材料表界面-第十章PPT优秀课件
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材料表界面华东理工大学PPT课件
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三、表面自由能(surface free energy)
狭义的表面自由能定义：
(G / A) p,T ,nB
狭义表面自由能的定义：保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时， Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能，或简称表面自由能或表面能，用 符号σ表示，单位为J·m-2。
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表面张力
• 在图2-1中，设在F力作用下 金属丝移动dx的距离，则所 做的功为：
dW fdx σ • 2L • dx
(2 2)
• 但2L*dx等于液膜的面积增 量dA,所以:
dW σ • dA
(2-3)
• 将上式形式改写成如下形式：
σ=dW/dA
(2-4)
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1.3表界面研究的重要性
表、界面现象一览表
界面现象
分类
表、
剂）
作为表面活性剂
肥皂和洗涤剂（表面活性
材料制造的产品 活性剂）
乳化剂和稳定剂（非表面
除草剂和杀虫剂
织物软化剂
表界面现象的直接应用 润滑、粘接、泡沫、润湿和
防水
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1.3表界面研究的重要性
• 登月计划失败例 ； • MDF水泥； • 复合材料偶联剂； • 纳米材料；
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表面张力
表面张力示意：
如果在金属线框中间系一线圈，一 (a)
起浸入肥皂液中，然后取出，上面形 成一液膜。
由于以线圈为边界的两边表面张 力大小相等方向相反，所以线圈成任 意形状可在液膜上移动，见(a)图。
(b)
如果刺破线圈中央的液膜，线圈 内侧张力消失，外侧表面张力立即将 线圈绷成一个圆形，见(b)图，清楚 的显示出表面张力的存在。
材料表界面_第十章ppt课件
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二、聚合物基复合材料
2. 环氧树脂
常用的脂肪胺固化剂
• H2NCH2CH2NHCH2CH2NH2 二乙烯三胺
• H2NCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NH2 三乙烯四胺
• H2NCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NH2 四乙烯五胺
• H2N(CH2CH2NH)nCH2CH2NH2 多乙烯多胺
界面对复合材料的性能起着至关重要的作用。复合材料的性 能不是组成材料性能的简单加和，而产生了 1＋1>2 的作用， 称为协同效应。
断裂能大幅提高的原因？
玻璃纤维的断裂能约为10 J／m2， 聚酯的断裂能约为 100 J／m2， 而复合后的玻璃纤维增强塑料的断裂能达105J／m2
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6
一、复合材料概述
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8
一、复合材料概述
复合材料的界面：
图10-3复合材料界面模型
1 纤维本体区 2 纤维表面区 3 界面吸附层 4 基体表面区 5 基体本体区
界面相内的化学组分，分子排列，热性
能，力学性能呈现连续的梯度性变化。
界面相很薄，是亚微观的，却有极其复杂的结构。在两相复合过程中，会出现 热应力（导热系数，膨胀系数的不同），界面化学效应（官能团之间的作用或 反应）和界面结晶效应（成核诱发结晶，横晶），这些效应引起的界面微观结 构和性能特征，对复合材料的宏观性能产生直接的影响。
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17
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ⑥界面结合性差，层间剪切强度低
由于复合材料是由性能遽然不同的两种材料构成，因而界面的相容性和结 合力差，使得复合材料的层间剪切强度、横向强度都不够理想。因此，常常要 对复合材料进行界面改性来提高复合材料的性能。
生物材料的表面与界面材料表界面ppt课件
3.3 生物相容性的研究意义
生物相容性是生物材料极其重要的性能，是区 别于其他材料的标志，是生物医用材料能否安 全使用的关键性能。
控制和改善生物材料的表面性质，是促进材料 表面与生物体间的有利相互作用、抑制不利相 互作用的关键途径。
如何提高材料的生物相容性
？
生物材料的表面工程是一种非常重要的方法！
国内从事生物材料表界面研究的课题组
生物材料的表面改性与功能化；
蛋白质、细胞与材料表面的相互作用；
苏州大学陈红教授课题组
➢Combining surface topography wi生 polymer chemistry: exploring new interfacial biological phenomena. Polym. Chem., 2013, DOI: 10.1039/C3PY00739A ➢Aptamer-Modified Micro/Nanostructured Surfaces: Efficient Capture of Ramos Cells in Serum Environment. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 3816.
