合材料性能下降。
三、水对复合材料及界面的破坏作用
水对树脂的降解 物理效应（可逆）：破坏树脂内氢键或其他次价键，使
树脂增塑，热机械性能下降； 化学效应（不可逆）：与树脂内化学键发生化学作用， 树脂降解
水溶胀树脂导致界面破坏 树脂溶胀，在界面上产生剪应力。当剪应力大于 界面粘接力时，界面破坏。
三、水对复合材料及界面的破坏作用
对整体的性能有着决定性的影响
界面层的组成、结构与性能
填充、增强材料与基体材料的组成及它们间的反应性能
6.2 高聚物复合材料界面的形成及作用机理
◇ 界面层的形成
阶段I
增强材料与基体之间能够浸润和接触
浸润性表示液固发生接触的情况，是良好粘结的必要条件
浸润现象（Wetting）
不浸润 完全浸润 不完全浸润
※ 玻璃纤维的表面处理
采用有机硅烷偶联剂与有机络合物偶联剂进行处理
有机硅烷偶联剂
有机硅烷偶联剂处理机理：
1）硅烷偶联剂水解
2）硅醇之间进行缩合反应，形成低聚体；
3）吸水玻璃纤维的表面与硅醇之间形成氢键；
4）最后干燥脱水，玻璃纤维表面与硅醇之间形成共价键
处理方法：
1）在玻璃纤维清洁的表面直接涂覆偶联剂； 2）在玻璃纤维纺丝的过程中用偶联剂进行处理； 3）在制备复合材料时，将偶联剂直接掺混到基体中
接触角
Contact angle
阶段II 增强材料与基体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。
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
◇ 界面层的作用机理
化学键理论 弱边界理论 物理（浸润）吸附理论
机械粘结理论
界面的形成与作用机理
化学键理论（偶联理论）
5.9 单向复合材料的破坏模式
Content
第6章 复合材料的界面
6.1 研究复合材料界面的重要性
6.2 高聚物复合材料界面的形成及作用机理
6.3 填充、增强材料的表面处理
6.4 复合材料界面分析技术
6.1 研究复合材料界面的重要性 复合材料内部存在大量界面层 界面层成为复合材料组成的一部分
使不同材料结合成为一个整体
Polymer Composites
Review
第5章 复合材料力学性能
5.1 概 述 5.2 各向异性弹性材料力学基础
5.3 单层板的弹性特性
5.4 单层板的强度理论 5.5 复合材料的力学性能试验 5.6 单向复合材料各组分的强度准则 5.7 复合材料单向层板均匀各向同性材料的强度理论
5.8 纤维复合材料的疲劳行为
水进入孔隙产生渗透压导致界面破坏 水进入孔隙，溶解杂质，浓度增加，渗透压增加， 一定温度、时间时，渗透压大于粘接力，导致界面破坏 水促使破坏裂纹的扩展 水降低了纤维的内聚能，脆化纤维； 水的表面腐蚀作用，使纤维表面形成了新的缺陷； 凝集在裂纹尖端的水能产生很大的毛细压力
6.3 填充、增强材料的表面处理
单烷氧基脂肪酸型 单烷氧基焦磷酸酯型 螯合型 配位体型
偶联机理：
与硅烷偶联剂偶联机理相似
6.4 复合材料界面分析技术
红外光谱研究（IR）---- 高聚物界面
电子显微镜法: TEM、SEM ---聚合物表面、复合材料断面
X射线光电子能谱（XPS）
-源自文库---材料表面元素组成、表面基团及其含量
Summary & Problem
两相高聚物相互溶解、扩散 高聚物之间的粘接作用与其自粘作用（同种分子 间的扩散）一样，也是高聚物分子键与链段的相互扩 散（不同分子）引起的，由此产生强大的粘接力。
界面的形成与作用机理
电子静电理论
金属晶体-增强材料可看成一个电容器，二者各为一极 板，相互接触而使电容器充电，形成双电层，产生静电引力， 使基体育增强材料粘接在一起。
偶联剂分子至少有含有两种官能团，一种官能团 可与增强材料反应，另一种可与基体反应（参与固化 反应）。通过偶联剂的作用，将增强材料与树脂基体 通过共价键牢固地连接在一起。 该理论不能解释许多未使用偶联剂或偶联剂不与 增强材料、基体反应的复合材料体系。
界面的形成与作用机理
扩散理论（增强材料为有机纤维）
该理论不能解释属性相近的聚合物也能牢固粘接，因为 非极性聚合物之间是不能粘接的。
