复合材料界面-1

复合材料的界面，两种或多种不同材料通过特定工艺制造的多相材料8.1复合材料的概述，以及与原始构成材料不同的新特性。包含三级含义：包含两种或多种物理上不同的(机械)可分离材料的多相材料。人工控制多个分离的材料，形成复合材料。性能必须高于单个组件材质，并且在某些方面可能具有组件材质没有的独特属性。复合材料的结构：基体相增强剂相和相之间有界面。基于复合材料基的聚合物基复合热塑性聚合物基：PP、PE、尼龙、PVC热固性聚合物基：不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂等金属基复合材料无机非金属基复合材料：陶瓷基、水泥基、玻璃基、复合性质、轻质和高强度电性能耐腐蚀性优良热性能设计可能性以及材料和结构的一致性制造复合材料的同时，您可以直接取得产品，材料和产品可以一次取得。界面连接性低，层间剪切强度低，部分普通材料和纤维复合材料的非强度和非系数，8.2聚合物基复合材料，8.2.1不饱和聚酯不饱和聚酯树脂是由苯乙烯等乙烯基单体内饱和二元酸(或酸酐)、不饱和二元酸(或酸酐)和多元醇的缩聚而成的聚酯溶液。饱和二元酸或酸酐：不饱和二元酸或酸酐、多元醇结合剂、引发剂存在下，不饱和聚酯的双联具有苯乙烯和自由基共聚，在三元网状结构中交联、多元酸(酸酐)和多元醇的缩聚在主链中包含双联的聚酯：过氧化物引发剂：BPO和甲基乙基，8.2.2环氧树脂，环氧树脂是分子结构的化合物，包含两个或多个环氧基。环氧基可以位于分子链的末端，也可以位于分子链的中间。在分子链中引入环氧基的方法有两种，一种是含酚、有机酸、胺等活性氢的化合物引起的环氧氯丙烷和开环反应，另一种是在碱基的作用下将环氧基、缩水甘油环氧、缩水甘油环氧树脂、缩水甘油环氧树脂、环氧树脂等环氧基引入闭环。另一种方法是用醋酸和过氧化氢对具有双键的化合物进行环氧化。线性脂肪族环氧树脂、环氧树脂固化、反应性固化剂：脂肪族多胺、芳胺、多元酸等催化固化剂：三乙胺、三氟化硼等，脂肪族多胺固化原理，常用脂肪族多胺固化剂，h2nch 2 ch 2 ch 2 NH 2二乙烯三胺H2 nch H2NCH苯酚通常是苯酚，醛主要是甲醛。热固性酚醛树脂：以碱为催化剂，甲醛/苯酚摩尔比大于1时，对一定阶段做出反应，加热硬化。热塑性酚醛树脂：以酸为催化剂，甲醛/酚摩尔比小于1，添加六亚甲基四胺等固化剂，才能固化。反应原理：第一阶段甲醛和苯酚加成羟基甲基苯酚，第二阶段羟甲基醇和苯酚o-对氢脱水缩合，或与羟甲基醇-甲基联合合成醚键加热下甲醛去除，碱催化的第二阶段羟甲基缩合反应慢，羟甲基醇稳定存在，因此以后加热时羟甲基醇可以继续反应，固化成网络结构催化作用下羟甲基缩合反应快，生成的羟甲基立即缩合。但是过量的苯酚会结束甲醛消耗。后来添加甲醛或固化剂，反应继续，并硬化成网络结构。酚醛树脂固化反应是由小分子释放出来的，因此固化在加热、加压下进行。可以提高8.3增强材料、基体材料的机械强度、弹性系数等机械特性的材料称为增强材料。纤维增强材料：玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、无机纤维；连续长纤维，短切割纤维，编织纤维，纤维毡；颗粒增强材料：片状增强材料：复合材料，尤其是高性能复合材料，大部分使用纤维材料，尤其是连续长纤维作为增强材料。抗拉强度：块状石墨：689MPa，石墨纤维：17002800MPa。