复合材料原理第3章

3.3 表面及界面化学基础 3.3.1 表面张力、表面自由能及比表面能
物质表面具有的性质是由于表面分子所处状态与 相内分子所处状态不同所引起的。
物质表面张力可以表达为两种形式：
Wldx
(3.1)
W dA
(3.2)
l为长度，x为位移，A为面积，W为所做的功； γ即为物质的表面张力。
Wldx
W dA
3 复合材料的界面状态解析
复合材料性能的主要影响因素包括三个方面： 1、基体和增强体或功能体的性能； 2、复合材料的结构和成型技术； 3、界面结合状态(物理的和化学的)及由此产生的复合效 应。
这三个方面都可以成为复合材料的薄弱环节； 换言之，复合材料的的性能应是以上三个因素综合效果 的作用结果。
3.1 界面效应 界面的分类：
降低表面能的措施： 1）、通过自动收缩表面积实现； 2）、通过降低比表面能来实现。
(3)随环境条件变化而改变 。
界面层的存在，导致界面效应的发生。林毅把复合 材料的界面效应归结四类：
(1)分割效应：一个连续体被分割成许多区域，分析尺寸 大小、中断强度、分散情况等对基体的力学性能的影响；
(2)不连续效应：在界面上引起的物理性质的不连续性和 界面摩擦出现的现象，如电阻、介电特性、磁性、耐热性、 尺寸稳定性等；
(2)物质的表面张力与它相接触的另一相物质有关。 当与不同性质的物质接触时，表面层分子受到的力场
不同，致使表面张力不同。 (3)表面张力随温度不同而不同，一般温度升高，表面
张力下降。 这是因为温度提高，物质体积膨胀，即分子间距增大，
使分子间作用力变小。
恒温、恒压条件下，任何物质都有自动向自由能 减小的方向移动的趋势，因此，表面能也有自动减小的趋 势。
3 复合材料的界面状态解析
1、了解界面的分类； 2、掌握复合材料的界面层，除了在性能和结构上不同于相 邻两组分相外，还具有的特点； 3、掌握复合材料界面的研究对象； 4、掌握与表面张力有关的因素； 5、掌握吸附按作用力的分类及特点； 6、掌握导致接触角的滞后效应的原因； 7、掌握固体被液体的浸润性； 8、了解界面的相容性与粘接； 9、了解浸润动力学； 10、重点掌握增强体的表面特性及对复合材料界面结合的 影响。
(3)散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等 界面产生的散射和吸收，如 透光性、隔热性、隔音性、耐 冲击性及耐热冲击性等；
(4)感应效应：在界面上产生的感应效应，特别是应变、 内应力和由此出现的现象—高的弹性、低的热膨胀性、耐 冲击性和耐热性等。
3．2 复合材料界面的研究对象 表面处理物质 I
设在恒温、恒压、恒组成条件下，由于表面变化， 环境对体系所做功为W，则体系表面自由能增加值⊿G相应为：
GW (3.3)
比表面积 ＝表面积/体积
比表面积它表示物质的粉碎程度。
设物质的面积增加为⊿A，由式（3.3），则有：
GW
（3.4）
dGdA （3.5）
这样，定义物质单位表面积的自由能σ为比表面自由能。
根据物质的聚集态，可以得到五种类型的界面，即 气-液（g-l）、气-固（g-s）、液-液（l-l）、液-固（ls）、固-固（s-s）界面。
通常的研究中，习惯于把气-液（g-l） 、气-固 （g-s）界面分别称为液相表面、固相表面。
注意： 对于复合材料来说，界面并非是一个理想的几何面。
实验证明： 复合材料中相与相之间的两相交接区是一个具有相
表面张力是物质的一种特性，它是物质内部分子之间相 互作用的一种表现。有关表面张力或界面张力，需要明确以 下三个问题：
(1)表面张力与物质结构、性质有关。 不同物质性质、结构的分子间相互作用力不同，分子
间作用力愈大，相应表面张力也愈大。通常：金属键物质 (金、银等)＞离子键物质(氧化物熔体、熔盐)＞极性分子物 质(水等)＞弱极性物质(丙酮等)＞非极性物质(液H2、液Cl2 等)。
当厚度的界面层，两相的接触会引起多种界面效应，使界面 层的结构和性能不同于它两侧邻近的结构和性质。
图3.1 聚合物复合材料界面示意 （awenku.baidu.com含界面物质； （b）不含界面物质
复合材料的界面层，除了在性能和结构上 不同于相邻两组分相外，还具有如下特点：
(1)具有一定的厚度；
(2)性能在厚度方向上有一定的梯度变化；
(3.1) (3.2)
式（3.1）中，γ可以理解为表征表层分子作用 于单位长度上的收缩力，单位是牛顿每厘米；
而式（3.2）中， γ可以理解为物质单位面积上 的能量，即发生单位面积变化时，外力所需做的功，其单 位可以是焦耳每平方厘米，又称为物质的表面能。
界面上单位长度的力和单位表面积的能量在数学 上是相等的。
增强体 F
表面处理技术
增强体
F 表面 F/I 界面
I 表面 表面处理物质层 I 结构
增强体
F/I 界面
表面处理物质层
复合技术
基体
I/M 界面
基体 M
增强体 基体
F/M 界面
复合材料界面的研究对象： （1）增强体表面有关的问题：
①、增强体表面的化学、物理结构与性能； ②、增强体与表面处理物质界面层的结构与性质及对增 强体表面特性的影响； ③、增强体表面特性与基体之间的相互关系及两者间的 相互作用（增强体未处理时）； ④、增强体与表面处理物质的界面作用； ⑤、增强体表面特性与复合材料特性的相互关系。 （2）表面处理物质的有关问题： ①、最外层的化学、物理结构及内层的化学、物理结构； ②、表面处理物质与基体之间的相互作用； ③、表面处理物质对基体的影响； ④、处理条件及处理剂层的特性； ⑤、处理剂层随时间的变化； ⑥、处理剂层与复合材料性能的相互关系。
（3）表面处理的最优化技术。 （4）粉体材料在基体中的分散：
①、分散状态的评价； ②、分散技术及机理； ③、分散状态与复合材料性能。 （5）复合技术的优化及其机理。
图3.3 材料粘接的破坏形式
作业： 6、复合材料的界面层，除了在性能和结构上不同于相邻 两组分相外，还具有哪些特点； 7、简述复合材料界面的研究对象； 8、简述与表面张力有关的因素。 9、吸附按作用力的性质可分为哪几类？各有什么特点？ 10、利用接触角的知识，讨论固体被液体的浸润性。 11、界面的相容性指什么？如何确定？