復(fù)合材料的界面及復(fù)合原則【谷風(fēng)教育】

1、復(fù)合材料的復(fù)合原則及界面,1,教育課資,第一節(jié) 復(fù)合原則 要想制備一種好的復(fù)合材料，首先應(yīng)根據(jù)所要求的性能進(jìn)行設(shè)計，這樣才能成功地制備出性能理想的復(fù)合材料。 復(fù)合材料的設(shè)計應(yīng)遵循的原則如下：,2,教育課資,一、材料組元的選擇 挑選最合適的材料組元尤為重要。 在選擇材料組元時，首先應(yīng)明確各組元在使用中所應(yīng)承擔(dān)的功能，也就是說，必須明確對材料性能的要求。,3,教育課資,對材料組元進(jìn)行復(fù)合，即要求復(fù)合后材料達(dá)到如下性能，如高強(qiáng)度、高剛度、高耐蝕、耐磨、耐熱或其它的導(dǎo)電、傳熱等性能或者某些綜合性能如既高強(qiáng)又耐蝕、耐熱。,4,教育課資,因此，必須根據(jù)復(fù)合材料所需的性能來選擇組成復(fù)合材料的基體材料和增強(qiáng)材

2、料。 例如，若所設(shè)計的復(fù)合材料是用作結(jié)構(gòu)件，則復(fù)合的目的就是要使復(fù)合后材料具有最佳的強(qiáng)度、剛度和韌性等.,5,教育課資,因此，設(shè)計結(jié)構(gòu)件復(fù)合材料時，首先必須明確其中一種組元主要起承受載荷的作用，它必須具有高強(qiáng)度和高模量。這種組元就是所要選擇的增強(qiáng)材料； 而其它組元應(yīng)起傳遞載荷及協(xié)同的作用，而且要把增強(qiáng)材料粘結(jié)在一起，這類組元就是要選的基體材料。,6,教育課資,其次，除考慮性能要求外，還應(yīng)考慮組成復(fù)合材料的各組元之間的相容性，這包括物理、化學(xué)、力學(xué)等性能的相容，使材料各組元彼此和諧地共同發(fā)揮作用。 在任何使用環(huán)境中，復(fù)合材料的各組元之間的伸長、彎曲、應(yīng)變等都應(yīng)相互或彼此協(xié)調(diào)一致。,7,教育課資,

3、第三，要考慮復(fù)合材料各組元之間的浸潤性，使增強(qiáng)材料與基體之間達(dá)到比較理想的具有一定結(jié)合強(qiáng)度的界面。 適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)合強(qiáng)度不僅有利于提高材料的整體強(qiáng)度，更重要的是便于將基體所承受的載荷通過界面?zhèn)鬟f給增強(qiáng)材料，以充分發(fā)揮其增強(qiáng)作用。,8,教育課資,若結(jié)合強(qiáng)度太低，界面很難傳遞載荷，不能起潛在材料的作用，影響復(fù)合材料的整體強(qiáng)度； 但結(jié)合強(qiáng)度太高也不利，它遏制復(fù)合材料斷裂對能量的吸收，易發(fā)生脆性斷裂。 除此之外，還應(yīng)聯(lián)系到整個復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)來考慮。,9,教育課資,具體到顆粒和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來說，增強(qiáng)效果與顆粒或纖維的體積含量、直徑、分布間距及分布狀態(tài)有關(guān)。 顆粒和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的設(shè)計原則如下：,10

4、,教育課資,1. 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的原則,(1)顆粒應(yīng)高度彌散均勻地分散在基體中，使其阻礙導(dǎo)致塑性變形的位錯運動(金屬、陶瓷基體)或分子鏈的運動(聚合物基體)。,11,教育課資,(2)顆粒直徑的大小要合適。 因為顆粒直徑過大，會引起應(yīng)力集中或本身破碎，從而導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低； 顆粒直徑太小，則起不到大的強(qiáng)化作用。因此，一般粒徑為幾微米到幾十微米。,12,教育課資,(3)顆粒的數(shù)量一般大于20。數(shù)量太少，達(dá)不到最佳的強(qiáng)化效果。 (4)顆粒與基體之間應(yīng)有一定的粘結(jié)作用。,13,教育課資,2纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的原則 (1)纖維的強(qiáng)度和模量都要高于基體，即纖維應(yīng)具有高模量和高強(qiáng)度，因為除個別情況外，在多數(shù)

