聚合物基复合材料复合材料的界面控制 [兼容模式]
聚合物复合材料的界面强度与性能优化探讨
聚合物复合材料的界面强度与性能优化探讨在当今的材料科学领域，聚合物复合材料因其出色的性能和广泛的应用前景而备受关注。
这些材料通常由聚合物基体和增强相组成，通过巧妙的设计和制备，可以实现性能的优化和特定功能的赋予。
然而，在聚合物复合材料的性能优化中，界面强度的理解和调控起着至关重要的作用。
聚合物复合材料中的界面是指聚合物基体与增强相之间的过渡区域。
这个区域虽然在尺寸上相对较小，但对材料的整体性能却有着巨大的影响。
界面强度不足可能导致增强相与基体之间的结合不牢固，在受力时容易发生脱粘、开裂等失效行为，从而严重削弱材料的力学性能。
相反，良好的界面强度能够有效地传递应力，使增强相充分发挥其增强作用，提高材料的强度、刚度和韧性。
影响聚合物复合材料界面强度的因素众多。
首先，界面的化学相容性是一个关键因素。
如果聚合物基体和增强相之间的化学性质差异较大，相互之间的亲和力较弱，就难以形成牢固的界面结合。
例如，当使用无机纤维作为增强相时，由于其表面通常富含羟基等极性基团，而大多数聚合物是非极性的，这就导致了界面相容性的问题。
为了解决这一问题，常常需要对增强相进行表面处理，引入能够与聚合物基体相互作用的官能团，如硅烷偶联剂处理就是一种常见的方法。
界面的物理相互作用也对界面强度有着重要影响。
这种物理相互作用包括范德华力、氢键等。
增强相的表面粗糙度和孔隙率会影响界面的物理接触面积和紧密程度，进而影响物理相互作用的大小。
一般来说，适当增加增强相的表面粗糙度可以提高界面的机械嵌合作用，增强界面强度。
但过度粗糙的表面可能会引入缺陷，反而不利于界面性能。
此外，制备工艺条件也会显著影响聚合物复合材料的界面强度。
在复合材料的制备过程中，温度、压力、成型时间等参数都会对界面的形成和发展产生影响。
例如，在热压成型过程中，温度过高可能导致聚合物基体的降解，温度过低则可能无法实现良好的界面浸润和结合。
压力的大小和施加方式也会影响界面处的孔隙排除和应力分布。
复合材料第3章----复合材料的界面
目前，在增强材料表面涂覆中比较成功的主要有，硼纤维采用
化学气相沉积(CVD)涂覆碳化硅，主要用于Bf／Al复合材料；硼纤 维CVD法涂覆B4C用于Bf／Ti复合材料以及碳纤维CVD法涂覆Ti-B，主 要用于Cf／Al基复合材料。
(2)化学因素
界面反应是影响具有第Ⅲ类界面的复合材料界面稳定性的化学因
素。界面化学反应形成的大量脆性化合物，会削弱增强材料的增强 作用，尤其是在高温使用条件下，这种界面反应的不稳定性会造成 复合材料的脆性破坏。
金属基复合材料的界面化学反应包括有: （a）连续界面反应
金属基复合材料在热处理以及在使用时经历不同的热过程中， 界面反应可连续进行。影响界面反应的因素主要是温度与时间：
3）反应结合………产生类型Ⅲ界面
定义：基体与纤维间发生化学反应，在界面上形成一种新的化合物而产生的结合
。 称为反应结合。这是一种最复杂、最重要的结合方式
反应结合的本质： 能够发生反应的两种元素或化合物，通过相互接触和相互扩散发生某种化学反 应。随反应程度的增加，界面结合强度也增大，但由于界面反应产物多为脆性 物质，所以当界面层达到一定厚度时，界面上的残余应力可使界面破坏，反而 降低界面结合强度。要实现良好的反应结合，必须选择最佳的制造工艺参数(温 度、压力、时间、气氛等)来控制界面反应的程度。
（1）物理因素
界面的溶解与析出是影响金属基复合材料第Ⅱ类界面稳定性的物理因素。当
增强材料表面溶入基体中，必然会损伤纤维，降低增强材料的增强作用，结果会 降低复合材料的强度。
有的复合材料还会出现先溶解后又析出的现象。这种析出使增强材料的表层 聚集形态和结构发生变化, 严重损伤了纤维，使其强度严重下降。
《聚合物基复合材料》ppt课件
c、水热合成法
是在高温、高压反响环境中，采用水作为 反响介质，使得通常难溶或不溶的物质 溶解、反响，还可进展结晶操作。
d 、 溶胶-凝胶(Sol-Gel)法的根本过程是: 一些易水解的金属化合物(无机盐或金属醇 盐)在某些溶剂中与水发生反响,经过水解与 缩聚过程,首先生成溶胶，再生成具有网状 构造的凝胶，然后经过枯燥、烧结等后处 置工序，制成所需资料。例如，
改性方法
离子交换法 硅烷偶联剂法 冠醚改性法 单体或活性有机物插层法
高分子/层状硅酸盐纳米复合资 料的制备方法
➢插层复合法是制备高分子/层状硅酸盐纳米复合资料的 方法，即将单体或聚合物插入层状硅酸盐片层之间，进 而破坏硅酸盐的片层构造，使其剥离成层状根本单元， 并均匀分散在聚合物基体中，实现高分子与层状硅酸盐 在纳米尺度上的复合。 ➢一些常见的层状硅酸盐 ：
(1) 小尺寸效应：当颗粒尺寸减小到纳米量 级时，一定条件下导致资料宏观物理、化学性 质发生变化。
由于比外表积大大添加，使纳米资料具有 极强的吸附才干。如光吸收显著加强；纳米陶 瓷可以被弯曲，其塑性变形可达100%；纳米微 粒的熔点低于块状金属，如块状金熔点为1337K， 而2nm的金微粒的熔点只需600K。
纳米微粒的外表修饰
由于纳米资料粒径小，大部分原子暴露在微粒外 表，因此外表能极大，非常容易聚会在一同，这 就为制造纳米微粒资料带来很大困难。
在制备纳米高分子复合资料时，需对纳米资料的 外表进展改性，目的是降低粒子的外表能态，消 除粒子的外表电荷，提高纳米粒子与有机相的亲 合力，减弱纳米粒子的外表特性。
的纳米粉
c、喷雾法
经过将含有制备资料的溶液雾化以制备 微粒的方法。
d 、冷冻枯燥法
首先制备金属盐的水溶液，然后将溶液 冻结，在高真空下使水分升华，原来溶 解的溶质来不及凝聚，那么可以得到枯 燥的纳米粉体。