第一部分：生物材料表界面学科的诞生
1. 生物材料的概念（Biomaterials):
与生物体相接触的、或移入生物体内起某种取代、 修复活组织，增进或恢复其功能的特殊材料。
2. 生物材料的发展阶段
➢最初：一些临床应用的生物材料并不专门针对医用设计 （实现基本临床功能，也带来了不良的生物反应)
➢20世纪60-70年代：第一代生物材料（惰性生物材料） （物理性能适宜、对宿主反应较小；寿命延长5-25年）
其他领域的表面工 程技术和材料引入 生物材料领域或基 于体内物质的初步 模仿
物理化学及实验褚莹第十章界面现象精品PPT课件
[练习题] 对分散相为球形的物质，证明其体
积比表面为
AV
3 r
9 1
10.1.2 表面自由能和表面张力
对于凝聚相而言，表面层分子与内部分子的受力 情况不同。
图10-1 液体分子的受力情况
在无其它作用的情况下，所有表面层分子都 有力图进入内部的趋势，若扩展液体的表面积， 即把一部分内部分子移至表面，则需要克服拉力 作功，此功将转化为表面分子的势能。可见，表 面分子比内部分子具有更高的能量。
金 属 键 离 子 键 极 性 共 价 键 非 极 性 共 价 键
温度： 压力：
01TTCn
p ,
T ,
10.1.3 界面热力学性质
对于组成不变的均相封闭体系，当有表面功存在时， 热力学基本方程为
d U T d Sp d V γd A d H T d S V d pγd A d F S d T p d V γd A d G S d T V d p γd A
解：设小水滴的数目为N，则
34r13 N 34r23
N
r1 r2
3
1018
Байду номын сангаас
GA A 12dAA2A1
N 4 r 2 2 4 r 1 2 0 .9J14
[思考题] 由此计算结果说明为什么处理固体粉尘
的工厂要防止粉尘爆炸。
10.2 弯曲表面的附加压力和蒸气压
10.2.1 弯曲表面的附加压力
多相分散体系的分散程度用比表面表示：
体积比表面
AV
def
A V
质量比表面
Am def
A m
比表面随着物质分散程度的增大而增大。
例如，边长为立方体，A 6c 2 m 6 1 4 0 m 2 ， AV 600m1 。分散成 10 21 个边长为 1nm3立方 体，A613 0m2，AV 6109m1。
10第十章 材料界面的结合强度与失效
相界面静态接合强度的评价。不论是陶瓷--陶瓷之间还是陶
瓷与金属之间的接合，或是附有中间层的接合，接合体可以 有多种组合形式。因此在实用上，装机试验是最直接的评价 方法。然而，评价形状和接合过程、判断接合方式的优劣等 都把设计收集基础数据作为研究的目的，因此应尽快地将评
价方法标准化。
8
弯曲试样的代表尺寸如图11-1 所示。弯曲试样的尺寸、形状 与IIS-R1601(日本标准)精细陶瓷强度评价时所用试样相同。
2
图10-1为典型的接合界面的破坏表面。接合体是用部分稳定化
Ti-Cu非晶态焊料将氧化锆－软钢接合而成的。
发生破坏形式可概括为： 焊料一氧化错界面的破坏； 氧化错材料内部的破坏； 焊料内部的破坏。 复杂的混合破坏过程
3
氮化硅－Cu缓冲层－软钢接合体的四点弯曲试样断裂面模型 如图10-2所示。其中，破坏主要在界面的边缘部位，特别是在角 部发生，然后再向陶瓷内部迁移。这时因为存在于角部及其附近 区域的应力集中往往导致残余应力过大，使该部位因开裂而破坏 的缘故。
由于复合材料在微观组织上的不均匀性,当萌生的裂纹前 方遇到颗粒密集区时,扩展将发生偏转(如图a所示),偏向颗 粒较少的区域,使裂纹产生“瓶颈”,并沿颗粒富集区与贫 化区的界面向前扩展(如图b所示)。
20
(Al3Zr+Al2O3)/A356复合材料原位拉伸过程中的裂纹扩展长大过程SEM 图 21
通 常 基 体 Al 的 塑 性 变 形 量 大 , 而 Al3Zr 和 Al2O3 硬度高、脆性大 , 难以变形。由于内生颗 粒尺寸细小,因此在变形初期,颗粒能随基体一起 产生协同作用,表现出较大的塑性,产生明显的滑 移带;但变形到一定程度,由于位错塞积和晶界阻 碍,使颗粒的协同运动受阻,因而在颗粒与界面处 产生较大的应力集中。当滑移的切应力大于颗 粒与基体的界面结合力时,则出现颗粒界面脱粘; 当滑移的切应力大于颗粒的剪切强度 ,则出现颗 粒破碎从而在颗粒处形成“孔洞”。“孔洞” 的长大、连接,则形成裂纹,其模型如图7所示。 当载荷进一步加大 , 裂纹将随之长大 , 裂纹的 长大方向具有选择性 ,这是由于制备的复合材料 在微观组织上的不均匀性 ,当裂纹前方为颗粒密 集区或是高应变区时 ,该区域产生的位错强化较 颗粒稀疏区显著,裂纹将会偏转,只有当载荷足够 高,才会通过这一区域,使裂纹扩展或连接。