5、情況下承載主要是靠增強(qiáng)纖維。 (2)纖維與基體之間要有一定的粘結(jié)作用，兩者之間結(jié)合要保證所受的力通過界面?zhèn)鬟f給纖維。,14,教育課資,(3)纖維與基體的熱膨脹系數(shù)不能相差過大，否則在熱脹冷縮過程中會自動削弱它們之間的結(jié)合強(qiáng)度。 (4)纖維與基體之間不能發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)，特別是不發(fā)生強(qiáng)烈的反應(yīng)，否則將引起纖維性能降低而失去強(qiáng)化作用。,15,教育課資,(5)纖維所占的體積、纖維的尺寸和分布必須適宜。 一般而言，基體中纖維的體積含量越高，其增強(qiáng)效果越顯著； 纖維直徑越細(xì)，則缺陷越小，纖維強(qiáng)度也越高； 連續(xù)纖維的增強(qiáng)作用大大高于短纖維，不連續(xù)短纖維的長度必須大于一定的長度(一般是長徑比5)才能顯示出

6、明顯的增強(qiáng)效果。,16,教育課資,二、制備方法的選擇 材料組元選擇后，就要考慮所采用的復(fù)合工藝路線，即具體的制備方法。 制備方法的選擇主要應(yīng)考慮以下四個方面：,17,教育課資,(1)所選的工藝方法對材料組元的損傷最小，尤其是纖維或晶須摻入基體之中時，一些機(jī)械的混合方法往往造成纖維或晶須的損傷；,18,教育課資,(2)能使任何形式的增強(qiáng)材料(纖維、顆粒、晶須)均勻分布或按預(yù)設(shè)計要求規(guī)則排列； (3)使最終形成的復(fù)合材料在性能上達(dá)到充分發(fā)揮各組元的作用，即達(dá)到揚長避短，而且各組元仍保留著固有的特性。,19,教育課資,在制備方法的選擇上還應(yīng)考慮性能價格比，在能達(dá)到復(fù)合材料使用要求的情況下，盡可能選擇

7、簡便易行的工藝以降低制備成本。 針對不同的增強(qiáng)材料和基體特性應(yīng)采用不同的制備方法，,20,教育課資,如金屬基復(fù)合材料中，采用纖維與顆粒、晶須增強(qiáng)時，同樣采用固態(tài)法，但用纖維增強(qiáng)時，一般采用擴(kuò)散結(jié)合；而用顆?；蚓ы氃鰪?qiáng)時，往往采用粉末冶金法結(jié)合。 因為顆粒或晶須增強(qiáng)時若采用擴(kuò)散結(jié)合，勢必使制造工藝十分復(fù)雜，且無法保證顆?；蚓ы毦鶆蚍稚ⅰ?21,教育課資,第二節(jié) 復(fù)合材料的界面 復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)物之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。,22,教育課資,復(fù)合材料的界面雖然很小，但它是有尺寸的，約幾個納米到幾個微米，是一個區(qū)域或一個帶、或一層，它的厚度呈不均

8、勻分布狀態(tài)。,23,教育課資,界面通常包含以下幾個部分： 基體和增強(qiáng)物的部分原始接觸面； 基體與增強(qiáng)物相互作用生成的反應(yīng)產(chǎn)物，此產(chǎn)物與基體及增強(qiáng)物的接觸面；,24,教育課資,基體和增強(qiáng)物的互擴(kuò)散層； 增強(qiáng)物上的表面涂層； 基體和增強(qiáng)物上的氧化物及它們的反應(yīng)產(chǎn)物之間的接觸面等。,25,教育課資,在化學(xué)成分上，除了基體、增強(qiáng)物及涂層中的元素外，還有基體中的合金元素和雜質(zhì)、由環(huán)境帶來的雜質(zhì)。 這些成分或以原始狀態(tài)存在，或重新組合成新的化合物。 因此，界面上的化學(xué)成分和相結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的。,26,教育課資,界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能歸納為以下幾種效應(yīng)。 (1)傳遞效應(yīng) 界面能傳遞力，即將外力傳