聚合物复合材料的界面强度分析
聚合物复合材料的界面强度分析聚合物复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法组合而成的多相材料。
其中，聚合物基体和增强相之间的界面区域对于材料的整体性能起着至关重要的作用。
界面强度的大小直接影响着复合材料的力学性能、热性能、电性能等诸多方面。
因此，对聚合物复合材料界面强度的深入分析具有重要的理论和实际意义。
聚合物复合材料的界面是一个复杂的区域，其结构和性能与基体和增强相均有所不同。
在界面区域，由于两种材料的化学组成、物理结构和性能的差异，会产生一系列的物理和化学相互作用，如化学键合、范德华力、氢键、机械嵌合等。
这些相互作用共同决定了界面的强度。
影响聚合物复合材料界面强度的因素众多。
首先，基体和增强相的化学性质是关键因素之一。
如果两者的化学结构相似，能够形成较强的化学键合，如共价键或离子键，那么界面强度通常会较高。
反之，如果化学性质差异较大，难以形成有效的化学键合，界面强度则可能较低。
其次，界面的物理结构也对强度产生重要影响。
例如，界面的粗糙度、孔隙率等都会改变界面的接触面积和应力分布，从而影响界面强度。
较粗糙的界面可能会增加机械嵌合作用，提高界面强度；而过多的孔隙则可能成为应力集中点，降低界面强度。
再者，制备工艺条件也在很大程度上决定了界面强度。
复合材料的制备过程，如成型温度、压力、时间等，都会影响基体和增强相之间的相互扩散和化学反应，进而影响界面的结合情况。
为了准确评估聚合物复合材料的界面强度，研究人员开发了多种测试方法。
其中，单纤维拔出试验是一种常用的方法。
在该试验中，将一根纤维埋入基体中，然后施加外力将纤维拔出，通过测量拔出力和纤维的埋入长度等参数，可以计算出界面的剪切强度。
此外，还有微脱粘试验、短梁剪切试验等方法。
微脱粘试验通过施加微小的力使纤维与基体局部脱粘，从而测量界面的粘结强度；短梁剪切试验则是对复合材料的短梁进行剪切加载，通过分析破坏模式和强度来间接评估界面强度。
(医学课件)聚合物基复合材料PPT演示课件
由羟基酸出发进行的聚酯反应同二元酸与二元醇的线型缩 聚反应相同。 不饱和聚酯链中由于有不饱和双键，因此可以在加热、光 照、高能幅射或引发剂的作用下与交联单体共聚，交联固化 成具有三维网络的体型结构。 .
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聚合物基体材料
按纤维形态 纤维增强 按铺层方式 连续纤维 不连续纤维 单向 角铺层 织物 三维 玻璃纤维 碳纤维 芳纶纤维 超高分子量聚乙烯纤维等 长纤维（毡） 短切纤维
聚 合 物 基 复 合 材 料
按纤维种类
晶须增强 层片增强 粒子增强
碳化硅晶须、氧化铝晶须等 云母、玻璃、金属等 . 氧化铝、碳化硅、石墨、金属等
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聚合物基体材料
聚合物材料的介绍
热固性树脂 在初受热时变软，可以塑性加工成一定的形状，随着加热的 进行或固化剂的加入，会逐渐成凝胶或固化成型。再加热不会 软化，不溶、不熔。 其高分子聚合物属于三维体型网状结构。 常用热固性树脂：环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等。 热塑性树脂 加热到一定温度可软化甚至流动，可塑性加工成各种形状。 冷却后变硬，再加热可软化。 其高分子聚合物属于线型或支链型分子结构。 常用的热塑性树脂：聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺（尼龙）、 . 9 聚碳酸脂等。
聚合物基体材料
不饱和聚酯树脂 ( UP)
不饱和聚脂树脂为低粘度液体，可在室温下固化，成型工艺 简单，适合于大型异形部件的制造。 不饱和聚脂树脂在固化程中 可分为三个阶段： 1 凝胶：失去流动性形成半固态凝胶。 2 定型：从凝胶到具有一定硬度和固定的形状。 3 熟化：要使其达到最好的力学和化学性能，还要在高温 加热几小时或在室温中放置几周。 不饱和聚脂树脂的固化采用引发剂。其优点为： 1 可以有效地控制反应速度。 2 最终固化可趋于完全，固化后树脂性能稳定。 3 在配以适当的促进剂后，可以满足各种固化工艺的要求。 引发剂：能使单体分子或含双键的线型高分子活化而成为 游离基并进行连锁聚合反应的物质。 . 20
复合材料的界面
⑤叠氮型硅烷偶联剂
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偶联剂的品种及其应用范围 偶联剂能有效地提高玻璃纤维与树脂基体的粘结强度，
所以，国内外都进行了大量的研究工作。目前国内生产的 常用偶联剂有沃兰、A—151、KH—550、KH—560、 ND—42、B—201、B—202等。经每种偶联剂处理后的 玻璃纤维，都有自己相应的树脂基体适用范围。 Eg: 1)、KH—570对不饱和聚配树脂处理效果最好； 2）、A—151、A—172对1，2－聚丁二烯树脂和丁苯树 脂最有效； 3）、KH—560对环氧树脂最好； 4）、KH—550对酚醛树脂、聚酰亚胺效果最好； 5）、沃兰处理的玻璃纤维对大部分树脂都有较好效果， 且价格便宜，是一种最常用的偶联剂。
35
碳纤维表面经氧、氯、氨、烯烃、炔烃等各种气体等离子 体处理后，其物化性能发生显著变化，最重要的有如下几方 面。
①表面浸润性的变化 碳纤维表面经等离子体处理后，其被浸润速度和浸润吸附 量均有显著增加。 ②强度和直径的变化 实质上等离子体处理是对纤维表面作了蚀刻，碳纤维强度 和直径都会受影响 ③表面组成的变化 有机等离子体一般由有机气体自由基组成，在碳纤维表面 形成聚合层。