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性能除与纤维、树脂的种类及含量外，还与纤维的排列方向、铺层次序 和层数有关，因此可以优化设计，做到安全可靠，经济合理。
在制造复合材料的同时，也就得到了制品，可一次成型。这一特点使得 复合材料制品的零部件数目可明显减少，避免了接头过多，降低了应力集中。 同时，也相应减轻了零部件的重量，减少了制造工序和加工量，缩短加工周 期，降低生产成本。
１.３ １.７ ２.１ ５.３
比模量 （108cm）
２.７ ２.６ ２.５ ２.０
碳纤维I／环氧复合材料 １.６ １.０７
２.４
６.７
１５
碳纤维II／环氧复合材料 １.４５ １.５０
１.４
１０.３ ９.７
有机纤维／环氧复合材料 １.４ １.４０
０.８
１0.０
５.７
硼纤维／环氧复合材料 ２.１ １.３８
聚合物基复合材料的一般特性：
① 轻质高强： 一些常用材料及纤维复合材料的比强度和比模量
材料
钢 铝合金 钛合金 玻璃纤维复合材料
密度 拉伸强度 （g/cm3） （GPa）
７.８ １.０３ ２.８ ０.４７ ４.５ ０.９６ ２.０ １.０６
弹性模量 （102GPa）
２.１ ０.７５ １.１４ ０.４
比强度 （106cm）
一、复合材料概述
复合材料的界面：
图10-3复合材料界面模型
1 纤维本体区 2 纤维表面区 3 界面吸附层 4 基体表面区 5 基体本体区
界面相内的化学组分，分子排列，热性
能，力学性能呈现连续的梯度性变化。
界面相很薄，是亚微观的，却有极其复杂的结构。在两相复合过程中，会出现 热应力（导热系数，膨胀系数的不同），界面化学效应（官能团之间的作用或 反应）和界面结晶效应（成核诱发结晶，横晶），这些效应引起的界面微观结 构和性能特征，对复合材料的宏观性能产生直接的影响。
第十章 复合材料的界面
第十章 复合材料的界面
一、复合材料概述 二、聚合物基复合材料 三、玻璃纤维增强塑料界面 四、先进复合材料的界面
一、复合材料概述
复合材料是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺 复合而成的多相材料。
金属材料
取
协
长
复合
同
补
材
作
短
无机
有机
非金属 料 高分子
用
材料
材料
产生原来单一材料本身所没有的新性能
２.１
６.６
１０
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ②电性能好：
电绝缘性、高频介电性能、微波透过性好，适宜于电机仪表零件、雷达罩等。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ③ 耐腐蚀性能好：
耐海水、酸碱、盐和有机溶剂，适宜于化工机械零部件、管道、贮槽、渔船等。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ④ 热性能好：
导热系数低，是优良的绝热材料。耐烧蚀性能能保护飞行器重返大气层免受 2000℃以上的高温、高速气流损害。高性能复合材料可设计成热膨胀系数为 零、能在高低温的交替中保持良好的尺寸稳定性材料。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ⑤ 性能具有可设计性：
一、复合材料概述
复合材料的结构：
纤维增强塑料
基体相
塑料：把纤维粘结在一起，使纤维的强度充分发挥
增强剂相
纤维：分散于塑料，混凝土中的“钢筋”，承担负荷
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
相与相之间存在界面。
一、复合材料概述
复合材料的界面：
界面对复合材料的性能起着至关重要的作用。复合材料的性 能不是组成材料性能的简单加和，而产生了 1＋1>2 的作用， 称为协同效应。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ⑥界面结合性差，层间剪切强度低
由于复合材料是由性能遽然不同的两种材料构成，因而界面的相容性和结 合力差，使得复合材料的层间剪切强度、横向强度都不够理想。因此，常常要 对复合材料进行界面改性来提高复合材料的性能。
聚合物基复合材料也存在一些缺点和问题，如工艺稳定性较差，材料性能 分散性大，耐高温和环境老化性不好等。
一、复合材料概述
复合材料的分类：
按基体材料分类 ① 聚合物基复合材料：热固性和热塑性树脂基 ② 金属基复合材料 ③ 无机非金属基复合材料：陶瓷基，水泥基 其中，应用最广、产量最大的是聚合物基复合材料。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ① 轻质高强 ② 电性能好 ③ 耐腐蚀性能好 ④ 热性能好 ⑤ 性能具有可设计性 ⑥ 界面结合性差，层间剪切强度低
一、复合材料概述