9、遞給增強(qiáng)物，起到基體和增強(qiáng)物之間的橋梁作用。 (2)阻斷效應(yīng) 結(jié)合適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、中斷材料破壞、減緩應(yīng)力集中的作用。,27,教育課資,(3)不連續(xù)效應(yīng) 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(yīng)性、磁性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等。 (4)散射和吸收效應(yīng) 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(jī)械沖擊及耐熱沖擊性等。,28,教育課資,(5)誘導(dǎo)效應(yīng) 一種物質(zhì)(通常是增強(qiáng)物)的表面結(jié)構(gòu)使另一種(通常是聚合物基體)與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)的彈性、低的膨脹性、耐沖擊性和耐熱性等。,29,

10、教育課資,界面上產(chǎn)生的這些效應(yīng)，是任何一種單體材料所沒有的特性，它對復(fù)合材料具有重要作用。 例如在粒子彌散強(qiáng)化金屬中，微形粒子阻止晶格位錯，從而提高復(fù)合材料強(qiáng)度； 在纖維增強(qiáng)塑料中，纖維與基體界面阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展等。,30,教育課資,因而在任何復(fù)合材料中，界面和改善界面性能的表面處理方法是關(guān)于這種復(fù)合材料是否有使用價值、能否推廣使用的一個極重要的問題。 界面效應(yīng)既與界面結(jié)合狀態(tài)、形態(tài)和物理-化學(xué)性質(zhì)等有關(guān)，也與界面兩側(cè)組分材料的浸潤性、相容性、擴(kuò)散性等密切相聯(lián)。,31,教育課資,復(fù)合材料中的界面并不是一個單純的幾何面，而是一個多層結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域，界面區(qū)是從與增強(qiáng)劑內(nèi)部性質(zhì)不同的某一點開始，直

11、到與樹脂基體內(nèi)整體性質(zhì)相一致的點間的區(qū)域。,32,教育課資,界面區(qū)域的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)都不同于兩相中的任一相。 從結(jié)構(gòu)上來分，這一界面區(qū)由五個亞層組成(見下圖所示)：,33,教育課資,界面區(qū)域示意圖 1一外力場； 2-場所樹脂基體； 3-基體表面區(qū)；4-相互滲透區(qū) 5一增強(qiáng)劑表面；6-增強(qiáng)劑,每一亞層的性能均與樹脂基體和增強(qiáng)劑的性質(zhì)、偶聯(lián)劑的品種和性質(zhì)、復(fù)合材料的成型方法等密切有關(guān)。,34,教育課資,基體和增強(qiáng)物通過界面結(jié)合在一起，構(gòu)成復(fù)合材料整體，界面結(jié)合的狀態(tài)和強(qiáng)度對復(fù)合材料的性能有重要影響。 因此，對于各種復(fù)合材料都要求有合適的界面結(jié)合強(qiáng)度。,35,教育課資,界面的結(jié)合強(qiáng)度一般是以分子間力、表

12、面張力(表面自由能)等表示的，而實際上有許多因素影響著界面結(jié)合強(qiáng)度。,36,教育課資,如表面的幾何形狀、分布狀況、紋理結(jié)構(gòu)； 表面吸附氣體和蒸氣程度； 表面吸水情況，雜質(zhì)存在； 表面形態(tài)在界面的溶解、浸透、擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)； 表面層的力學(xué)特性，潤濕速度等。,37,教育課資,由于界面區(qū)相對于整體材料所占比重甚微，欲單獨對某一性能進(jìn)行度量有很大困難。 因此常借于整體材料的力學(xué)性能來表征界面性能，如層間剪切強(qiáng)度(ILSS)就是研究界面粘結(jié)的良好辦法； 如再能配合斷裂形貌分析等即可對界面的其他性能作較深入的研究。,38,教育課資,由于復(fù)合材料的破壞形式隨作用力的類型、原材料結(jié)構(gòu)組成不同而異，故破壞可開始

