復(fù)合材料原理第3章

1、3 3 復(fù)合材料的界面狀態(tài)解析復(fù)合材料的界面狀態(tài)解析1、了解界面的分類；、了解界面的分類；2、掌握復(fù)合材料的界面層，除了在性能和結(jié)構(gòu)上不同于、掌握復(fù)合材料的界面層，除了在性能和結(jié)構(gòu)上不同于相鄰兩組分相外，還具有的特點；相鄰兩組分相外，還具有的特點；3、掌握復(fù)合材料界面的研究對象；、掌握復(fù)合材料界面的研究對象；4、掌握與表面張力有關(guān)的因素；、掌握與表面張力有關(guān)的因素；5、掌握吸附按作用力的分類及特點；、掌握吸附按作用力的分類及特點；6、掌握導(dǎo)致接觸角的滯后效應(yīng)的原因；、掌握導(dǎo)致接觸角的滯后效應(yīng)的原因；7、掌握固體被液體的浸潤性；、掌握固體被液體的浸潤性；8、了解界面的相容性與粘接；、了解界面的相

2、容性與粘接；9、了解浸潤動力學(xué)；、了解浸潤動力學(xué)；10、重點掌握、重點掌握增強體的表面特性及對復(fù)合材料界面結(jié)合的增強體的表面特性及對復(fù)合材料界面結(jié)合的影響。影響。3 3 復(fù)合材料的界面狀態(tài)解析復(fù)合材料的界面狀態(tài)解析 復(fù)合材料性能的主要影響因素包括三個方面：復(fù)合材料性能的主要影響因素包括三個方面：1、基體和增強體或功能體的性能；、基體和增強體或功能體的性能；2、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和成型技術(shù)；、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和成型技術(shù)；3、界面結(jié)合狀態(tài)、界面結(jié)合狀態(tài)(物理的和化學(xué)的物理的和化學(xué)的)及由此產(chǎn)生的復(fù)合效及由此產(chǎn)生的復(fù)合效應(yīng)。應(yīng)。 這三個方面都可以成為復(fù)合材料的薄弱環(huán)節(jié)；換言這三個方面都可以成為復(fù)合材料的薄

3、弱環(huán)節(jié)；換言之，復(fù)合材料的的性能應(yīng)是以上三個因素綜合效果的作之，復(fù)合材料的的性能應(yīng)是以上三個因素綜合效果的作用結(jié)果。用結(jié)果。 3.1 界面效應(yīng)界面效應(yīng)界面的分類：界面的分類： 根據(jù)物質(zhì)的聚集態(tài)，可以得到五種類型的界面，即氣根據(jù)物質(zhì)的聚集態(tài)，可以得到五種類型的界面，即氣-液（液（g-l）、氣）、氣-固（固（g-s）、液）、液-液（液（l-l）、液）、液-固（固（l-s）、固）、固-固（固（s-s）界面。）界面。 通常的研究中，習(xí)慣于把氣通常的研究中，習(xí)慣于把氣-液（液（g-l） 、氣、氣-固（固（g-s）界面分別稱為液相表面、固相表面。界面分別稱為液相表面、固相表面。注意：注意： 對于復(fù)合材料來

4、說，界面并非是一個理想的幾何面。對于復(fù)合材料來說，界面并非是一個理想的幾何面。實驗證明：實驗證明： 復(fù)合材料中相與相之間的兩相交接區(qū)是一個具有相當厚復(fù)合材料中相與相之間的兩相交接區(qū)是一個具有相當厚度的界面層，兩相的接觸會引起多種界面效應(yīng)，使界面層的度的界面層，兩相的接觸會引起多種界面效應(yīng)，使界面層的結(jié)構(gòu)和性能不同于它兩側(cè)鄰近的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。結(jié)構(gòu)和性能不同于它兩側(cè)鄰近的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。 圖圖3.1 3.1 聚合物復(fù)合材料界面示意聚合物復(fù)合材料界面示意（a a）含界面物質(zhì)；）含界面物質(zhì)； （b b）不含界面物質(zhì)）不含界面物質(zhì) 復(fù)合材料的界面層，除了在性能和結(jié)構(gòu)上不同復(fù)合材料的界面層，除了在性能和結(jié)構(gòu)上不