机械联结理论
基体与增强物的粘接为机械粘接作用。首先液态基体 渗入增强物的空隙中，然后基体凝固或固化而机械的镶嵌在 增强物表面，产生机械结合力。
界面的形成与作用机理
变形层理论
偶联剂涂层是一种柔性层或变形层，能提供具有“自 愈能力”的化学键。在外载作用下，处于不断形成与断裂的 动态平衡状态，起到均匀传递应力，减弱界面应力的作用， 从而提高基体与增强物的粘接性能。
界面反应性（与层剪强度有关）
反应性增加，强度增加
残余应力
残余应力增加，界面强度降低
热膨胀系数不同引起热引力； 树脂固化体积收缩引起的内应力
界面破坏机理
在复合材料中，受外力作用时，基体中会产生微裂纹， 并由基体逐渐扩展到纤维表面，使纤维脱粘（或拔出）， 甚至断裂。 弱界面：韧性破坏（纤维脱粘或拔出） 强界面：脆性破坏（纤维断裂） 界面存在物理键（即范德华力）和化学键。其中化 学键是主要的，界面破坏时，二种键均受到破坏。
处理效果：改善复合材料性能
耐水性、电绝缘性及耐老化性能
※ 碳纤维的表面处理
处理方法：
氧化法（气相氧化法、液相氧化法、阳极氧化法） 沉积法 电沉积及与电聚合法 等离子体处理法
处理效果：
改善碳纤维的表面性能
增加与高聚物的粘结力
※ 粉状填料的表面处理
采用钛酸酯偶联剂进行处理 钛酸酯偶联剂主要结构类型
优先吸附理论
增强物优先吸附树脂中的不同成分（助剂），使界面 层结构与性能具有梯度变化，有利于消除应力，改善复合材 料性能。
影响界面的粘合强度的因素
纤维表面晶体大小及比表面积
晶体增大，模量增高，表面更光滑，惰性增加，粘合强度下 降；比表面积增加，界面增大，粘合强度提高。
浸润性
浸润性增加，空隙率减小，杂质少，粘合强度增加
相关基础知识以及如何改善界面的方法。
Next on ……
第7章 复合材料理化性能
7.1 7.2 7.3
功能复合材料的发展和应用 复合材料的理化性能 复合材料的热物理性能及耐烧蚀性能
三、水对复合材料及界面的破坏作用
水的浸入（通过扩散作用进入界面） 从树脂宏观裂纹进入（有化学应力和热应力产生裂纹）； 树脂内存在的杂质（水溶性杂质）； 复合材料成型中在材料内部产生的气泡 水对玻纤的腐蚀 水溶解玻纤表面碱金属氧化物，溶液呈碱性，并加剧玻 纤表面腐蚀破坏，最后导致玻纤SiO2骨架破坏，玻纤强度 降低，复合材料性能下降。
三、水对复合材料及界面的破坏作用
水对树脂的降解 物理效应（可逆）：破坏树脂内氢键或其他次价键，使
树脂增塑，热机械性能下降； 化学效应（不可逆）：与树脂内化学键发生化学作用， 树脂降解
水溶胀树脂导致界面破坏 树脂溶胀，在界面上产生剪应力。当剪应力大于 界面粘接力时，界面破坏。
三、水对复合材料及界面的破坏作用
对整体的性能有着决定性的影响
界面层的组成、结构与性能
填充、增强材料与基体材料的组成及它们间的反应性能
6.2 高聚物复合材料界面的形成及作用机理
◇ 界面层的形成
阶段I
增强材料与基体之间能够浸润和接触
浸润性表示液固发生接触的情况，是良好粘结的必要条件
浸润现象（Wetting）
不浸润 完全浸润 不完全浸润
※ 玻璃纤维的表面处理
采用有机硅烷偶联剂与有机络合物偶联剂进行处理
有机硅烷偶联剂
有机硅烷偶联剂处理机理：
1）硅烷偶联剂水解
2）硅醇之间进行缩合反应，形成低聚体；
3）吸水玻璃纤维的表面与硅醇之间形成氢键；
4）最后干燥脱水，玻璃纤维表面与硅醇之间形成共价键
处理方法：
1）在玻璃纤维清洁的表面直接涂覆偶联剂； 2）在玻璃纤维纺丝的过程中用偶联剂进行处理； 3）在制备复合材料时，将偶联剂直接掺混到基体中
接触角
Contact angle
阶段II 增强材料与基体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。
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
◇ 界面层的作用机理
化学键理论 弱边界理论 物理（浸润）吸附理论
机械粘结理论
界面的形成与作用机理
化学键理论（偶联理论）