饱和双键的反应为例：
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新品种硅烷偶联剂 硅烷偶联剂是偶联剂中最重要的一大类型，除了目前已广泛 应用的几十种外，近来又开发了许多新的品种，下面介绍主 要的几个品种。 ①耐高温型硅烷偶联剂
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②过氧化物型硅烷偶联剂 特点：一是偶联作用的获得是通过过氧化物热裂解，
而不是通过烷氧基团的水解；二是偶联作用不局限于玻 璃纤维增强塑料，而是适用于一大类相似或不相似物质 之间的偶联。
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(1)表面浸涂有机化合物 将碳纤维像纺织中的浆纱一样，使与含有反应性端
聚合物基复合材料
PLS
PLS
插层聚合
缩聚
加聚
聚合物 溶液分散
聚合物 熔融分散
聚合物/层状硅酸盐纳米复合物的结构和分类
从材料微观形态的角度，可以分成三种类型：
材料中粘土片层紧密堆积，分散相为大尺寸的颗粒状，粘土片层之间并无聚合物插入。
聚合物基体的分子链插层进入层状硅酸盐层间，层间距扩大，介于1-4nm，粘土颗粒在聚合物基体中保持“近程有序，远程无序”的层状堆积结构。可作为各向异性的功能材料
对相同尺寸和形状的梁进行振动试验的结果表明,对同一振动,轻合金梁需要9秒钟才能停止,而碳纤维复合材料梁只需2～3秒。
过载安全性
聚合物基复合材料的特性
在纤维复合材料中，由于有大量独立的纤维，在每平方厘米面积上的纤维数少至几千根，多达数万根。当过载时复合材料中即使有少量纤维断裂时，载荷就会迅速重新分配到未被破坏的纤维上，不至于造成构件在瞬间完全丧失承载能力而断裂，仍能安全使用一段时间。
．酚醛玻璃钢 耐热性最好, <350℃长期使用，短期可达1000℃；电学性能好，耐烧蚀材料，耐电弧。性脆，尺寸不稳定，收缩率大，对皮肤有刺激作用。
玻璃钢采光板
玻璃钢汽车保险杠
玻璃钢型材
透光型玻璃钢
体育馆采光
赛艇、帆船壳体
2、GF增强热塑性塑料 (FR-TP) 特点：
车用立体声音响喇叭
纳米材料是指含有纳米结构的材料。尺度为1nm-100nm范围内的物质即为纳米物质。
Why nano? Why nanocomposite?
01
从界面角度:
是两相在纳米尺寸范围内复合而成,界面间具有很强的相互作用，产生理想的粘接性能.
从增强体角度:强度大，模量高
哈工大黄玉东教授丨先进聚合物基复合材料界面研究
哈工大黄玉东教授丨先进聚合物基复合材料界面研究关于先进聚合物基复合材料先进聚合物基复合材料以其高比强、高比模、耐腐蚀、耐辐照、抗疲劳性能好、性能可设计性强、便于整体成形，以及综合性能优异等特点而在航空、航天、兵器、舰船和电子等领域获得广泛应用。
复合材料界面碳纤维复合材料表面图片来源网络界面作为复合材料特有的组成部分，对复合材料的性能起着重要作用，诸多材料科学问题的解决都依赖于对界面认识的进一步深化。
聚合物基复合材料界面性能对复合材料整体的性能影响大，复合材料的韧性、耐热性、压缩等性能都与界面性能相关。
为改善复合材料性能，必须了解复合材料的界面并进一步考虑界面性能的设计和控制。
复合材料结构的界面层次界面是决定复合材料性能的关键因素，是复合材料研究领域的焦点问题。
复合材料结构涉及的三个界面层次：纤维/树脂微观界面、复合材料层间界面、异质材料的宏观界面粘接。
纤维/树脂微观界面纤维树脂基复合材料中界面微观结构和性质对材料的宏观性能起着关键性作用。
尽管界面在纤维增强树脂基复合材料中的质量分数不足1%，但作为增强纤维与基体连接的“纽带”，对复合材料的物理、化学及力学性能有着至关重要的影响，故往往可以通过宏观、细观或微观层次上的设计，来优化复合材料性能，在这一过程中，关键点是复合材料内部两相之间的界面结合问题。
研究表明，界面对复合材料的影响主要通过调节界面的组成、结构和分布来实现。
然而，由于复合材料界面的微观区域和复杂结构，以及实验方法和技术手段的限制，纤维在蚀刻处理中产生的表面腐蚀对界面结合影响的机理，还有待研究。
因此，对复合材料界面调控和作用机理表征方法的探索，一直是复合材料界面研究领域的难点和热点。
为了能够准确地测试纤维树脂间的界面粘结力，表征纤维与树脂之间界面剪切应力传递效率，人们一直试图找到一种方法能够真实全面反映界面性能，以及纤维断裂、界面脱粘、树脂横向断裂等因素对界面性能的影响。
复合材料层间界面复合材料压层结构已经在航空航天等工业领域得到广泛应用，层间界面是其主要微结构特征。
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料聚合物基复合材料摘要：本文主要研究的是聚合物基复合材料的制备、性能、和应用。
聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组成的复合材料。
它有许多突出的性能：比强度大、比模量大；耐疲劳性能好；减振性好；过载时安全性好等。
聚合物基复合材料的结构和性能存在广泛的灵活关系，通过不同的工艺控制，可以形成不同的结构形态，从而获得目标性能。
关键词：聚合物基复合材料制备性能应用1、聚合物基复合材料的制备1.1.聚合物复合材料概述及其制备流程聚合物基复合材料（PMC）是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。
聚合物基体材料虽然强度低，但由于其粘接性能好，能把纤维牢固地粘接起来，同时还能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。
而纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。
纤维和基体之间的良好的结合充分展示各自的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。
实用PMC通常按两种方式分类。
一种以基体性质不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料；另一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。
1.2.基体及其制备：基体是聚合物基复合材料的主要成分。
用于复合材料的聚合物基体主要按树脂热行为可分为热固性及热塑性两类。
热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砚、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比。
热固性基体如环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等，它们在制成最终产品前，通常为分于量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子。
1.2.1热固性聚合物的制备热固性树脂是指在加热、加压下或在固化剂、紫外线作用下。
进行化学反应，交联固化成为不溶物质的一大类合成树脂。
这种树脂在固化前一般为分子量不高的固体或粘稠液体；在成型过程中能软化或流动，具有可塑性，可制成一定形状，同时有发生化学反应而交联固化；有事放出一些副产物，如水等。
第6章 聚合物复合材料的界面
重要性： 重要性： 第 6 章 复 合 材 料 的 界 面
1. 界面所占面积多： 界面所占面积多： 玻璃钢制品中30%纤维含量的制品与50%纤维含量制 玻璃钢制品中30%纤维含量的制品与50%纤维含量制 30%纤维含量的制品与50% 品的界面数量明显不同 2. 力的传递
基体与纤维之间连接桥梁， 基体与纤维之间连接桥梁，纤维与基体之间的应力 传递作用 3. 影响性能－ 影响性能－增韧
提高浸润性的手段
第 6 章 复 合 材 料 的 界 面
界面设计基本原则：改善浸润性，提高界面的粘接强度。 界面设计基本原则：改善浸润性，提高界面的粘接强度。 提高PMC界面粘接强度的措施： 界面粘接强度的措施： 提高 界面粘接强度的措施 （1）使用偶联剂 ） 偶联剂：也称活性浸润剂， 偶联剂：也称活性浸润剂，它既与增强用玻璃纤维表面 形成化学键， 形成化学键，又与基体具有良好的相容性或与基体反应的化 学试剂。 学试剂。 常用的偶联剂：有机硅、有机铬、钛酸酯等。 常用的偶联剂：有机硅、有机铬、钛酸酯等。 有机硅偶联剂的结构通式为： 有机硅偶联剂的结构通式为：R-Si-(OR`)3
6.2 高聚物复合材料界面的形成及作用机理
第 6 章 复 合 材 料 的 界 面
3、机械结合： 当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不 机械结合： 当两个表面相互接触后， 平将发生机械互锁。 平将发生机械互锁。 另一方面，尽管表面积随着粗糙度增大而增大， 另一方面，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。 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 法流入液体的孔不仅造成界面脱粘的缺陷， 成了应力集中点。 成了应力集中点。
复合材料性能
4 复合材料的界面理论和界面控制2011
0 30 60 90 时间（min)
Zr
Cr 120
图4-6 润湿角的降低与 所加元素和熔化时间 的关系
国防科学技术大学航天与材料工程学院
高性能复合材料学
改变温度
一般，提高温度可使润湿角减小。
◆ 如C/Al系，在1050℃时，才小于90º。但是,在此
高温下，会产生：
•基体严重过热，铝氧化； •C与Al发生化学反应在界面生成Al4C3,使界面脆化。导致复合 材料低应力断裂。
（wettability)概念来研究纤维f与基体m之间的紧
密接触。即f-m之间的紧密接触取决于液体m是否
润湿纤维f。
液体
（基体）
m
固体 （纤维）f
图4-5 粗糙界面时纤维与基体的接触
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高性能复合材料学
4.1.2 润湿与结合
4.1.2.1 润湿性 4.1.2.2 润湿性与结合概念的区别
• 相容性包括：
物理相容性
化学相容性
力学相容性
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高性能复合材料学
4.1.3.1 界面的物理相容性 （physical compatibility）
物理相容性主要指： （1）纤维与基体间的润湿性 • 基体对纤维润湿不好时，界面结合太弱，使其传递
载荷的功能不能充分发挥。 （2）热残余应力 • 在制造过程，由于组元之间热膨胀系数不匹配引起
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高性能复合材料学
4.1.1.2 原子配位的概念
• 上述大多数物理、化学或力学的不连续性都能够 自释，而原子配位的概念还需要进一步详细说明。
• 根据界面处原子配位的类型，可以将界面分为： 共格界面 半共格界面 非共格界面
复合材料学 第四章 复合材料的界面.