13、在樹脂基體或增強(qiáng)劑，也可開始在界面。,39,教育課資,通過力學(xué)分析可看出，界面性能較差的材料大多呈剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。 但界面間粘結(jié)過強(qiáng)的材料呈脆性也降低了材料的復(fù)合性能。,40,教育課資,界面最佳態(tài)的衡量是當(dāng)受力發(fā)生開裂時，這一裂紋能轉(zhuǎn)為區(qū)域化而不產(chǎn)生近一步界面脫粘。即這時的復(fù)合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。,41,教育課資,由此可見，在研究和設(shè)計界面時，不應(yīng)只追求界面粘結(jié)而應(yīng)考慮到最優(yōu)化和最佳綜合性能。,42,教育課資,例如，在某些應(yīng)用中，如果要求能量吸收或纖維應(yīng)力很大時，控制界面的部分脫粘也許是所期望的，用淀粉或明膠作為增強(qiáng)玻璃纖維表面浸

14、潤劑的E粗紗已用于制備具有高沖擊強(qiáng)度的避彈衣。,43,教育課資,由于界面尺寸很小且不均勻、化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、力學(xué)環(huán)境復(fù)雜、對于界面的結(jié)合強(qiáng)度、界面的厚度、界面的應(yīng)力狀態(tài)尚無直接的、準(zhǔn)確的定量分析方法；,44,教育課資,所以，對于界面結(jié)合狀態(tài)、形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及它對復(fù)合材料性能的影響尚沒有適當(dāng)?shù)脑囼灧椒?，通常需要借助拉曼光譜、電子質(zhì)譜、紅外掃描、x衍射等試驗逐步摸索和統(tǒng)一認(rèn)識。,45,教育課資,另外，對于成分和相結(jié)構(gòu)也很難作出全面的分析。 因此，這今為止，對復(fù)合材料界面的認(rèn)識還是很不充分的，不能以一個通用的模型來建立完整的理論。 盡管存在很大的困難，但由于界面的重要性，所以吸引著大量研究者致力于認(rèn)

15、識界面的工作，以便掌根其規(guī)律。,46,教育課資,第三節(jié) 復(fù)合材料的界面設(shè)計原則,界面粘結(jié)強(qiáng)度是衡量復(fù)合材料中增強(qiáng)體與基體間界面結(jié)合狀態(tài)的一個指標(biāo)。 界面粘結(jié)強(qiáng)度對復(fù)合材料整體力學(xué)性能的影響很大，界面粘結(jié)過高或過弱都是不利的。,47,教育課資,因此，人們很重視開展復(fù)合材料界面微區(qū)的研究和優(yōu)化設(shè)計，以便制得具有最佳綜合性能的復(fù)合材料。 下圖給出了影響復(fù)合材料界面效應(yīng)的因素及其與復(fù)合材料性能的關(guān)系。,48,教育課資,增強(qiáng)體：纖維、晶須、顆粒、片狀 基體：聚合物金屬、陶瓷、碳等,49,教育課資,大量事實證明，復(fù)合材料的界面實質(zhì)上是納米級以上厚度的界面層(Interlayer)或稱界面相(Interph

16、ase)。,50,教育課資,界面相是一種結(jié)構(gòu)隨增強(qiáng)材料而異，并與基體有明顯差別的新相。 界面相也包括在增強(qiáng)材料表面上預(yù)先涂覆的表面處理劑層以及增強(qiáng)材料經(jīng)表面處理工藝后而發(fā)生反應(yīng)的界面層。,51,教育課資,結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，界面層的作用首先是把施加在整體上的力，由基體通過界面層傳遞到增強(qiáng)材料組元，這就需要有足夠的界面粘接強(qiáng)度，粘接過程中，兩相表面能相互潤濕是首要的條件。,52,教育課資,界面層的另一作用是在一定的應(yīng)力條件下能夠脫粘，以及使增強(qiáng)纖維從基體拔出并發(fā)生摩擦。這樣就可以借助脫粘增大表面能、拔出功和摩擦功等形式來吸收外加載荷的能量以達(dá)到提高其抗破壞能力。 從以上兩方面綜合考慮，則要求界面具有

