聚合物基復合材料的界面.ppt

1,第4章 聚合物基復合材料的界面,4.1界面的基本概念,4.2界面的形成與作用機理,4.3界面的破壞機理,4.4纖維的表面處理,4.5復合材料界面的研究,2,復合材料是由兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復合而成的新型材料。,不同相之間必然存在界面，使基體和增強體各自獨立又相互依存。,界面是復合材料的重要組成部分。,4.1界面的基本概念,3,影響復合材料的因素：,增強材料的性能 基體的性能 復合材料的結構及成型技術 復合材料中增強體與基體界面的性能,界面的好環(huán)將直接影響到復合材料的綜合性能。,4,界面的定義：,是指基體與增強相之間化學成分有顯著變化的、構成彼此結合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。,復合材料的界面是一個多層結構的過渡區(qū)域，約幾個納米到幾個微米。,1、外力場 2、基體 3、基體表面區(qū) 4、相互滲透區(qū) 5、增強劑表面區(qū) 6、增強劑,5,非單分子層，其組成、結構形態(tài)、形貌十分復雜 界面區(qū)至少包括：基體表面層、增強體表面層、基體 /增強體界面層三個部分 具有一定厚度的界面相（層） 其組成、結構、性能隨厚度方向變化而變化，具有“梯度”材料性能特征 界面的比表面積或界面相的體積分數(shù)很大 尤其是納米復合材料，界面效應顯著：復合材料復合效應產(chǎn)生的根源 界面缺陷形式多樣（包括殘余應力） 對復合材料性能影響十分敏感,界面特點:,6,復合材料的綜合性能并不是由各單一組分性能的簡單加合，而是一種線性關系； 各組分既獨立又相互依存，這是由復合材料的界面決定的。,界面起著什么樣的效應？,一種物質(zhì)（通常是增強劑）的表面結構使另一種（通常是聚合物基體）與之接觸的物質(zhì)的結構由于誘導作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如高彈性、低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。,在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應性、磁性、耐熱性和磁場尺寸穩(wěn)定性等。,7,界面效應 ：界面是復合材料的特征，可將界面的機能歸納 為以下幾種效應：,界面可將復合材料體系中基體承受的外力傳遞給增強相，起到基體和增強相之間的橋梁作用,基體和增強相之間結合力適當?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴展、減緩應力集中的作用。,光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機械沖擊性等。,8,界面效應 ：界面是復合材料的特征，可將界面的機能歸納 為以下幾種效應：, 界面效應是任何一種單一材料所沒有的特性，界面研究將對復合材料性能的提高、材料設計、加工工藝的實事、新型復合材料的開發(fā)起著重要的作用。,9,4.2.1 界面的形成,復合材料界面的形成可分兩個階段：,第一階段：基體與增強纖維的接觸與浸潤過程,第二階段：聚合物的固化過程,增強纖維對基體分子中不同基團或各組分的吸附能力不同； 只是吸附能降低其表面能的物質(zhì)，并優(yōu)先吸附能較多降低其表面能的物質(zhì)。,聚合物通過物理或化學變化而形成固定的界面層。