复合材料辅助材料.doc

树脂基复合材料在航空、汽车、海洋工业中有广泛的应用。复合材料理论是研究两相或多相间是以何种机理结合在一起的。在复合材料的制备过程中，要制得具有一定性能的复合材料，必须通对物性参数、工艺参数和结构参数等的适当调节得到相应的界面结构，进而对复合材料的性能进行表征，而对界面结构的理论分析必须建立在界面理论的基础上，因此对界面理论的研究具有重要的理论和实际意义 不同学者针对复合材料中的不同破坏现象，提出了不同的界面理论，如化学键理论、表现浸润吸附理论、变形层理论、拘束层理论、机械联结理论、扩散理论、电子理论等七、八个界面理论。 界面：复合材料中两相之间，例如增强体与基体之间，某种材料特性出现不连续的区域。复合材料中的界面一般厚度约为几个纳米到几个微米。1）传递效应：各类信息的传递，如载荷从基体传递到增强体；2）阻断效应：如阻止裂纹扩展，延缓材料破坏；颗粒弥散强化时阻止位错移动，提高强度；3）不连续效应：如各种物理性能的不连续形，如耐热性、抗电性等；4）散热和吸收效应：光波、声波、冲击波、热弹性波等往往会在界面处产生散射和吸收，如透光性、隔音性、耐机械冲击、耐热性等；5）诱导效应：复合材料中的一种组元的表面结构使另一种与之衔接的物质的结构由于诱导作用而发生变化，可产生的效应如：强的弹性、低的热膨胀、耐热性等。啮合理论当纤维表面存在凹凸不平的孔穴时，树脂基体就会很好的和纤维嵌接或啮合，从而可以大幅度的提高界面间的黏合强度，由此可见，啮合理论是建立在浸润理论和机械粘结理论基础之上。 静电理论 当胶粘剂与被粘物体形成电子发射体和电子接受体时，电子被激发从发射体转移到接受体，于是在电子发射体和电子接受体接触区域形成了双电层，双电层电荷的性质相反，从而产生了静电引力 弱边界层理论边界层主要是指气体、液体、固体中的两相或者三相相互接触的部分。BiKorman 首先提出了弱边界层理论，他认为弱的粘附性是由于基材与胶粘剂之间低内聚强度的区域造成的，然而 Zisman 则认为弱的粘附性不是由于胶粘剂的作用造成的，而是因为聚合物具有低的表面能 23。弱边界层可能由以下几个方面的原因造成的，第一、在纤维增强复合材料的制备过程中，外部杂质进入了两相界面之间；第二、在制备复合材料的过程加入了其它助剂的影响；第三、复合材料在使用、储存和运输的过程中，不慎带入了杂质等。 化学键理论化学键认为界面粘结必须通过化学键才能使界面达到良好的粘结强度。纤维复合材料往往是两种（或两种以上）完全不同性质的材料复合而成，它们本身不存在化学键，必须采用偶联剂的方式进行表面处理。偶联剂在化学结构上有二种官能团，一种可与纤维反应产生化学键，另一种能与树脂基体反应产生化学键，从而偶联剂就像在增强纤维与树脂基体之间架起桥梁，使二者能更牢固地粘结起来，有效抵制水及其它介质对纤维的浸蚀，因此提高了纤维复合材料的物理、力学、热电性能，特别是显著地提高湿态强度性能和老化性能。 在化学键理论的应用中，应用最广泛的是硅烷偶联剂的使用，硅烷偶联剂的一端可以与无机表面氧化物反应生成化学键，另一端可以与基体树脂发生反应，这样使基体与增强纤维间实现了界面的化学键的结合，进而有效提高了复合材料的性能。 表面浸润吸附理论 1963 年 Zisman4提出了浸润理论，他认为浸润是形成界面的基本条件之一，两组分如能完全浸润，则树脂在高能表面的物理吸附提供的黏合强度可超过基体的内聚能。两相间的结合模式属于机械粘结与润湿吸附，如果基体与增强材料的浸润性差，则接触面积有限；如浸润性好，熔融基体可以填补到增强材料表面凹凸不平的空洞中，增加两相接的触面积，使他们紧密结合，两相固化后可以产生机械锁合作用。 纤维表面浸润是界面粘结的基础，良好的表面浸润可使增强纤维与树脂基体之间紧密接触，并发生吸附作用，使界面分子间产生巨大的范德华力，从而提高了复合材料强度。浸润良好的界面范德华力往往比树脂内聚力大，因此复合材料断口往往出现树脂本身开裂，纤维上粘有树脂基体等现象。良好的浸润，同时也能排除纤维表面吸附的气体，减少界面的空隙率，从而提高界面的机械联结强度，达到良好的复合材料性能。 机械联结理论从微观角度，增强纤维表面是粗糙不平，并有许多微裂纹；当树脂基体渗透到纤维中的凹坑及微裂纹中，当固化以后就像一个个锚、钉子一样把两者牢固地连结一起，使复合材料有较高的粘结强度。纤维与树脂基体有相差较大的热膨胀系数，在热固化冷却过程中由于不同的收缩产生较大的残余应力，不同的配方、不同的原材料组合、不同的成型工艺有不同性质的残余应力，会在界面上产生拉应力或压应力，拉应力不利于界面粘结，压应力增强界面的摩擦力，从而提高复合材料的粘结强度。另外，增强纤维表面充分浸润，减少表面气体，从而减少复合材料空隙率，提高界面摩擦力，有效地传递应力，从界面的机械联结理论角度来看，也提高了纤维复合材料的粘结强度，因此提高纤维复合材料的物理、力学、热电性能。 从上述界面理论可知，要达到界面产生化学键、良好的浸润吸附、牢固的机械联结，必须对增强纤维进行表面处理。 但是这些基团与环氧树脂形 成化学键的活性和机会要比固化剂（胺类）与环氧树脂反应的机会少得多，为此，通过电化学氧化处理法使碳纤维表面的羧基