第6章-复合材料的界面

聚合物复合材料,第5章复合材料力学性能5.1概述5.2各向异性弹性材料力学基础5.3单层板的弹性特性5.4单层板的强度理论5.5复合材料的力学性能试验5.6单向复合材料各组分的强度准则5.7复合材料单向层板均匀各向同性材料的强度理论5.8纤维复合材料的疲劳行为5.9单向复合材料的破坏模式,Review,Content,第6章复合材料的界面6.1研究复合材料界面的重要性6.2高聚物复合材料界面的形成及作用机理6.3填充、增强材料的表面处理6.4复合材料界面分析技术,6.1研究复合材料界面的重要性,界面层成为复合材料组成的一部分使不同材料结合成为一个整体对整体的性能有着决定性的影响,复合材料内部存在大量界面层,6.2高聚物复合材料界面的形成及作用机理,界面层的形成,阶段I增强材料与基体之间能够浸润和接触,浸润性表示液固发生接触的情况，是良好粘结的必要条件浸润现象（Wetting）不浸润完全浸润不完全浸润,接触角Contactangle,阶段II增强材料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。,界面层的结构：界面粘合力的性质界面层的厚度界面层的组成,界面层的作用机理,化学键理论弱边界理论物理（浸润）吸附理论机械粘结理论,界面的形成与作用机理,化学键理论（偶联理论）,偶联剂分子至少有含有两种官能团，一种官能团可与增强材料反应，另一种可与基体反应（参与固化反应）。通过偶联剂的作用，将增强材料与树脂基体通过共价键牢固地连接在一起。,该理论不能解释许多未使用偶联剂或偶联剂不与增强材料、基体反应的复合材料体系。,扩散理论（增强材料为有机纤维）两相高聚物相互溶解、扩散,高聚物之间的粘接作用与其自粘作用（同种分子间的扩散）一样，也是高聚物分子键与链段的相互扩散（不同分子）引起的，由此产生强大的粘接力。,界面的形成与作用机理,电子静电理论,金属晶体-增强材料可看成一个电容器，二者各为一极板，相互接触而使电容器充电，形成双电层，产生静电引力，使基体育增强材料粘接在一起。该理论不能解释属性相近的聚合物也能牢固粘接，因为非极性聚合物之间是不能粘接的。,机械联结理论,基体与增强物的粘接为机械粘接作用。首先液态基体渗入增强物的空隙中，然后基体凝固或固化而机械的镶嵌在增强物表面，产生机械结合力。,界面的形成与作用机理,变形层理论,偶联剂涂层是一种柔性层或变形层，能提供具有“自愈能力”的化学键。在外载作用下，处于不断形成与断裂的动态平衡状态，起到均匀传递应力，减弱界面应力的作用，从而提高基体与增强物的粘接性能。,优先吸附理论,增强物优先吸附树脂中的不同成分（助剂），使界面层结构与性能具有梯度变化，有利于消除应力，改善复合材料性能。,界面的形成与作用机理,影响界面的粘合强度的因素,纤维表面晶体大小及比表面积,晶体增大，模量增高，表面更光滑，惰性增加，粘合强度下降；比表面积增加，界面增大，粘合强度提高。,浸润性浸润性增加，空隙率减小，杂质少，粘合强度增加,界面反应性（与层剪强度有关）反应性增加，强度增加,残余应力残余应力增加，界面强度降低,热膨胀系数不同引起热引力；树脂固化体积收缩引起的内应力,界面破坏机理,在复合材料中，受外力作用时，基体中会产生微裂纹，并由基体逐渐扩展到纤维表面，使纤维脱粘（或拔出），甚至断裂。,界面存在物理键（即范德华力）和化学键。其中化学键是主要的，界面破坏时，二种键均受到破坏。,弱界面：韧性破坏（纤维脱粘或拔出）强界面：脆性破坏（纤维断裂）,三、水对复合材料及界面的破坏作用,水的浸入（通过扩散作用进入界面）,水对玻纤的腐蚀,水溶解玻纤表面碱金属氧化物，溶液呈碱性，并加剧玻纤表面腐蚀破坏，最后导致玻纤SiO2骨架破坏，玻纤强度降低，复合材料性能下降。,三、水对复合材料及界面的破坏作用,水对树脂的降解,水溶胀树脂导致界面破坏,树脂溶胀，在界面上产生剪应力。当剪应力大于界面粘接力时，界面破坏。,三、水对复合材料及界面的破坏作用,水进入孔隙产生渗透压导致界面破坏,水进入孔隙，溶解杂质，浓度增加，渗透压增加，一定温度、时间时，渗透压大于粘接力，导致界面破坏,水促使破坏裂纹的扩展,6.3填充、增强材料的表面处理,玻璃纤维的表面处理,采用有机硅烷偶联剂与有机络合物偶联剂进行处理,2）硅醇之间进行缩合反应，形成低聚体；,有机硅烷偶联剂处理机理：,1）硅烷偶联剂水解,3）吸水玻璃纤维的表面与硅醇之间形成氢键；,4）最后干燥脱水，玻璃纤维表面与硅醇之间形成共价键,处理方法：,1）在玻璃纤维清洁的表面直接涂覆偶联剂；2）在玻璃纤维纺丝的过程中用偶联剂进行处理；3）在制备复合材料时，将偶联剂直接掺混到基体中,处理效果：改善复合材料性能耐水性、电绝缘性及耐老化性能,碳纤维的表面处理,氧化法（气相氧化法、液相氧化法、阳极氧化法）沉积法电沉积及与电聚合法等离子体处理法,处理方法：,处理效果：改善碳纤维的表面性能增加与高聚物的粘结力,偶联机理：与硅烷偶联剂偶联机理相似,钛酸酯偶联剂主要结构类型单烷氧基脂肪酸型单烷氧基焦磷酸酯型螯合型配位体型,粉状填料的表面处理,采用钛酸酯偶联剂进行处理,6.4复合材料界面分析技术,红外光谱研究（IR）-高聚物界面,电子显微镜法:TEM、SEM-聚合物表面、复合材料断面,X射线光电子能谱（XPS）-材料表面元素组成、表面基团及其含量,Summary&Problem,界面在复合材料中发挥着越来越重要的作用，界面的优化设