5.9 单向复合材料的破坏模式
Content
第6章 复合材料的界面
6.1 研究复合材料界面的重要性
6.2 高聚物复合材料界面的形成及作用机理
6.3 填充、增强材料的表面处理
6.4 复合材料界面分析技术
6.1 研究复合材料界面的重要性 复合材料内部存在大量界面层 界面层成为复合材料组成的一部分
使不同材料结合成为一个整体
Polymer Composites
Review
第5章 复合材料力学性能
5.1 概 述 5.2 各向异性弹性材料力学基础
5.3 单层板的弹性特性
5.4 单层板的强度理论 5.5 复合材料的力学性能试验 5.6 单向复合材料各组分的强度准则 5.7 复合材料单向层板均匀各向同性材料的强度理论
5.8 纤维复合材料的疲劳行为
水进入孔隙产生渗透压导致界面破坏 水进入孔隙，溶解杂质，浓度增加，渗透压增加， 一定温度、时间时，渗透压大于粘接力，导致界面破坏 水促使破坏裂纹的扩展 水降低了纤维的内聚能，脆化纤维； 水的表面腐蚀作用，使纤维表面形成了新的缺陷； 凝集在裂纹尖端的水能产生很大的毛细压力
6.3 填充、增强材料的表面处理
单烷氧基脂肪酸型 单烷氧基焦磷酸酯型 螯合型 配位体型
偶联机理：
与硅烷偶联剂偶联机理相似
6.4 复合材料界面分析技术
红外光谱研究（IR）---- 高聚物界面
电子显微镜法: TEM、SEM ---聚合物表面、复合材料断面
X射线光电子能谱（XPS）
-源自文库---材料表面元素组成、表面基团及其含量
Summary & Problem
两相高聚物相互溶解、扩散 高聚物之间的粘接作用与其自粘作用（同种分子 间的扩散）一样，也是高聚物分子键与链段的相互扩 散（不同分子）引起的，由此产生强大的粘接力。
界面的形成与作用机理
电子静电理论
金属晶体-增强材料可看成一个电容器，二者各为一极 板，相互接触而使电容器充电，形成双电层，产生静电引力， 使基体育增强材料粘接在一起。
偶联剂分子至少有含有两种官能团，一种官能团 可与增强材料反应，另一种可与基体反应（参与固化 反应）。通过偶联剂的作用，将增强材料与树脂基体 通过共价键牢固地连接在一起。 该理论不能解释许多未使用偶联剂或偶联剂不与 增强材料、基体反应的复合材料体系。
界面的形成与作用机理
扩散理论（增强材料为有机纤维）
该理论不能解释属性相近的聚合物也能牢固粘接，因为 非极性聚合物之间是不能粘接的。
机械联结理论
基体与增强物的粘接为机械粘接作用。首先液态基体 渗入增强物的空隙中，然后基体凝固或固化而机械的镶嵌在 增强物表面，产生机械结合力。
界面的形成与作用机理
变形层理论
偶联剂涂层是一种柔性层或变形层，能提供具有“自 愈能力”的化学键。在外载作用下，处于不断形成与断裂的 动态平衡状态，起到均匀传递应力，减弱界面应力的作用， 从而提高基体与增强物的粘接性能。
界面反应性（与层剪强度有关）
反应性增加，强度增加
残余应力
残余应力增加，界面强度降低
热膨胀系数不同引起热引力； 树脂固化体积收缩引起的内应力
界面破坏机理
在复合材料中，受外力作用时，基体中会产生微裂纹， 并由基体逐渐扩展到纤维表面，使纤维脱粘（或拔出）， 甚至断裂。 弱界面：韧性破坏（纤维脱粘或拔出） 强界面：脆性破坏（纤维断裂） 界面存在物理键（即范德华力）和化学键。其中化 学键是主要的，界面破坏时，二种键均受到破坏。
处理效果：改善复合材料性能
耐水性、电绝缘性及耐老化性能
※ 碳纤维的表面处理
处理方法：
氧化法（气相氧化法、液相氧化法、阳极氧化法） 沉积法 电沉积及与电聚合法 等离子体处理法
处理效果：
改善碳纤维的表面性能
增加与高聚物的粘结力
※ 粉状填料的表面处理
采用钛酸酯偶联剂进行处理 钛酸酯偶联剂主要结构类型
优先吸附理论
增强物优先吸附树脂中的不同成分（助剂），使界面 层结构与性能具有梯度变化，有利于消除应力，改善复合材 料性能。
影响界面的粘合强度的因素
纤维表面晶体大小及比表面积
晶体增大，模量增高，表面更光滑，惰性增加，粘合强度下 降；比表面积增加，界面增大，粘合强度提高。
浸润性
浸润性增加，空隙率减小，杂质少，粘合强度增加