1.11聚合物基复合材料界面(精)

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• 3）减弱界面局部应力作用理论 • 当聚合物基复合材料固化时，聚合物基体产生收缩。而且，基体与纤 维的热膨胀系数相差较大，因此在固化过程中，纤维与基体界面上就会产生 附加应力。这种附加应力会使界面破坏，导致复合材料性能下降。此外，由 外载荷作用产生的应力，在复合材料中的分布也是不均匀的，因从复合材料 的微观结构可知，纤维与树脂的界面不是平滑的，结果在界面上某些部位集 中了比平均应力高的应力，这种应力集中将首先使纤维与基体间的化学键断 裂，使复合材料内部形成微裂纹，这样也会导致复合材料的性能下降。
• 2）浸润理论 • 两相间的结合模式属于机械粘接与润湿吸附。物理吸附主要是范德华 力的作用，使两相间进行粘附。两组分间如能实现完全浸润，则树脂在高能 表面的物理吸附所提供的粘接强度，将大大超过树脂的内聚强度。 要获得好的表面浸润，基体起初必须是低粘度，且其表面张力低于无 机物表面临界表面张力。一般无机物固体表面具有很高的临界表面张力。但 很多亲水无机物在大气中与湿气平衡时，都被吸附水所覆盖，这将影响树脂 对表面的浸润。
• 4）摩擦理论 • 基体与增强材料间界面的形成(粘接)完全是由于摩擦作用。两者间的摩擦 系数决定了复合材料的强度。偶联剂的作用在于增加了两相间的摩擦系数，使 复合材料的强度提高。 对于水等低分子物浸入后，复合材料的强度下降，但干燥后强度又能部 分恢复的现象，这是由于水浸入界面后，基体与增强材料间的摩擦系数减小， 界面传递应力的能力减弱，故强度降低，而干燥后界面内的水减少，基体与增 强材料间的摩擦系数增大，传递应力的能力增加，故强度部分地恢复。
• 聚合物基复合材料界面的形成大体分为两个阶段： 1、基体与增强材料的接触与润湿过程。 2、聚合物的固化过程。
聚合物基复合材料的界面结构
界面区域示意图 1—外力场 2—树脂基体 3—基体表面区 4—相互渗透区 5—增强剂表面区 6—增强剂
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 界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物 之间的桥梁作用。 （2）阻断效应 结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、 减缓应力集中的作用。 (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现
复合材料界面的形成
浸润和接触：增强材料与高聚物间界面的形成首先要求增强材料与基体之间能够 浸润和接触，这是界面形成的第一阶段 。
界面的固定：增强材料与基体材料之间界面形成的第二阶段就是增强材料要与基 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。
浸润和接触
如果我们把不同性质的液滴放在不同的固体表面上，有的液滴就聚积成球形，有 的液滴会铺展开来遮盖固体的表面。后一现象我们称为“ 浸润” 或“润湿” 。 反之，如果不铺展而是球状的则称为是“不浸润” 或“ 润湿不好”。 “ 浸润”或不浸润取决于液体对固体和液体自身的吸 引力大小，当液体对固体的吸引力大于液体自身的 吸引力时，就会产生浸润现象。
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1.11聚合物基复合材料界面
概述
• 在一个多相体系中，不同相之间存在界面。聚合物基复合材料一般是由增强纤 维与基体树脂两相组成的，两相之间存在着界面，通过界面使纤维与基体树脂 结合为一个整体，使复合材料具备了原组成树脂所没有的性能。
聚合物基复合材料界面的形成大体分为两个阶段： 1、基体与增强材料的接触与润湿过程。 2、聚合物的固化过程。
图2.4.2 气、液、固表面张力的平衡状态
γ SV 为固体表面在液体饱和蒸气压下的表面张力；
γ LV 为液体在它自身饱和蒸气压下的表面张力；
γ SL 为固液间的表面张力； θ 就是气液固达到平衡时的接触角
(1)若γ SV <γ SL ，则cosθ < 0，θ >90°， 此时液体不能润湿固体。特别当 θ =180°时，表示完全不润湿，液滴 此时呈球状； (2) 若γ LV >γ SV -γ SL >0，则1>cosθ >0， 0°<θ < 90°，此时液体能润湿固 体； (3) 若γ LV =γ SV -γ SL ，则cosθ =1， θ =0°，此时液体能完全润湿固体； (4) 若γ SV -γ SL >γ LV ，则式（2-4-3）在这 里 已不适用了。
• （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、耐机械冲击及耐热冲击性等。 • (5) 诱导效应 一种物质(通常是增强物)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， 如强的弹性、低的膨胀性、耐冲论
基体表面上的官能团与纤维表面上的官能团起化学反应，因此在基体与 纤维间产生化学键的结合，形成界面。如：偶联剂的应用而得到证实，故也 称“偶联”理论。 化学键理论一直比较广泛地被用来解释偶联剂的作用。它对指导选择偶 联剂有一定的实际意义。但是，化学键理论不能解释为什么有的偶联剂官能 团不能与树脂反应，却仍有较好的处理效果。