于复合材料的破坏形式随作用力的类型、原 材料结构组成不同而异，故破坏可开始在树 脂基体或增强剂，也可开始在界面。有人通 过力学分析指出，界面性能较差的材料大多 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。但界面间 粘结过强的材料呈脆性也降低了材料的复合 性能。界面最佳态的衡量是当受力发生开裂 时，这一裂纹能转为区域化而不产生进一步 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。由此可见，在研究和设计 界面时， 不应只追求界面粘结而应考虑到最
第四章 复合材料的界面
4.1 概 述 复合材料的界面是指基体与增强物之间化 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。界面虽然很小， 但它是有尺寸的，约几个纳米到几个微米， 是一个区域或一个带、或一层，厚度不均匀， 它包含了基体和增强物的部分原始接触面、 基体与增强物相互作用生成的反应产物、此 产物与基体及增强物的接触面，基体和增强 物的互扩散层，增强物上的表面涂层、基体 和增强物上的氧化物及它们的反应产物等。
基体的表面薄层构成的，基体表面层的厚度 约为增强纤维的数十倍，它在界面层中所占 的比例对复合材料的力学性能有很大影响。 对于玻璃纤维复合材料，界面层还包括偶联 剂生成的偶联化合物。增强纤维与基体表面 之间的距离受化学结合力、原子基团大小、 界面固化后收缩等方面因素影响。 2. 界面作用机理 界面层使纤维与基体形成一个整体，并通 过它传递应力，若纤维与基体之间的相容性 不好，界面不完整，则应力的传递面仅为纤 维总面积的一部分。 因此，为使复合材料内
界面虽然很小但它是有尺寸的约几个纳米到几个微米是一个区域或一个带或一层厚度不均匀它包含了基体和增强物的部分原始接触面基体与增强物相互作用生成的反应产物此产物与基体及增强物的接触面基体和增强物的互扩散层增强物上的表面涂层基体和增强物上的氧化物及它们的反应产物等
聚合物复合材料的界面相互作用
聚合物复合材料的界面相互作用在材料科学的领域中，聚合物复合材料因其出色的性能和广泛的应用而备受关注。
而在这些复合材料中，界面相互作用起着至关重要的作用，它就像是一座桥梁，连接着不同的组成部分，决定着材料的整体性能。
要理解聚合物复合材料的界面相互作用，首先得明白什么是聚合物复合材料。
简单来说，它是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法组合在一起的材料，其中至少有一种是聚合物。
常见的有纤维增强聚合物复合材料，比如碳纤维增强环氧树脂；还有颗粒填充聚合物复合材料，像碳酸钙填充聚丙烯。
那界面相互作用到底是什么呢？想象一下，把两种材料拼在一起，如果它们之间只是简单地接触，没有任何相互的“交流”和“结合”，那这种组合肯定是脆弱的，性能也不会理想。
而界面相互作用就是在这两种材料的接触面发生的一系列物理和化学过程，让它们能够紧密结合，协同工作。
界面相互作用的类型多种多样。
其中，物理相互作用包括范德华力、氢键等。
范德华力虽然相对较弱，但在界面结合中也能发挥一定的作用。
氢键则相对较强，能够提供一定程度的连接强度。
化学相互作用就更为重要了，比如共价键、离子键等。
共价键的形成能极大地增强界面的结合强度，使复合材料在使用过程中更加稳定可靠。
界面相互作用对聚合物复合材料的性能影响巨大。
从力学性能方面来看，良好的界面相互作用能够有效地传递应力。
当复合材料受到外力时，力能够通过界面从一种材料传递到另一种材料，从而充分发挥每种材料的优势，提高整体的强度和韧性。
如果界面结合不好，就容易出现应力集中，导致材料过早失效。
在热性能方面，界面相互作用也起着关键作用。
它可以影响复合材料的热传导和热稳定性。
一个紧密结合的界面能够促进热量的均匀传递，避免局部过热或过冷，从而提高材料在高温或低温环境下的使用性能。
电性能同样受到界面相互作用的调控。
比如在导电聚合物复合材料中，界面的性质会影响电荷的传输和分布，进而影响材料的导电性能。
为了实现良好的界面相互作用，科学家和工程师们采取了各种各样的方法。
高性能聚合物基复合材料的制备与性能调控
高性能聚合物基复合材料的制备与性能调控聚合物基复合材料是由聚合物基体和填料相互作用形成的新型材料。
它具有重量轻、强度高、耐腐蚀、热稳定性好等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑材料等领域。
本文将讨论高性能聚合物基复合材料的制备方法以及如何通过性能调控来提高材料的综合性能。
一、制备方法1.浸涂法：该方法常用于纤维增强复合材料的制备。
首先，将预先处理的纤维浸入聚合物基体中，待基体固化后，形成复合材料。
这种方法制备的材料具有良好的界面结合性能和强度。
2.热塑性复合法：该方法适用于高分子材料的制备。
首先，将填料与聚合物基体混合均匀，然后通过热塑性加工方法，如挤出、注塑等，使复合材料成型。
相比于其他方法，热塑性复合法制备的材料可以实现大规模、高效率的生产。
3.原位聚合法：该方法通过在填料表面进行原位聚合反应来实现聚合物基复合材料的制备。
首先，在填料表面引发聚合反应，形成聚合物基体，然后通过加热或其他处理方式，使基体与填料形成强烈的物理结合。
这种方法制备的材料具有良好的亲和力和增强效果。
二、性能调控1.界面改性：填料与聚合物基体的界面性能直接影响复合材料的综合性能。
通过表面处理、增加界面黏合剂等方式，可以增强界面粘结力，提高复合材料的强度和耐热性能。
2.填料选择：不同填料对复合材料的性能有着不同的影响。
例如，炭纤维填料可以增强材料的强度和刚度，而纳米颗粒填料可以提高材料的硬度和耐磨性能。
因此，在制备复合材料时，根据所需性能选择合适的填料对于提高材料性能至关重要。
3.添加剂调控：通过添加适量的增韧剂、抗氧化剂、阻燃剂等，可以改善聚合物基复合材料的力学性能、耐热性能和阻燃性能。
这种方法在航空航天等领域得到了广泛应用。
4.多组分共混：将两种或多种不同的聚合物基体以及不同的填料进行共混，可以得到具有优秀综合性能的复合材料。
多组分共混方法可以改善材料的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能等，提高材料的适用范围。
综上所述，高性能聚合物基复合材料的制备与性能调控是一个复杂而关键的过程。
第4章聚合物基复合材料界面
从式（4－1）可知，改变研究体系 的表面张力σ，就能改变接触角θ，即 改变系统的润湿情况。固体表面的润湿 性能与其结构有关，改变固体的表面状 态，即改变其表面张力，就可以达到改 变润湿情况的目的，如对增强纤维进行 表面处理，就可改变纤维与基体材料间 的润湿情况
15
第二阶段：
液态（或粘流态）组分的固化过程，即凝固或化学反应。 固化阶段受第一阶段影响，同时它也直接决定着所形成的 界面层的结构。
26
增强材料经处理剂处理后，能减缓上述几种应力的 作用，因此一些研究者对界面的形成及其作用提出了 几种理论。 一种理论认为，处理剂在界面形成了一层塑性 层，它能松弛界面的应力，减小界面应力的作用，这 种理论称为“变形层理论”； 另一种理论认为，处理剂是界面的组成部分，这 部分是介于高模量增强材料和低模量基体材料之间的 中等模量物质，能起到均匀传递应力，从而减弱界面 应力的作用，这种理论称为“抑制层理论”。 还有一种理论称为“减弱界面局部应力作用理论”， 观点比较新，现在将这种理论介绍如下:
使纤维和基体形成一个整体，通过它传递应 力。如果纤维表面没有应力，而且全部表面都形 成了界面，则界面区传递应力是均匀的。实践证 明，应力是通过基体与纤维间的粘合键传递的。 若基体与纤维间的湿润性不好，胶接面不完全， 那么应力的传递面积仅为纤维面积的一部分，所 以为使复合材料内部能均匀传递应力，显示出优 良的性能，要求复合材料的制备过程中形成一个 完整的界面区。
21
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.)