复合材料是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺 复合而成的多相材料。
包括三层意义：
它是一种多相材料，包含两种或两种以上物理上不同并可用机 械方法分离的材料。
它可以在人为控制下以某种工艺将几种分离的不同材料混合在 一起，形成复合材料。
它的性能应优于各单独的组分材料，在某些方面可能具有组分 材料没有的独特性能。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ① 轻质高强：
相对密度低，1.4--2.0之间，约为钢的1/5,铝的1/2，比强度比钢、铝合金高，如高 模量碳纤维/环氧复合材料的比强度为钢的5倍，铝合金的4倍。其比模量是钢、 铝、钛的4倍。是复合材料适宜用作航空、航天材料的宝贵性能。
二、聚合物基复合材料
也正是对复合材料存在的问题的研究解决，推动着 复合材料科学的发展。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的分类：
用于复合材料的聚合物基体有多种分类方法，如按树 脂热行为可分为热塑性及热固性两类。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的分类（基体）： 热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、 聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子， 可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。
断裂能大幅提高的原因？
玻璃纤维的断裂能约为10 J／m2， 聚酯的断裂能约为 100 J／m2， 而复合后的玻璃纤维增强塑料的断裂能达105J／m2
一、复合材料概述
复合材料的界面：
界面是复合材料产生协同效应的根本原因
一、复合材料概述
复合材料的界面：
图10-2复合材料破坏过程中的能量吸收
裂纹在基体中发展，遇到纤维，可 能发生界面脱粘、基体和纤维的断 裂、纤维拔出等过程，吸收了大量 能量。并且裂纹发展未必在一个平 面上，可沿着材料中不同的平面发 生如上的界面脱粘、基体和纤维的 断裂、纤维拔出等过程，直到裂纹 贯穿了某一平面材料才破坏，这就 使得复合材料的断裂能大大高于各 组分材料的断裂能的加和，充分体 现出复合材料的协同效应。
在制造复合材料的同时，也就得到了制品，可一次成型。这一特点使得 复合材料制品的零部件数目可明显减少，避免了接头过多，降低了应力集中。 同时，也相应减轻了零部件的重量，减少了制造工序和加工量，缩短加工周 期，降低生产成本。
１.３ １.７ ２.１ ５.３
比模量 （108cm）
２.７ ２.６ ２.５ ２.０
碳纤维I／环氧复合材料 １.６ １.０７
２.４
６.７
１５
碳纤维II／环氧复合材料 １.４５ １.５０
１.４
１０.３ ９.７
有机纤维／环氧复合材料 １.４ １.４０
０.８
１0.０
５.７
硼纤维／环氧复合材料 ２.１ １.３８
聚合物基复合材料的一般特性：
① 轻质高强： 一些常用材料及纤维复合材料的比强度和比模量
材料
钢 铝合金 钛合金 玻璃纤维复合材料
密度 拉伸强度 （g/cm3） （GPa）
７.８ １.０３ ２.８ ０.４７ ４.５ ０.９６ ２.０ １.０６
弹性模量 （102GPa）
２.１ ０.７５ １.１４ ０.４
比强度 （106cm）
一、复合材料概述
复合材料的界面：
图10-3复合材料界面模型
1 纤维本体区 2 纤维表面区 3 界面吸附层 4 基体表面区 5 基体本体区
界面相内的化学组分，分子排列，热性
能，力学性能呈现连续的梯度性变化。
界面相很薄，是亚微观的，却有极其复杂的结构。在两相复合过程中，会出现 热应力（导热系数，膨胀系数的不同），界面化学效应（官能团之间的作用或 反应）和界面结晶效应（成核诱发结晶，横晶），这些效应引起的界面微观结 构和性能特征，对复合材料的宏观性能产生直接的影响。
第十章 复合材料的界面
第十章 复合材料的界面
一、复合材料概述 二、聚合物基复合材料 三、玻璃纤维增强塑料界面 四、先进复合材料的界面
一、复合材料概述
复合材料是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺 复合而成的多相材料。
金属材料
取
协
长
复合
同
补
材
作
短
无机
有机
非金属 料 高分子
用
材料
材料
产生原来单一材料本身所没有的新性能
２.１
６.６
１０
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ②电性能好：