抗拉强度：散装玻璃：40 100 MPa玻璃纤维(直径10m以下):1000MPa以上；玻璃纤维(直径5m以下):2400MPa以上。8.4复合材料的界面，对复合材料的特性起重要作用。复合材料的性质会产生1 12的作用，称为协同效应，而不是组成材料性质的简单总和。界面是复合材料协同作用的根本原因。玻璃纤维断裂能：10J/m2；聚酯树脂断裂能：100J/m2；聚酯玻璃钢断裂能：105j/m2；为什么断裂能大大改善？图8-1纤维增强塑料复合材料前后的结构图，图8-2复合材料断裂过程中的能量吸收，图8-3复合界面模型，1纤维主体区域2纤维表面区域3界面吸附层4基体表面区域5基体主体区域，界面上化学成分，分子排列，热特性，机械性能连续梯度变化。界面上很薄，只有微米的级数，但具有非常复杂的结构。玻璃纤维(GF)-具有7级复杂结构的偶联剂-矩阵系统。GFGF表面GF/偶联剂偶联剂/基基表面 8.5玻璃纤维增强塑料界面，玻璃纤维增强塑料(GFRP)，玻璃纤维增强塑料(GFRP)，通常由玻璃纤维和基体树脂组成玻璃纤维赋予复合材料的强度和刚度，基体与复合材料的抗压强度、弯曲强度、剪切、耐辐射、耐蚀性、电气特性等密切相关，8.5.1玻璃纤维概述，玻璃是以硅和氧原子为基础的不规则网络，网络之间有孔，孔为na，k，Ca2+，mgg其结构如图所示。无碱e玻璃纤维：碱性氧化物低于0.5%。中碱玻璃纤维：11.512.5%，含有碱金属氧化物。玻璃纤维结构图，骨架氧化物：二氧化硅三氧化硼改性氧化物：氧化钙三氧化铝等；熔融氧化物：氧化钠等，“冻结液体”:各向同性，无固定熔点，短程对齐，远程无序；光滑的圆柱体，直径5-20；密度2.4 2.7g/cm3；拉伸强度15004000MPa的直径越细，强度越高(表8-2)。系数7104MPa，仅钢1/3。玻璃纤维的性能、8-2玻璃纤维直径与拉伸强度的关系、玻璃纤维的化学性能、E玻璃纤维的耐水性优于a玻璃纤维，而a玻璃纤维的耐酸性优于E玻璃纤维。玻璃纤维浸泡后强度降低。因为水可以分解玻璃纤维的Si-O-Si骨架。碱含量越大，水的侵蚀率越大。玻璃纤维直径越小，化学稳定性越差，玻璃纤维表面的吸水性越强。吸附的水是多分子层，玻璃纤维是耐碱的，被玻璃纤维骨架的碱作用破坏，玻璃纤维表面和酸的反应：酸和反应的本质是酸h与玻璃的Na和Ca2离子交换。降低PH，增加玻璃的Na和Ca2浓度，有利于反应进展。反应形成的硅氧烷保护膜，影响侵蚀并继续。8.5.2偶联剂，所谓偶联剂是一种在分子中包含两个不同性质组的化合物，其中一个能起到强化物质和化学或物理作用。其他组可以作为矩阵和化学或物理。通过偶联剂的耦合作用，使基体与加强材料实现良好的界面结合。主要类型：(1)硅烷；(2)钛酸盐；(3)有机铬复合物。8.5.2.1有机硅烷偶联剂，通式：RnSiX4-nR是与聚合物分子具有亲和力或反应性的有机基团，包括乙烯基、环氧、胺、巯基、氰基、甲基丙烯酰氧基和其他基团，x是-cl、OCH3、och 3N=1时，通式为RSiX3，硅烷偶联剂作用机理(1)X组水解形成硅，(2)硅的硅羟基和玻璃纤维表面的硅羟基之间形成氢键。(3)硅羟基之间的脱水形成-Si-O-Si-键。硅烷偶联剂和玻璃纤维表面在玻璃纤维表面形成缩聚膜，并通过si-o-si化学键结合，如图8-4所示。