1949年提出化学键理论。 该理论的主要观点是：偶联剂分子应至少含有两种官能团， 第一种官能团在理论上可与增强材料起化学反应，第二种官 能团在理论上应能参与树脂的固化反应，与树脂分子链形成 化学键结合，于是，偶联剂分子像“桥”一样，将增强材料 与基体通过共价键牢固地连接在一起了。 例如，使用甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、乙基三氯硅 烷和乙烯基烷氧基硅烷及二烯丙基烷氧基硅烷于不饱和聚酯 /玻璃纤维体系中。结果表明含不饱和基硅烷的制品强度比 饱和基的高出几乎2倍，显著地改善了树脂/玻璃纤维两相间 的界面黏结。
聚合物基复合材料(PMC)
05
PMC的制造设备与工具
预处理设备
混合设备
用于将各种组分（如树脂、填料、增强材料等） 混合均匀，形成预浸料或浆料。
切割和裁剪设备
用于将纤维材料切割成所需的尺寸和形状，以便 与树脂进行混合。
清洁和干燥设备
用于确保所有原材料在使用前都已清洁并干燥。
复合设备
热压成型机
用于将预浸料或浆料在高温和压力下固化，形成复合材料部件。
切割与加工
根据需要，对复合材料进行切割、 打磨、钻孔等加工，以满足实际应 用需求。
质量检测
对复合材料进行外观、尺寸、性能 等方面的检测，确保其符合设计要 求。
03
PMC的性能与优化
力学性能
1 2 3
高强度和刚度
聚合物基复合材料具有较高的抗拉、抗压和抗弯 强度，以及良好的刚性，能够满足各种复杂应力 条件下的应用需求。
复合工艺
层叠铺放
根据设计要求，将预浸料 层叠铺放在模具或制件上。
热压成型
在一定温度和压力下，使 预浸料熔融流动并均匀填 充模具或制件，形成致密 的复合材料。
固化
使聚合物基体在一定温度 和压力下进行固化反应， 形成稳定的复合材料。
后处理工艺
冷却
将热压成型的复合材料缓慢冷却 至室温，防止材料内部产生应力。
聚合物基复合材料 (PMC)
• PMC的概述 • PMC的制造工艺 • PMC的性能与优化 • PMC的设计与选材 • PMC的制造设备与工具 • PMC的市场与发展前景
目录
01
PMC的概述
PMC的定义与特性
定义
聚合物基复合材料（PMC）是由两种或两种以上材料组成的一种复合 材料，其中一种材料为聚合物基体，其他材料为增强剂或填料。
复合材料界面调控的策略
复合材料界面调控的策略复合材料是由两种或多种不同材料组合而成的材料，具有优异的性能和广泛的应用领域。
而复合材料的性能很大程度上取决于其界面的调控。
界面调控是指通过改变复合材料中不同材料之间的相互作用，从而调控复合材料的性能和结构。
本文将从几个方面介绍复合材料界面调控的策略。
第一，界面化学调控。
界面化学调控是通过调整不同材料之间的化学相互作用来改变界面性能。
例如，可以通过表面修饰剂、交联剂等手段改变界面的亲水性或疏水性，从而调控复合材料的表面性能。
此外，通过在界面上引入功能分子或添加剂，可以实现复合材料的特殊功能，如抗菌、阻燃等。
第二，界面结构调控。
界面结构调控是通过调整不同材料之间的结构特征来改变界面性能。
例如，通过控制复合材料中纤维的排列方式、层间距离等参数，可以调控复合材料的力学性能。
此外，通过界面结构调控还可以实现复合材料的多功能化，如光学、电子等性能的调控。
第三，界面能量调控。
界面能量调控是通过调整不同材料之间的能量差异来改变界面性能。
例如，可以通过调整复合材料中不同材料的相容性，使其能量匹配，从而提高界面的粘合强度。
此外，界面能量调控还可以用于调控复合材料的界面应力和应变分布，从而提高其力学性能。
第四，界面微观结构调控。
界面微观结构调控是通过调整复合材料中不同材料之间的微观结构来改变界面性能。
例如，可以通过控制复合材料中纤维的直径、长度等参数，调控界面的粗糙度和接触面积，从而影响界面的粘合强度。
此外，界面微观结构调控还可以用于实现复合材料的自修复和自感应等功能。
复合材料界面调控的策略主要包括界面化学调控、界面结构调控、界面能量调控和界面微观结构调控。
这些策略可以通过调整不同材料之间的相互作用、结构特征、能量差异和微观结构来改变界面性能，从而实现复合材料的性能调控和功能设计。
通过合理应用这些策略，可以进一步拓展复合材料的应用领域，并提高其性能和可靠性。
聚合物基复合材料的界面改性技术
聚合物基复合材料的界面改性技术在现代材料科学领域中，聚合物基复合材料因其优异的性能而备受关注。
然而，要充分发挥这些材料的潜力，界面改性技术是关键环节之一。
聚合物基复合材料通常由聚合物基体和增强材料组成。
界面作为连接这两种不同性质材料的区域，其性能对复合材料的整体性能有着至关重要的影响。
如果界面结合不良，会导致应力传递不畅、容易产生裂纹等问题，从而降低复合材料的力学性能和耐久性。
目前，常见的界面改性技术主要包括以下几种。
化学改性是一种重要的方法。
通过在增强材料表面引入特定的化学官能团，可以增强其与聚合物基体的相容性和化学键合能力。
例如，对碳纤维进行表面氧化处理，增加其表面的含氧官能团，能显著提高与环氧树脂等基体的结合强度。
这种方法可以有效地改善界面的粘结性能，提高复合材料的力学性能。
物理改性也是常用的手段之一。
其中，等离子体处理是一种较为先进的技术。
等离子体中的高能粒子能够对增强材料表面进行刻蚀和活化，从而改变其表面的粗糙度和化学组成。
经过等离子体处理后的增强材料，表面能增加，与聚合物基体的浸润性得到改善，进而提升了界面的结合效果。
还有一种方法是使用偶联剂。
偶联剂分子一端能与增强材料表面发生反应，另一端则能与聚合物基体相互作用，从而在两者之间建立起有效的桥梁。
例如，硅烷偶联剂在玻璃纤维增强聚合物复合材料中得到了广泛应用。