,4.2界面的形成與作用機理,10,界面的結合狀態(tài)和強度對復合材料的性能有重要影響。對于每一種復合材料都要求有合適的界面結合強度。,界面結合較差： 大多呈剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應力松弛等現(xiàn)象。,界面結合最佳態(tài)： 當受力發(fā)生開裂時，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)域化而不進一步界面脫粘；這時的復合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。,界面結合過強： 則呈脆性斷裂，也降低了復合材料的整體性能。,要實現(xiàn)這一點，必須要使材料在界面上形成能量的最低結合，存在液體對固體的良好浸潤。,形成良好界面的前提條件。,11,浸潤： 是把液滴放到固體表面，液滴會立即鋪展開來，遮蓋固體表面，這一現(xiàn)象稱為浸潤。,Water droplet on a lotus leaf,12,液體對固體的浸潤能力可用浸潤角(或接觸角)表示：,= 0 完全浸潤； 90 浸潤； 90 不浸潤； = 180 完全不浸潤,13,液體浸潤角的大小取決于： 固體表面張力SV、 液體表面張力LV 固液界面張力SL,粘合功WA最大時： cos =1，即 = 0， 液體完全平鋪在固體表面。,SV,SL,LV,14,15,復合材料良好界面的形成其前提條件是先形成良好的浸潤。,良好的浸潤取決于體系（固體、液體、界面）的表面張力。,小結,固液體的表面張力（或表面狀態(tài)）取決于表面結構。,16,（1）潤濕吸附理論 潤濕吸附理論是基于液態(tài)樹脂對纖維表面的浸潤親和，即物理和化學吸附作用。,4.2.1 界面的作用機理,高聚物的粘結作用分兩個階段：,第一階段： 高聚物大分子借助于宏觀布朗運動從液體或熔體中，移動到纖維表面，大分子鏈節(jié)逐漸向纖維表面極性基團靠近； 第二階段： 發(fā)生吸附作用。當纖維與聚合物分子間距0.5nm，形成各種分子間作用力（吸附產(chǎn)生的根本原因）。,17,剝離所需能量大大超過克服分子間作用力，表明界面上不僅僅存在分子間作用力； 該理論是以基體和纖維表面極性基團間相互作用為基礎，因此不能解釋為什么非極性聚合物間也會有粘結力。,潤濕吸附理論的局限性：,（1）潤濕吸附理論 潤濕吸附理論是基于液態(tài)樹脂對纖維表面的浸潤親和，即物理和化學吸附作用。,18,在復合材料組分之間發(fā)生化學作用，在界面上形成共價鍵結合。 在理論上可獲得最強的界面粘結能（210 - 220 J / mol）。 主要針對使用偶聯(lián)劑所起作用。,（2）化學鍵理論,19,在復合材料組分之間的粘結作用源于原子或分子間的相互擴散。,（3）擴散理論,當復合材料不同組分表面帶有異性電荷時，將發(fā)生靜電吸引。 僅在原子尺度量級內(nèi)靜電作用力才有效 。,（4）靜電理論,20,當兩個表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將 發(fā)生機械互鎖。,不足：盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中 有相當多的孔穴，粘稠的液體是無法流入的。無 法流入液體的孔不僅造成界面脫粘的缺陷，而且 也形成了應力集中點。,（5）機械作用理論,21,小結： 每一理論只能部分解釋某些現(xiàn)象或某些結果。 都有一定局限性。 實際的界面現(xiàn)象復雜的多，需多方面、多角度加以分析。 