电绝缘性、高频介电性能、微波透过性好，适宜于电机仪表零件、雷达罩等。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ③ 耐腐蚀性能好：
耐海水、酸碱、盐和有机溶剂，适宜于化工机械零部件、管道、贮槽、渔船等。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ④ 热性能好：
导热系数低，是优良的绝热材料。耐烧蚀性能能保护飞行器重返大气层免受 2000℃以上的高温、高速气流损害。高性能复合材料可设计成热膨胀系数为 零、能在高低温的交替中保持良好的尺寸稳定性材料。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ⑤ 性能具有可设计性：
一、复合材料概述
复合材料的结构：
纤维增强塑料
基体相
塑料：把纤维粘结在一起，使纤维的强度充分发挥
增强剂相
纤维：分散于塑料，混凝土中的“钢筋”，承担负荷
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
相与相之间存在界面。
一、复合材料概述
复合材料的界面：
界面对复合材料的性能起着至关重要的作用。复合材料的性 能不是组成材料性能的简单加和，而产生了 1＋1>2 的作用， 称为协同效应。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ⑥界面结合性差，层间剪切强度低
由于复合材料是由性能遽然不同的两种材料构成，因而界面的相容性和结 合力差，使得复合材料的层间剪切强度、横向强度都不够理想。因此，常常要 对复合材料进行界面改性来提高复合材料的性能。
聚合物基复合材料也存在一些缺点和问题，如工艺稳定性较差，材料性能 分散性大，耐高温和环境老化性不好等。
一、复合材料概述
复合材料的分类：
按基体材料分类 ① 聚合物基复合材料：热固性和热塑性树脂基 ② 金属基复合材料 ③ 无机非金属基复合材料：陶瓷基，水泥基 其中，应用最广、产量最大的是聚合物基复合材料。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ① 轻质高强 ② 电性能好 ③ 耐腐蚀性能好 ④ 热性能好 ⑤ 性能具有可设计性 ⑥ 界面结合性差，层间剪切强度低
一、复合材料概述
复合材料是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺 复合而成的多相材料。
包括三层意义：
它是一种多相材料，包含两种或两种以上物理上不同并可用机 械方法分离的材料。
它可以在人为控制下以某种工艺将几种分离的不同材料混合在 一起，形成复合材料。
它的性能应优于各单独的组分材料，在某些方面可能具有组分 材料没有的独特性能。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ① 轻质高强：
相对密度低，1.4--2.0之间，约为钢的1/5,铝的1/2，比强度比钢、铝合金高，如高 模量碳纤维/环氧复合材料的比强度为钢的5倍，铝合金的4倍。其比模量是钢、 铝、钛的4倍。是复合材料适宜用作航空、航天材料的宝贵性能。
二、聚合物基复合材料
也正是对复合材料存在的问题的研究解决，推动着 复合材料科学的发展。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的分类：
用于复合材料的聚合物基体有多种分类方法，如按树 脂热行为可分为热塑性及热固性两类。
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的分类（基体）： 热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、 聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子， 可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。
断裂能大幅提高的原因？
玻璃纤维的断裂能约为10 J／m2， 聚酯的断裂能约为 100 J／m2， 而复合后的玻璃纤维增强塑料的断裂能达105J／m2
一、复合材料概述
复合材料的界面：
界面是复合材料产生协同效应的根本原因
一、复合材料概述
复合材料的界面：
图10-2复合材料破坏过程中的能量吸收
裂纹在基体中发展，遇到纤维，可 能发生界面脱粘、基体和纤维的断 裂、纤维拔出等过程，吸收了大量 能量。并且裂纹发展未必在一个平 面上，可沿着材料中不同的平面发 生如上的界面脱粘、基体和纤维的 断裂、纤维拔出等过程，直到裂纹 贯穿了某一平面材料才破坏，这就 使得复合材料的断裂能大大高于各 组分材料的断裂能的加和，充分体 现出复合材料的协同效应。