第4章 聚合物基复合材料的界面

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润湿吸附理论的局限性：
➢剥离所需能量大大超过克服分子间作用力，表明界面 上不仅仅存在分子间作用力； ➢该理论是以基体和纤维表面极性基团间相互作用为基 础，因此不能解释为什么非极性聚合物间也会有粘结力。
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（2）化学键理论
➢在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形 成共价键结合。 ➢在理论上可获得最强的界面粘结能（210 - 220 J / mol）。 ➢主要针对使用偶联剂所起作用。
厚度方向变化而变化，具有“梯度”材料性能特征
➢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
➢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
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➢复合材料的综合性能并不是由各单一组分性能 的简单加合，而是一种线性关系； ➢各组分既独立又相互依存，这种是由复合材料 的界面决定的。
SV=SL+ LVCOS
COS = SV - SL LV
粘合功WA最大时： cos =1，即 = 0，
液体完全平铺在固体表面。
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小结 复合材料良好界面的形成其前提条件是先形成良好的浸润。 良好的浸润取决于体系（固体、液体、界面）的表面张力。 固液体的表面张力（或表面状态）取决于表面结构。
界面是复合材料的重要组成部分。
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影响复合材料的因素： ➢增强材料的性能 ➢基体的性能 ➢复合材料的结构及成型技术 ➢复合材料中增强体与基体界面的性能
界面的好环将直接影响到复合材料的综合性能。
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界面的定义：
是指基体与增强相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。
★ 界面效应是任何一种单一材料所没有的特性，界面研究 将对复合材料性能的提高、材料设计、加工工艺的实事、 新型复合材料的开发起着重要的作用。
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4.2界面的形成与作用机理
4.2.1 界面的形成
复合材料界面的形成可分两个阶段： 第一阶段：基体与增强纤维的接触与浸润过程
增强纤维对基体分子中不同基团或各组分的 吸附能力不同； 只是吸附能降低其表面能的物质，并优先吸 附能较多降低其表面能的物质。
则呈脆性断裂，也降低了复合材料的整体性能。
界面结合最佳态是：
当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域化而不进一 步界面脱粘；即这时的复合材料具有最大断裂能和一 定的韧性。
要实现这一点，必须要使材料在界面上形成能量 的最低结合，存在液体对固体的良好浸润。
形成良好界面的 前提条件。
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浸润： 是把液滴放到固体表面，液滴会立即铺展开来，遮盖
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4.2.1 界面的作用机理 （1）润湿吸附理论 润湿吸附理论是基于液态树脂对纤维表面的浸润亲和， 即物理和化学吸附作用。
高聚物的粘结作用分两个阶段：
第一阶段：高聚物大分子借助于宏观布朗运动从液体或熔 体中，移动到纤维表面，大分子链节逐渐向纤维表面极性 基团靠近；
第二阶段：发生吸附作用。当纤维与聚合物分子间距 <0.5nm，形成各种分子间作用力（吸附产生的根本原 因）。
第4章 聚合物基复合材料的界面
湖北工业大学化环境学院
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第4章 聚合物基复合材料的界面
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 4.5复合材料界面的研究
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4.1界面的基本概念 复合材料是由两种以上异质、异形、 异性的材料复合而成的新型材料。
不同相之间必然存在界面，使基体 和增强体各自独立又相互依存。
界面起着什么样的效应？
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界面效应 界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳
为以下几种效应：
（1）传递效应： 界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递给增
强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。
（2）阻断效应： 基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂纹
扩展、减缓应力集中的作用。
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（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
复合材料的界面是一个多 层结构的过渡区域，约几 个纳米到几个微米。
1、外力场 3、基体表面区 5、增强剂表面区
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2、基体 4、相互渗透区 6、增强剂
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界面特点:
➢非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂
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
➢具有一定厚度的界面相（层），其组成、结构、性能随
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（3）扩散理论 在复合材料组分之间的粘结作用源于原子或分子间 的相互扩散。
（4）静电理论
当复合材料不同组分表面带有异性电荷时，将发生 静电吸引。 仅在原子尺度量级内静电作用力才有效 。
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（5）机械作用理论 当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不平将 发生 机械互锁。
尽管表面积随着粗糙度增大而增大，但其中 有相当多的孔穴，粘稠的液体是无法流入的。无 法流入液体的孔不仅造成界面脱粘的缺陷，而且 也形成了应力集中点。
现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性和 磁场尺寸稳定性等。
（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，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击性 等。
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（5）诱导效应： 一种物质（通常是增强剂）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，如高弹性、低膨 胀性、耐热性和冲击性等。
第二阶段：聚合物的固化过程
聚合物通过物理或化学变化而形成固定的界面层。
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界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响。对 于每一种复合材料都要求有合适的界面结合强度。
界面结合较差的复合材料：
大多呈剪切破坏，且在材料的断面可观察到脱粘、 纤维拔出、纤维应力松弛等现象。1212来自界面结合过强的复合材料：
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每一理论只能部分解释某些现象或某些结果。都 有一定局限性。实际的界面现象复杂的多，需多 方面、多角度加以分析。迄今，未能建立一个统 一的界面响应理论模型。
固体表面，这一现象称为浸润。
Water droplet on a lotus leaf
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液体对固体的浸润能力可用浸润角θ表示：
θ≤90°时，浸润；
θ= 0 ° ，完全浸润；
θ≥ 90°时，不浸润； θ= 180 ° 完全不浸润
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σLV
σSV
σSL
液体浸润角的大小取决于：固体表面张力σSV、液体 表面张力σLV和固液界面张力σSL