对于偶联剂硅醇系之间的反应，我们可以认为，偶联剂作用(1)减少了与填充物或纤维作用的硅羟基的数量，降低了耦合效率；(2)填充物表面形成多分子罩，影响武器和有机物之间的紧密结合。图8-4玻璃纤维表面的硅单分子层图，有机组r可以包含-c=c-、- NH2、环氧、-sh等组，这些组可以参与矩阵树脂的固化反应。这样偶联剂可以通过基体树脂和化学键水解x组的特性。x=-cl，水解物为HCl，水解、缩聚、水解产生的硅不稳定。X=-och3或- OC2H5，水解速度慢，水解稳定，溶于水。X=-och2ch2och3，水溶性好，柔软。新配制的乙烯基三乙氧基硅烷水溶液：单体：82%二聚体：15%三聚体：3%放置后：单体：34%二聚体：23%三聚体：30%四聚体：13，进一步证实了硅烷偶联剂水解物不稳定，自身凝结沉淀，偶联剂间凝结反应导致偶联剂失败的事实。几种常见的硅烷偶联剂，A151乙烯基三氧化硅A172乙烯基3 (-甲氧基硅烷)A174，kh570 -丙基甲氧基硅烷，a 1100 (kh550) -胺丙基三乙氧基硅烷，A1120，用8.5.3硅烷偶联剂处理表面，后处理：用洗涤或燃烧方法首先去除玻璃纤维表面的纤维基润湿剂，然后用偶联剂浸渍、洗涤、干燥，在玻璃纤维表面复盖偶联剂层。预处理：使用偶联剂作为润湿剂的一种成分，施胶剂既满足玻璃纤维的拉丝、纤维和各工艺的要求，又在拉丝过程中使玻璃纤维表面复盖偶联剂层。移动方法：直接将偶联剂从树脂添加到玻璃纤维表面，将其混合，产生响应玻璃纤维表面的效果。渗透剂：在玻璃纤维拉挤过程中，由单一纤维表面涂层的结合成分、润滑成分和表面活性剂成分组成的乳液称为润湿剂。润湿剂的作用：(1)使单丝簇成为可能，便于后续合股、纤维及其他工序。(2)防止纱线缠绕时纤维相互结合。(3)保护纤维，保护纤维时因表面磨损而降低强度。图8-5坩埚刷抛光玻璃纤维图，1300，润湿剂类型：(1)纤维润湿剂：主要用于玻璃纤维加工产品。对于纤维增强复合材料，必须去除石蜡型乳液。(2)增强润湿剂：专门为生产增强玻璃纤维而开发的渗透剂，主要是为了改善树脂对纤维的渗透性，提高树脂和纤维的粘合性。成分中主要添加了聚酯、环氧、聚醋酸乙烯、聚氨酯、聚丙烯酸酯等聚合物成分。(3)化学处理剂：以偶联剂为基础的润湿剂，即玻璃纤维的预处理。聚酯玻璃钢的沸腾强度，硅烷偶联剂处理效果，不饱和有机酸和铬原子之间的配位复合链8.5.2.2有机铬偶联剂。缺点：种类单调，硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂的应用范围较小。主要用于玻璃纤维增强塑料。通识：r: CH3-c=CH2，称为“月兰”。作用机制，8.5.2.3钛酸盐偶联剂，(1)单烷氧基基钛酸盐：r一般为异丙基，异丙基三异硬脂酸钛酸酯(TTS)，异丙基树(2-辛基磷酸)钛酸盐(ttop)，二辛基疲劳磷酸钛酸盐(ttopp-38)，单烷氧基疲劳磷酸钛酸盐：由于反应机理，在该反应系统中，除了单烷氧基和填充表面羟基的结合外，内质网还分解为磷酸，结合部分水。因此，单烷氧基疲劳磷酸偶联剂适用于粘土、滑石粉等湿度高的填充物系统。(2)双(双辛基疲劳磷酸)醋酸氧(138S)等螯合钛酸盐(138s)在填料表面具有卓越的水解稳定性，适用于湿式或水性聚合物系统，如湿式二氧化硅等。(3)为了避免钛酸盐在某些反应系统中的副作用，例如配位类型(RO)4Ti(-X-R)2、聚酯中的酯交换反应等。四辛钛二二(1