迄今，未能建立一個統(tǒng)一的界面響應理論模型。,22,4.3界面的破壞機理,4.3.1 影響界面粘合強度的因素,（1）纖維表面晶體大小及比表面積,碳纖維表面晶體增大，石墨化程度上升，模量增高，導致表面更光滑、更惰性，與樹脂粘結性和反應性更差，粘合強度下降。,纖維的比表面積大，粘合的物理界面大，粘合強度高。,23,（2）浸潤性,界面的粘合強度隨浸潤性增加而增加； 隨空隙率的上升而下降。,纖維表面吸附氣體或污物，不能完全浸潤，成為空隙。,24,（3）界面反應性,界面的粘合強度隨界面反應性增加而增大 ； 界面反應性基團的引入會增加界面化學鍵鍵合的比例。,硅烷偶聯(lián)劑改性剝離纖維表面，復合材料性能會得到改善； 采用等離子體改性纖維表面，提高反應性，復合材料的層剪強度得到明顯提高。,例如,25,（4）殘余應力對界面粘合強度的影響,樹脂和纖維熱膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的熱應力（主要的） 固化過程體積收縮產(chǎn)生的化學應力,界面殘余應力：,復合材料熱應力產(chǎn)生示意圖,26,4.3.2 界面破環(huán)機理,基體內(nèi)、增強體內(nèi)和層面層上存在的微裂紋、氣孔、內(nèi)應力等。,破壞的來源：,微裂紋破壞理論：,纖維和基體界面上均存在微裂紋； 在外力和環(huán)境因素作用下，其擴展過程將逐漸貫穿基體，最后到達纖維表面。 （例如：基體上的微裂紋的擴展趨勢，有的平行于纖維表面，有的垂直于纖維表面）,27,裂紋的發(fā)展伴隨能量的消耗,能量的逐漸消耗使其擴展速度減慢，分散裂紋尖端上的能量集中，未能造成纖維的破壞，致使整個破壞過程是界面逐步破壞過程。,脆性破壞:沒有能量消耗,能量集中于裂紋尖端，穿透纖維，導致纖維及復合材料破壞。,韌性破壞,28,裂紋的發(fā)展伴隨能量的消耗,能量的逐漸消耗使其擴展速度減慢，分散裂紋尖端上的能量集中，未能造成纖維的破壞，致使整個破壞過程是界面逐步破壞過程。,脆性破壞:沒有能量消耗,能量集中于裂紋尖端，穿透纖維，導致纖維及復合材料破壞。,韌性破壞,29,裂紋擴展時界面剝離的機理,裂紋向界面接近 主裂紋尖端的界面剝離 主裂紋與剝離界面的合體,30,裂紋擴展,無界面剝離與滑動 界面滑動 界面剝離,31,破壞形式（5種）,a) 基體斷裂 b) 纖維脫粘 c) 纖維斷裂 d)纖維拔出(摩擦功) e) 裂紋擴展與偏轉(zhuǎn),復合材料的破壞機制則是上述5種基本破壞形式的組合與綜合體現(xiàn)的結果。,32,4.3.3 水對復合材料及界面破環(huán)作用,玻璃纖維復合材料表面吸附的水浸入界面，發(fā)生水與玻璃纖維及樹脂間的化學變化，引起界面粘結破壞。P142，表4-2,（1）水的浸入,水分子體積小，極性大，易浸入界面； 玻璃纖維吸附水能力很強，且吸附可通過水膜進行傳遞，形成多層吸附，即較厚的水膜； 纖維越細，比表面積越大，吸附的水越多； 被吸附在GF表面的水異常牢固，加熱到110150，只能排除1/2被吸附的水。,水吸附特點,33,水浸入過程擴散過程,三條途徑：,從樹脂的宏觀裂縫（化學應力和熱應力所引起）處進入； 樹脂存在的雜質(zhì)，尤其是水溶性無機物雜質(zhì)，遇水因滲透壓作用形成高壓區(qū)，產(chǎn)生微裂紋，水繼續(xù)沿微裂紋浸入； 通過工藝過程中材料內(nèi)部形成的氣泡，這些氣泡在應力作用下破裂，形成相互串通的通道，水很容易沿通道達到很深的部位。