17、最佳粘接狀態(tài)。,53,教育課資,設(shè)計復(fù)合材料時，僅僅考慮到復(fù)合材料具有粘接適度的界面層還不夠，還要考慮究竟什么性質(zhì)的界面層最為合適。,54,教育課資,對界面層的見解有兩種觀點，一種是界面層的模量應(yīng)介于增強(qiáng)材料與基體材料之間，最好形成梯度過渡。 另一種觀點是界面層的模量低于增強(qiáng)材料與基體，最好是一種類似橡膠的彈性體，在受力時有較大的形變。,55,教育課資,前一種觀點從力學(xué)的角度來看，將會產(chǎn)生好的效果； 后一種觀點按照可形變層理論，則可以將集中于界面的應(yīng)力點迅速分散，從而提高整體的力學(xué)性能。,56,教育課資,前面的兩種觀點都有一定的實驗支持，但是尚未得到定論。 然而無論如何，若界面層的模量高于增強(qiáng)

18、材料和基體的模量，將會產(chǎn)生不良的效果，這是大家都公認(rèn)的觀點。,57,教育課資,實驗表明，金屬基復(fù)合材料由于容易發(fā)生界面反應(yīng)，生成脆性大的界面反應(yīng)層，在低應(yīng)力條件下，界面就會破壞，從而降低復(fù)合材料的整體性能。 因此，界面層控制是設(shè)計復(fù)合材料的一個重要方面。,58,教育課資,界面層的形貌、厚度、結(jié)構(gòu)等可通過先進(jìn)的科學(xué)儀器進(jìn)行觀察與分析，常用的有俄歇電子譜儀(AES)、電子探針(EP)、x光電子能譜儀(XPS)、掃描二次離子質(zhì)譜儀(SSIMS)、電子能量損失譜儀(EELS)、x射線反射譜儀(GAXP)、透射電鏡(TEM)和掃描電鏡(SEM)等。,59,教育課資,一、聚合物基復(fù)合材料界面設(shè)計,在聚合物

19、基復(fù)合材料的設(shè)計中，首先應(yīng)考慮如何改善增強(qiáng)材料與基體間的浸潤性。,60,教育課資,對碳纖維表面上涂覆惰性涂層和能與基體樹脂發(fā)生反應(yīng)或聚合的涂層，比較后發(fā)現(xiàn)，惰性涂層效果較好，后一種活性涂層由于降低了相界面的浸潤性而效果不良。 浸潤不良將會在界面產(chǎn)生空隙，易使應(yīng)力集中而使復(fù)合材料發(fā)生開裂。,61,教育課資,另外，選擇合適的偶聯(lián)劑也很重要，所選處理增強(qiáng)材料表面的偶聯(lián)劑應(yīng)既含有能與增強(qiáng)材料起化學(xué)作用的官能團(tuán)，又含有與聚合物基體起化學(xué)作用的官能團(tuán)。,62,教育課資,如玻璃纖維使用硅烷作為偶聯(lián)劑可使復(fù)合材料的性能大大改善，碳纖維經(jīng)氧化處理或等離子體處理以及適當(dāng)?shù)耐繉佣伎梢允盏胶芎玫男Ч?63,教育課資

20、,二、金屬基、陶瓷基復(fù)合材科界面設(shè)計 金屬基復(fù)合材料的特點是容易發(fā)生界面反應(yīng)而生成脆性界面。 若基體為合金，則還易出現(xiàn)某元素在界面上富集的現(xiàn)象。,64,教育課資,有關(guān)金屬基復(fù)合材料的界面控制研究主要有以下兩方面： 1對增強(qiáng)材料進(jìn)行表面處理 在增強(qiáng)材料組元上預(yù)先涂層以改善增強(qiáng)材料與基體的浸潤性，同時涂層還應(yīng)起到防止發(fā)生反應(yīng)的阻擋層作用。,65,教育課資,2選擇金屬元素 改變基體的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻擋層來控制界面反應(yīng)。,66,教育課資,在碳纖維增強(qiáng)A1復(fù)合材料中，在碳纖維上涂Ti-B涂層；在碳纖維增強(qiáng)Mg復(fù)合材料中采用SiO2作涂層；在硼纖維增強(qiáng)A1復(fù)合材料中用SiC涂層等都