它能够显著提高玻璃纤维与聚合物基体之间的界面结合强度，增强复合材料的综合性能。
除了上述方法，对聚合物基体进行改性也是一种有效的途径。
通过共聚、共混等手段，改变聚合物基体的化学结构和物理性能，使其与增强材料更好地匹配。
例如，在尼龙基体中引入弹性体组分，可以提高其韧性，从而改善与增强纤维的界面性能。
在实际应用中，往往会根据具体的材料体系和性能要求，综合运用多种界面改性技术。
以碳纤维增强环氧树脂复合材料为例，如果单纯采用化学改性处理碳纤维，虽然能够在一定程度上提高界面结合强度，但可能会对碳纤维的力学性能造成一定损伤。
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E. Feresenbet，The Journal of Adhesion, 79: 643–665, 2003
1.玻璃纤维PMC的界面控制 纤维 制
1.1 玻璃纤维的表面处理方法
化学键理论 润湿理论 复合材料 界面理论 表面形态理论 可逆水解平衡 理论 可变形层理论 有机/无机桥梁 活性基团增多润湿性好 表面积 粗糙度 锚固 表面积、粗糙度、锚固 化学结合 松弛应力
偶联剂的动力学平衡原理：
R R R H2O+O—Si—O O—Si—O —Si—O O O O M H H H H O O M M
界面有水的情况下(从树脂中扩散到达界面)。
1.玻璃纤维PMC的界面控制 纤维 制
1.4 纤维表面处理对材料性能的影响
玻璃纤维接枝对复合材料强度的影响：
PP：聚丙烯 聚丙烯 低成本、性能优异 低成本 性能优异 缺点：非极性聚合物，与GF间界面剪切强度低 HBPgPP：高枝化聚合物接枝 接枝极性官能团 MAHgPP：马来酸酐接枝
气相氧化法 液相氧化法 电化学氧化法 气相沉积涂层 电聚合涂层
极性基团 粗糙度
表面氧化处理
碳纤维 表面处理
表面涂层处理
偶联剂涂层 聚合物涂层 晶须化涂层
引入活性基团
双性分子 上浆 CVD晶须
等离子体处理
殷永霞，航天返回与遥感，25[1]51-54(2004)
2.C纤维PMC的界面控制
2.1 C纤维表面处理方法
4.2
⑵
聚合物基复合材料界面的设计与改善
增强纤维表面活化
图 4-3 碳纳米管经处理后表面官能团的红外测定结果
4.2
聚合物基复合材料界面的设计与改善
（3） 使用聚合物涂层 聚合物涂层与增强纤维和基体都有良好的浸润性，所以能 有效地改善PMC界面粘接状况。 聚合物涂层的另一个作用是改善界面的应力状态，降低界 聚合物涂层的另 个作用是改善界面的应力状态，降低界 面的残余应力改善聚合物基复合材料的冲击韧性和疲劳性能。
硅 硅烷偶联剂与玻璃纤维和基体的结合情况： 剂 玻璃纤维 基体 结合情
常用双酚A 型环氧树脂耐热 性及韧性较低，某些固化剂 毒性大等缺点 人们多年来 毒性大等缺点，人们多年来 对改善环氧树脂基体的耐热 性、韧性进行了研究，并取 得了较好的效果
热固性环氧树脂
APS/E-glass增强Epoxy复合材料
Richard L Clark Jr, Composites: Part A 30 (1999) 27–36
1.玻璃纤维PMC的界面控制 纤维 制
1.4 纤维表面处理对材料性能的影响
玻璃纤维预浸界面相对界面剪切强度的影响：
A unsized An i dE E-glass l fiber fib
PTMS
IFSS:界面剪切 强度
APS-PTMS/E-glass增强Epoxy复合材料1.玻璃纤维PMC的界面 Nhomakorabea制 纤维 制
1.2 硅烷偶联剂
硅烷偶联剂/玻璃纤维的平均脱粘长度：
PTMS
APS
APS- PTMS/E-glass增强Epoxy复合材料
1.玻璃纤维PMC的界面控制 纤维 制
1.2 硅烷偶联剂
杨俊,蔡力锋,林志勇,塑料，33[1]5-8(2004).
1.玻璃纤维PMC的界面控制 纤维 制
1.1 玻璃纤维的表面处理方法
硅烷偶联剂 研究较多 偶联剂处理 润湿性 玻璃纤维 表面处理 铝酸酯偶联剂 偶联反应快 改性偶联剂 协同效应 界面缩聚接枝 接枝处理(涂层) 表面活化接枝
偶联剂接枝 使高分子链接枝到玻璃纤维的表面 柔性界面层 等离子体处理 艺简单、节省时间 工艺简单、节省时间 只对几个纳米的薄层起变化
聚合物基复合材料界面控制
1 玻璃纤维PMC的界面控制 2 碳纤维PMC的界面控制 3 有机纤维PMC的界面控制
1.玻璃纤维PMC的界面控制 1.1 玻璃纤维的表面处理方法
Approximately 95% of composites used today are fabricated from glass fibers fibers, with epoxy resin being the preferred polymeric matrix because of the relatively good price-to-performance price to performance ratio ratio, high availability availability, ease of processing, and dimensional stability. The interphase stiffness stiffness, fiber topography topography, and fiber fibermatrix chemical bonding are critically important to the stress transfer process and composite performance stress-transfer performance.