,34,（2）水對玻璃纖維表面的化學腐蝕作用,GF表面的堿金屬溶解,堿性水溶液,GF的SiO2骨架解體,GF強度下降,加速表面的腐蝕破壞,（3）水促使破壞裂紋的擴展,水的表面腐蝕作用使纖維表面生成新的缺陷； 凝聚在裂紋尖端的水能產(chǎn)生很大的毛細壓力，促使纖維中原來裂紋擴展。,35,（4）水對樹脂的降解作用,水對樹脂的作用,水分子破壞聚合物內(nèi)的氫鍵和其他次價鍵,高聚物發(fā)生增塑作用,熱機械性能下降,可逆過程,物理效應,化學效應,水分子使酯鍵、醚鍵等發(fā)生水解,高聚物發(fā)生降解,破壞樹脂層，導致界面粘結破壞,不可逆過程,36,（5）水導致界面脫粘破壞,水導致界面脫粘破壞,水進入界面，使樹脂發(fā)生溶脹,粘結界面產(chǎn)生剪應力,剪應力大于界面粘結力，則界面發(fā)生脫粘破壞,樹脂溶脹,界面滲透壓,水在界面的微空隙聚集形成微水袋,溶解雜質(zhì)，使袋內(nèi)外形成濃度差，產(chǎn)生滲透壓,滲透壓大于界面粘結力，發(fā)生脫粘,37,4.4 纖維的表面處理,對GF而言，表面往往涂有一層紡織型浸潤劑（如石蠟乳劑），會妨礙與樹脂的粘結； 而沒有這層浸潤劑，GF表面又極易形成一層水膜，不僅腐蝕纖維，而且將危害纖維與樹脂的界面粘結； 對高模量CF，表面屬化學惰性，與樹脂的浸潤性差。,無機纖維增強材料與有機聚合物本質(zhì)上屬于不相容的兩類材料，直接應用難以得到理想界面。,無機材料的表面處理顯得極為重要。,38,4.4.1 增強材料的表面特性,表面特性,物理特性,化學特性,表面微結構 形態(tài)結構 比表面積,表面化學組成 表面官能團 表面反應性,表面吉布斯自由能,表面形態(tài),39,（1）增強材料的表面物理特性,不同纖維的表面形態(tài),任何固體表面都存在微裂紋、空隙、空洞等缺陷。,GF： 表面光滑，相對粗糙度小，橫截面為對稱圓型； PAN CF： 平滑規(guī)整，表面輕溝槽，橫截面多為圓形和腰子形； 人造絲CF： 表面相當光滑，縱向有不規(guī)則的溝槽和條帶，截面為圓形，不利于粘結； BF： 似玉米棒結構，但仍較平滑，比表面積較小，截面為圓形。,40,不同纖維的比表面積：,CF GF BF、SiC,CF與樹脂的浸潤性差？,表面積包括內(nèi)表面積和外表面積； CF內(nèi)存在大量呈軸向取向的內(nèi)孔、空洞，一般不延伸到纖維外表面，只是內(nèi)表面積高，粘結時表面利用率低。 界面粘結性主要由表面化學特性所決定。,41,（2）增強材料的表面化學特性,表面自由能大小 表面反應性,表面化學組成 官能團結構,表面處理必要性 兩相能否化學結合 是否易與環(huán)境反應,結 構,性 質(zhì),影 響,42,（3）表面吉布斯自由能,基體與增強纖維能夠粘結,兩者緊密接觸，相容性好,相互之間完全浸潤,表面張力即吉布斯自由能,固體的表面張力大于液體的表面張力，液體完全浸潤固體。,基體表面張力：3.54.510-4N/cm,43,4.4.2 玻璃纖維的表面處理,玻璃纖維的表面化學特性,GF表面化學組成與本體組成不完全相同：如E-GF，本體組成為Si、O、Al、Mg、B、F、Na等，表面組成僅為Si、O、Al； 表面陰陽離子不平衡，陽離子過剩，具有吸附傾向； 在結構中，SiO2網(wǎng)絡中分散著大小1.520nm的堿金屬氧化物，具有很大的吸濕性； SiO2網(wǎng)絡表面存在大量的極性-Si-OH基團，吸濕性強。,吸附一層水膜，破壞強度； 有利于表面改性,44,4.4.2 玻璃纖維的表面處理,浸潤劑,在拉絲工藝中，當玻璃液從漏板拉出單絲以后，要經(jīng)過浸潤槽把浸潤劑涂敷在玻璃纖維表面上。 