21、是在增強(qiáng)材料表面預(yù)先涂層的例子。,67,教育課資,另外，在C/A1復(fù)合材料中，常用含Ti的Al合金，由于Ti的富集形成一層松散的鈦化物阻擋層，可大大提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和抗沖擊性。,68,教育課資,多數(shù)陶瓷基復(fù)合材料中增強(qiáng)材料與基體之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，或不發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)。 有時，有些陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料與其基體的化學(xué)成分相同。,69,教育課資,例如，如SiC晶須或SiC纖維增強(qiáng)SiC陶瓷，這種復(fù)合材料也希望建立一個合適的界面，即合適的粘接強(qiáng)度、界面層模量和厚度以提高其韌性。 一般認(rèn)為，陶瓷基復(fù)合材料需要一種既能提供界面粘接又能發(fā)生脫粘的界面層，這樣才能充分改善陶瓷材料韌性差的缺點。,

22、70,教育課資,第四節(jié) 復(fù)合材料界面理論 復(fù)合材料是由性質(zhì)和形狀各不相同的兩種或兩種以上材料組元復(fù)合而成，所以必然存在著不同材料共有的接觸面-界面。,71,教育課資,正是界面使增強(qiáng)材料與基體材料結(jié)合為一個整體。 人們一直非常重視界面的研究，并有大量的文獻(xiàn)報道，但由于材料的多樣化及界面的復(fù)雜性，至今尚無一個普通性的理論來說明復(fù)合材料的界面行為。 對復(fù)合材料來講，材料組元之間相互浸潤是復(fù)合的首要條件。,72,教育課資,一、浸潤性 復(fù)合材料在制備過程中，只要涉及到液相與固相的相互作用，必然就有液相與固相的浸潤問題。,73,教育課資,在制備聚合物基復(fù)合材料時，一般是把聚合物(液態(tài)樹脂)均勻地浸漬或涂刷

23、在增強(qiáng)材料上。 樹脂對增強(qiáng)材料的浸潤性是指樹脂能否均勻地分布在增強(qiáng)材科的周圍，這是樹脂與增強(qiáng)材料能否形成良好粘結(jié)的重要前提。,74,教育課資,在制備金屬基復(fù)合材料時，液態(tài)金屬對增強(qiáng)材料的浸潤性，則直接影響到界面粘結(jié)強(qiáng)度。 浸潤性是表示液體在固體表面上鋪展的程度。,75,教育課資,好的浸潤性意味著液體(基體)將在增強(qiáng)材料上鋪展開來，并覆蓋整個增強(qiáng)材料表面。 假如基體的粘度不是太高，浸潤后導(dǎo)致體系自由能降低的話，就會發(fā)生基體對增強(qiáng)材料的浸潤。,76,教育課資,一滴液體滴落在一固體表面時，原來固-氣接觸界面將被液-固界面和液-氣界面所代替，用 LG 、SG 、SL分別代表液-氣、固-氣和固-液的比表

24、面能或稱表面張力(即單位面積的能量)。,77,教育課資,因此，鋪展系數(shù)SC(Spreading Coefficient)被定義為：,按照熱力學(xué)條件，只有體系自由能減少時，液體才能鋪展開來，即,78,教育課資,只有當(dāng)鋪展系數(shù)SC0時，才能發(fā)生浸潤。不完全浸潤的情況如下圖所示，根據(jù)力平衡，可得,式中稱為接觸角。,79,教育課資,（a）不完全浸潤,（b）不浸潤,不完全浸潤(a)和不浸潤(b)情況示意圖,80,教育課資,由可知浸潤的程度。 0o時，液體完全浸潤固體； 180o時，不浸潤； oo 180o時，不完全浸潤(或稱部分浸潤)，隨角度下降，浸潤的程度增加。 90o時常認(rèn)為不發(fā)生液體浸潤。,81,