1.玻璃纤维PMC的界面控制 纤维 制
1.2 硅烷偶联剂
硅 硅烷偶联剂 剂/玻璃纤维表面的润湿性： 玻璃纤维表 性
PTMS
APS
APS-PTMS/glass 纤维（片）
1.玻璃纤维PMC的界面控制 纤维 制
1.2 硅烷偶联剂
硅 硅烷偶联剂 剂/玻璃纤维的界面剪切强度： 玻璃纤维 界 剪 度
APS
GUSTAV JANNERFELDT, Applied Composite Materials 8: 327–341, 2001.
1.玻璃纤维PMC的界面控制 纤维 制
1.4 纤维表面处理对材料性能的影响
玻璃纤维接枝对复合材料模量的影响：
PP：玻璃纤维 纤维/聚丙烯复合材料 烯复 HBPgPP：高枝化聚合物接枝 MAHgPP：马来酸酐接枝
CMC界面控制的主要问题是适当降低结合强度：
41 4.1
聚合物基复合材料界面的特点
● ● ●
大多数界面为物理粘接，粘接强度较低。 PMC 一般在较低温度下使用，故界面可保持相对稳定。 PMC界面增强本体一般不与基体发生反应。
41 4.1
聚合物基复合材料界面的特点
聚合物基复合材料界面层结构主要包括增强材料表面、 与 体的反应层或与偶联剂的反应层，以及接近反应层的 与基体的反应层或与偶联剂的反应层，以及接近反应层的 基体抑制层。 界面表征的目的：了解增强材料表面的组成、结构及 界面表征的目的：了解增强材料表面的组成 结构及 物理化学性质、基体与增强材料表面的作用、偶联剂与增 强材料及基体的作用 界面层性质 界面粘接强度的大小 强材料及基体的作用、界面层性质、界面粘接强度的大小、 残余应力的大小与作用等。 手段与方法：电子显微镜（SEM、TEM），光电子能 谱（ESCA、AES）、红外光谱（FTIR）、拉曼光谱 （RAMAN）、色谱等。
10% PVP10 PVP10-sized i dE E-glass l fiber fib after f debonding from a Nylon 66 matrix.
2.C纤维PMC的界面控制
2.1 C纤维表面处理方法
1 m2/ g) , 表面能低, 表面呈现出憎液性
C纤维的表面处理方法： 纤 表 碳纤维在未经表面处理前, 其活性比表面积小(一般<
聚合物基复合材料的界面控制
1.1 界面控制的主要问题
PMC界面控制 主要问题是提高结合强度： 高
玻璃纤维/环氧 A：商业胶料 商 胶料 B：与基体不反应硅烷 C：三功能环氧胶料 D：与基体反应硅烷
1.1 界面控制的主要问题
MMC界面控制的主要问题是抑制界面反应：
1.1 界面控制的主要问题
杨俊,蔡力锋,林志勇,塑料，33[1]5-8(2004).
1.玻璃纤维PMC的界面控制 纤维 制
1.2 硅烷偶联剂
硅 硅烷偶联剂的成膜性： 剂 成膜性
-Aminopropyl trimethoxysilane P Propyl l trimethoxysilane t i th il
胺
E. Feresenbet，The Journal of Adhesion, 79: 643–665, 2003
R—SiX3+3H2OR—Si(OH)3+3HX R—连树脂 水解(胶中含有水 ) 在含水的胶溶液中水解生成三烃基硅醇，这些三烃基硅 在含水的胶溶液中水解生成三烃基硅醇 这些三烃基硅 醇与玻璃表面的烃基依靠氢键结合。
1.玻璃纤维PMC的界面控制 纤维 制
1.3 偶联剂的作用原理
偶联剂的化学桥形成原理：
黄琪,高分子材料科学与工 程，24[4] 78-81(2008).
1.玻璃纤维PMC的界面控制 纤维 制
1.2 硅烷偶联剂
硅烷偶联剂与玻璃纤维和基体的结合情况：
PTMS/E-glass增强Epoxy复合材料
1.玻璃纤维PMC的界面控制 纤维 制
1.3 偶联剂的作用原理
偶联剂的化学桥形成原理： 偶联剂 般都含有两种不同的官能团，使偶联剂起着无 偶联剂一般都含有两种不同的官能团，使偶联剂起着无 机相与有机相相互连接的桥梁作用 偶联剂 R—SiX 偶联剂： R SiX3 X易于水解的基团，水解后能与玻璃 易于水解的基团 水解后能与玻璃 表面作用 ，R是与树脂相容的基团。
（1）氧化法。包括液相氧化法、气相氧化法和阳极氧化法。液 ）氧化法 包括液相氧化法 气相氧化法 极氧化法 液 相氧化法中的硝酸氧化法是将碳纤维置于硝酸（浓度60％）中 于120℃经24小时，再洗去纤维上的残液，液相法中的次氯酸钠 小时 再洗去纤维上的残液 液相法中的次氯酸钠 氧化法是用次氯酸钠水溶液对碳纤维进行氧化。对高强碳纤维 和高模碳纤维可以用空气氧化法进行表面处理。阳极氧化法是 以碳纤维作阳极，在不同电解质溶液中于一定电流密度下，靠 电解产生的新生态氧对碳纤维表面进行氧化和腐蚀，阴极可用 镍板或 墨电极 镍板或石墨电极。 （2）表面晶须化法。是将碳纤维通过温度为1100－1700℃的晶 须生长炉 在碳纤维表面上沉积并生长SiC晶须。晶须改变了碳 须生长炉，在碳纤维表面上沉积并生长 晶须 晶须改变了碳 纤维表面形状、表面面积和表面活性提高了碳纤维与基体的粘 接力。