浸潤劑可分為紡織型浸潤劑和增強型浸潤劑。,45,浸潤劑的作用 玻璃纖維突出的弱點： 較脆而且不耐磨，纖維之間的摩擦系數(shù)大。 在拉絲和紡織過程中，纖維就難免出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，而且剛拉出的纖維容易受到空氣中水蒸汽的侵蝕，使其強度下降。 浸潤劑的作用：使多根單絲集中成股，增加原紗的耐磨性和提高拉伸強度；保護纖維免受大氣和水分的侵蝕作用。,4.4.2 玻璃纖維的表面處理,浸潤劑,在拉絲工藝中，當玻璃液從漏板拉出單絲以后，要經(jīng)過浸潤槽把浸潤劑涂敷在玻璃纖維表面上。 浸潤劑可分為紡織型浸潤劑和增強型浸潤劑。,46,浸潤劑的種類,(1) 紡織型浸潤劑 主要是滿足紡織工序的要求。 使用該類浸潤劑的玻璃纖維和織物作為玻璃鋼的增強材科時，事先必須對纖維和織物進行表面處理。因為浸潤劑中含石蠟和油劑，影響與樹脂的粘結。,紡織型浸潤劑,淀粉浸潤劑,石蠟乳劑,淀粉為主要的成膜劑優(yōu)點：費用低、成膜性好、易除掉,主要成分：石蠟、凡士林、硬脂酸、變壓器油等 優(yōu)點：潤滑性、集束性好,浸潤劑的除去方法見P147.,47,(2) 增強型浸潤劑 組成：由中間粘合劑、潤滑劑、乳化劑等組分，配成拉絲用的浸潤劑，在拉絲過程中直接被覆于玻璃纖維表面。 效果：增強型浸潤劑在一定程度上能滿足拉絲工藝要求，而且對纖維與樹脂粘結影響不大。 應用：在玻璃鋼成型時不必除去，可直接使用。 提醒：在選用玻璃纖維及其織物時。必須根據(jù)樹脂類型考慮采用何種浸潤劑。,浸潤劑的種類,浸潤劑的除去方法見P147.,48,（2）偶聯(lián)劑表面處理,粘接：取決于增強材料的表面組成、結構與性質(zhì)。 采用偶聯(lián)劑，使其分子一端與纖維表面共價結合，而另一端也能與基體分子形成化學鍵，獲得良好的粘結，并有效降低水的侵蝕。 偶聯(lián)劑分子至少帶有兩類反應性官能團：一類官能團能與玻纖表面的-Si-OH發(fā)生反應而與之結合；另一類能參與樹脂的固化反應而與之結合。這樣，就像“橋”一樣，將玻纖與數(shù)值聯(lián)成一體，從而獲得良好的粘接性。,49,（2）偶聯(lián)劑表面處理,采用偶聯(lián)劑，使其分子一端與纖維表面共價結合，而另一端也能與基體分子形成化學鍵，獲得良好的粘結，并有效降低水的侵蝕。,50,（2）偶聯(lián)劑表面處理,采用偶聯(lián)劑，使其分子一端與纖維表面共價結合，而另一端也能與基體分子形成化學鍵，獲得良好的粘結，并有效降低水的侵蝕。,51,偶聯(lián)劑類型,有機硅烷類偶聯(lián)劑 有機鉻絡合物偶聯(lián)劑 鈦酸酯偶聯(lián)劑,n = 03,(Volan 沃蘭),52,常用玻璃纖維表面處理劑,53,54,55,偶聯(lián)劑作用機理：水解、吸附、自聚、偶聯(lián),n = 03,56,57,在兩相界面形成化學鍵， 大幅度提高界面粘接強度 改善了界面對應力的傳遞效果 提供了一個可塑界面層，可部分消除界面殘余應力 提供了一個防水層，保護了界面，阻止了脫粘和腐蝕的發(fā)生,偶聯(lián)劑的作用：,58,（3）有機硅烷類偶聯(lián)劑的配制,需使用穩(wěn)定的偶聯(lián)劑（水）溶液； 偶聯(lián)劑要現(xiàn)配現(xiàn)用（存在自聚傾向）； R基團和pH值決定其穩(wěn)定性： R基團為環(huán)氧基、乙烯基等中性基團：pH=4、稀乙酸 X基團為烷氧基：水解極慢，水解呈中性，溶液穩(wěn)定 X基團為-Cl：有機溶劑（水解產(chǎn)生HCl會使硅烷自縮聚） 濃度一般0.1%1.5%。