25、教育課資,對于一個結(jié)定的體系，接觸角隨著溫度、保持時間、吸附氣體等而變化。 浸潤性僅僅表示了液體與固體發(fā)生接觸時的情況，而并不能表示界面的粘結(jié)性能。,82,教育課資,一種體系的兩個組元可能有極好的浸潤性，但它們之間的結(jié)合可能很弱，如范德華物理鍵合形式。 因此良好的浸潤性，只是兩個組元間可達(dá)到良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。,83,教育課資,為了提高復(fù)合材料組元間的浸潤性，常常通過對增強(qiáng)材料進(jìn)行表面處理的方法來改善潤濕條件，有時也可通過改變基體成分來實現(xiàn)。,84,教育課資,二、界面粘結(jié) 界面的粘結(jié)強(qiáng)度直接影響著復(fù)合材料的力學(xué)性能以及其它物理、化學(xué)性能，如耐熱性、耐蝕性、耐磨性等。 因此自50年

26、代以來，復(fù)合材料的界面粘結(jié)機(jī)理一直是人們致力研究的內(nèi)容。,85,教育課資,粘結(jié)(或稱粘合、粘著、粘接)是指不同種類的兩種材料相互接觸并結(jié)合在一起的一種現(xiàn)象。 當(dāng)基體浸潤增強(qiáng)材料后，緊接著便發(fā)生基體與增強(qiáng)材料的粘結(jié)(Bonding)。,86,教育課資,對于一個給定的復(fù)合材料體系，同時可能會有不同的粘結(jié)機(jī)理(如機(jī)械粘結(jié)、靜電粘結(jié)等)起作用，而且在不同的生產(chǎn)過程中或復(fù)合材料的使用期間，粘結(jié)機(jī)理還會發(fā)生變化，如由靜電粘結(jié)變成反應(yīng)粘結(jié)。,87,教育課資,體系不同，粘結(jié)的種類或機(jī)理不同，這主要取決于基體與增強(qiáng)材料的種類以及表面活性劑(或稱偶聯(lián)劑)的類型等。 界面粘結(jié)機(jī)理主要有界面反應(yīng)理論、浸潤理論、可變形

27、層理論、約束層理論、靜電作用理論、機(jī)械作用理論等。,88,教育課資,1機(jī)械作用理論 機(jī)械作用機(jī)理如圖33(a)所示，當(dāng)兩個表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將發(fā)生機(jī)械互鎖interlocking)。很顯然表面越粗糙，互鎖作用越強(qiáng)，因此機(jī)械粘結(jié)作用越有效。,界面粘結(jié)機(jī)理示意圖 機(jī)械作用理論（mechanical bonding）,89,教育課資,在受到平行于界面的作用力時，機(jī)械粘結(jié)作用可達(dá)到最佳效果，獲得較高的剪切強(qiáng)度。但若界面受拉力作用時，除非界面有如圖中A處所示的錨固形態(tài)，否則拉伸強(qiáng)度會很低。 在大多數(shù)情況下，純粹機(jī)械粘結(jié)作用很難遇到，往往是機(jī)械粘結(jié)作用與其它粘結(jié)機(jī)理共同起作用。,90,教育課

28、資,2靜電作用理論 當(dāng)復(fù)合材料的基體及增強(qiáng)材料的表面帶有異性電荷時，在基體與增強(qiáng)材料之間將發(fā)生靜電吸引力，如圖所示。靜電相互作用的距離很短，僅在原子尺度量級內(nèi)靜電作用力才有效。因此表面的污染等將大大減弱這種粘結(jié)作用。,界面粘結(jié)機(jī)理示意圖靜電作用理論(electrostatic bonding),91,教育課資,3化學(xué)作用理論 化學(xué)作用是指增強(qiáng)材料表面的化學(xué)基(圖33(c)中標(biāo)有x面)與基體表面的相容基(標(biāo)有R面)之間的化學(xué)粘結(jié)。,界面粘結(jié)機(jī)理示意圖化學(xué)作用理論(chemical bonding) R、X分別代表相容的官能團(tuán),92,教育課資,化學(xué)作用理論最成功的應(yīng)用是偶聯(lián)劑用于增強(qiáng)材料表面與聚合