（物理吸附層、化學吸附層、化學 吸附 的單分子層）,59,（4）玻璃纖維表面偶聯(lián)劑處理工藝,前處理法,后處理法,遷移法,在GF抽絲過程所用浸潤劑中加入偶聯(lián)劑，既滿足紡織工藝要求，又不妨礙纖維與樹脂的浸潤和粘結,普通處理法。先脫蠟處理（洗滌或熱處理）除去紡織型浸潤劑，再浸漬偶聯(lián)劑，水解，烘干,潛處理法。將偶聯(lián)劑直接加到樹脂膠液中，纖維在浸膠時，偶聯(lián)劑通過遷移作用，先行與纖維表面作用。,效果比前兩種方法差，但優(yōu)點是工藝操作簡單，不需要復雜的處理設備。,60,4.4.3 碳纖維的表面處理,碳纖維的結構與性能 對有機纖維進行預氧化、碳化等工藝處理、除去有機纖維中碳以外的元素、形成聚合多環(huán)芳香族平面結構。碳纖維的分子結構介于石墨和金剛石之間，是一種含碳量在90%左右的無機高分子纖維。 石墨層片微晶原纖碳纖維單絲,普通型 高強度型 高模量型,61,石墨微晶在整個碳纖維中的分布是不均勻的，碳纖維由外皮層和芯層兩部分組成，外皮層和芯層之間是連續(xù)的過渡層。,皮層的微晶尺寸大，排列有序整齊，結構均勻；芯層微晶尺寸較小，排列無序，結構不均勻；過渡層的性能則介于皮層和芯層之間。,碳纖維的截面圖,62,碳纖維的表面化學特性,表面只含C、H、O，未經(jīng)表面處理的碳纖維表面約含16.5%羥基、3.4%羰基，極性基團很少，不利于粘結；,表面存在很多孔隙、凹槽、雜質(zhì)等。,63,碳纖維的表面處理,表面處理目的：,提高碳纖維增強復合材料中碳纖維與基體的結合強度。,途徑：,清除表面雜質(zhì)； 在纖維表面形成微孔或刻蝕溝槽，從類石墨層面改性成碳狀結構以增加表面能； 引進具有極性或反應性官能團；形成能與樹脂起作用的中間層。,64,表面處理方法,碳纖維處理,氧化處理, 表面涂層改性法（聚合物涂層） 表面電聚合改性法（CF作電極，單體接枝聚合） 表面等離子體聚合接枝改性（等離子體激發(fā)產(chǎn)生自由基）, 氣相氧化法（空氣、O3） 液相氧化法（濃HNO3、次氯酸鈉） 陽極氧化法 等離子體氧化法（正負帶電粒子聚集體）,非氧化處理,（表面產(chǎn)生-OH、-COOH等活性基團）,（增加一層能與基體相容的可塑性聚合物界面層）,65,主要處理方法：,66,氣相氧化法,氣相氧化法是將碳纖維暴露在氣相氧化劑（ O2、 O3）中，在加溫（一般400-600）、加催化劑等特殊條件使其表面氧化生成一些含氧活性基團。,CF 表面轉(zhuǎn)變?yōu)橛H液性表面，與基體環(huán)氧樹脂溶液的接觸角減小，并與基體樹脂的環(huán)氧基發(fā)生化學反應。,67,斷面有拔出的裸露纖維 （未經(jīng)表面處理）,拔出的碳纖維粘結成簇 （經(jīng)O3表面處理）,68,液相氧化法,評價： 常用處理方法之一，主要是去掉碳纖維表面的弱界面層，引入各種極性基團而提高界面粘結性能。,采用液相介質(zhì)對碳纖維表面進行氧化的方法。常用的液相介質(zhì)有濃硝酸、混合酸、次氯酸鈉、 KMnO4 、 K2Cr2O7等強氧化劑。,69,碳纖維CF經(jīng)HNO3表面處理后，有下列變化： 比表面積增加 表面被刻蝕，表面粗糙度增加 表面官能團增加 主要是COOH,液相氧化對碳纖維表面性能的影響,70,由于大量廢酸廢液產(chǎn)生，所以環(huán)境污染較大； 液相氧化多為間歇操作，所需處理時間較長，與CF生產(chǎn)線相匹配有困難。 所以多用于間歇表面處理和研究表面處理的機理。近年來已逐漸被淘汰。 Note： 纖維經(jīng)HNO3處理后，強度損失較大。（p153）,液相氧化法的缺點：,71,陽極氧化法:采用電化學氧化法對PAN基碳纖維進行連續(xù)表面處理，碳纖維表面的不飽和狀態(tài)的碳原子進行氧化，使其生成含氧官能團。碳纖維表面的羥基數(shù)量顯著增加，提高活性碳原子數(shù)與非活性碳原子數(shù)比，使碳纖維復合材料的層間剪切強度提高49%。,陽極氧化法,碳纖維電化學表面處理前后XPS表面化學分析結果,72,等離子體？,隨著溫度的上升，物質(zhì)的存在狀態(tài)一般會呈現(xiàn)出固態(tài)液態(tài)氣態(tài)三種物態(tài)的轉(zhuǎn)化。 Q:對于氣態(tài)物質(zhì)，溫度達到幾千度時，狀態(tài)?,冰 水 水蒸氣,等離子體氧化法,A：分子熱運動加劇，能量增加而產(chǎn)生電離，外層電子脫離形成自由電子，原子形成正離子，形成自由運動并相互作用的正離子和電子組成的混合物（蠟燭的火焰就處于這種狀態(tài)）。 此狀態(tài)稱為物質(zhì)第四態(tài)，即等離子體（plasma）。,等離子體：正離子和電子的電離氣體。,73,等離子體來源： 自然界中的等離子體：太陽、電離層、極光、雷電等。 人工生成等離子體：熒光燈、霓虹燈、電弧焊、電暈放電等。,等離子體：正離子和電子的電離氣體。,74,等離子體處理表面原理： 通過等離子體撞擊碳纖維表面（晶角、晶邊等缺陷），從而刻蝕碳纖維表層，使其表面的粗糙度增加，表面積也相應增加。 由于等離子體粒子一般具有幾個到幾十個電子伏特的能量，使得碳纖維表面發(fā)生自由基反應，并引入含氧極性基團。,洗凈表面 使碳纖維表面的溝槽加深，粗糙度增加 在纖維的表面產(chǎn)生一些活性基團，如COOH，COO，OH，CO等,等離子體處理的效果,75,75,DilsizN,Ebert E,Weisweiler W.Effect of plasma polymerization on carbon fibers used for fiber/epoxyComp JColloid Interf Sci，1995，170：241,76,等離子體處理對復合材料層間剪切破壞斷面的SEM分析,未經(jīng)等離子體處理,等離子處理后,未經(jīng)等離子體處理的碳纖維復合材料斷口中，纖維與基體樹脂間存在明顯縫隙，纖維表面粘有的樹脂較少，表面較為光潔，破壞多發(fā)生在界面上。 經(jīng)過等離子體處理后的碳纖維復合材料破壞后纖維表面粘附的樹脂較多，而且纖維被樹脂緊密地包裹住，說明纖維表面與樹脂基體的粘結性較好，破壞較少發(fā)生在界面上而是發(fā)生在樹脂基體和纖維本體中。,77,可以在低溫下進行，避免了高溫對纖維的損傷； 處理時間短，幾秒鐘就能獲得所需要的效果； 經(jīng)改性的表面厚度薄，可達到幾微米，因此可以做到使材料表面性質(zhì)發(fā)生較大變化，而本體相的性質(zhì)基本保持不變。,等離子體處理的優(yōu)點：,78,將某種聚合物涂覆在碳纖維表面，改變復合材料界面層的結構與性能，使界面極性等相適應以提高界面粘結強度，同時提供一個可消除界面內(nèi)應力的可塑界面層。,78,西北工業(yè)大學材料科學與工程學院曾金芳等采用活性涂層、剛性涂層和柔性涂層，分別對HTAP30碳纖維進行表面處理,活性涂層可顯著改善復合材料的剪切性能，而且涂層濃度對性能的影響非常敏感，當濃度為1-2時，剪切強度可以提高20。,結果,曾金芳.喬生儒.丘哲明等.纖維表面處理對碳纖維復合材料剪切性能影響固體火箭技術，2002，25