5、同于相鄰兩組分相外，于相鄰兩組分相外，還具有如下特點：還具有如下特點：(1)具有一定的厚度；具有一定的厚度；(2)性能在厚度方向上有一定的梯度變化；性能在厚度方向上有一定的梯度變化；(3)隨環(huán)境條件變化而改變隨環(huán)境條件變化而改變 。 界面層的存在，導(dǎo)致界面效應(yīng)的發(fā)生。界面層的存在，導(dǎo)致界面效應(yīng)的發(fā)生。林毅把復(fù)合材林毅把復(fù)合材料的界面效應(yīng)歸結(jié)四類：料的界面效應(yīng)歸結(jié)四類：(1)分割效應(yīng)：分割效應(yīng)：一個連續(xù)體被分割成許多區(qū)域，分析尺寸一個連續(xù)體被分割成許多區(qū)域，分析尺寸大小、中斷強度、分散情況等對基體的力學(xué)性能的影響；大小、中斷強度、分散情況等對基體的力學(xué)性能的影響；(2)不連續(xù)效應(yīng)：不連續(xù)效應(yīng)：在

6、界面上引起的物理性質(zhì)的不連續(xù)性和在界面上引起的物理性質(zhì)的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如電阻、介電特性、磁性、耐熱性、界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如電阻、介電特性、磁性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等；尺寸穩(wěn)定性等；(3)散射和吸收效應(yīng)：散射和吸收效應(yīng)：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等界面產(chǎn)生的散射和吸收，如界面產(chǎn)生的散射和吸收，如 透光性、隔熱性、隔音性、耐透光性、隔熱性、隔音性、耐沖擊性及耐熱沖擊性等；沖擊性及耐熱沖擊性等；(4)感應(yīng)效應(yīng)：感應(yīng)效應(yīng)：在界面上產(chǎn)生的感應(yīng)效應(yīng)，特別是應(yīng)變、在界面上產(chǎn)生的感應(yīng)效應(yīng)，特別是應(yīng)變、內(nèi)應(yīng)力和由此出現(xiàn)的現(xiàn)象內(nèi)應(yīng)力和由此出現(xiàn)的現(xiàn)象高的彈性、低的熱

7、膨脹性、耐高的彈性、低的熱膨脹性、耐沖擊性和耐熱性等。沖擊性和耐熱性等。 32 復(fù)合材料界面的研究對象復(fù)合材料界面的研究對象表面處理物質(zhì)表面處理物質(zhì)增強體增強體基體基體表面處理物質(zhì)層表面處理物質(zhì)層增強體增強體表面處理物質(zhì)層表面處理物質(zhì)層增強體增強體基體基體增強體增強體表面處理技術(shù)表面處理技術(shù)基體基體復(fù)合技術(shù)復(fù)合技術(shù)IFF F 表面表面F/I F/I 界面界面I I 表面表面I I 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)F/I F/I 界面界面I/M I/M 界面界面F/M F/M 界面界面M M復(fù)合材料界面的研究對象：復(fù)合材料界面的研究對象：（1）增強體表面有關(guān)的問題：）增強體表面有關(guān)的問題： 、增強體表面的化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)

8、與性能；增強體表面的化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)與性能； 、增強體與表面處理物質(zhì)界面層的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)及對增強增強體與表面處理物質(zhì)界面層的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)及對增強體表面特性的影響；體表面特性的影響； 、增強體表面特性與基體之間的相互關(guān)系及兩者間的相增強體表面特性與基體之間的相互關(guān)系及兩者間的相互作用（增強體未處理時）；互作用（增強體未處理時）； 、增強體與表面處理物質(zhì)的界面作用；增強體與表面處理物質(zhì)的界面作用； 、增強體表面特性與復(fù)合材料特性的相互關(guān)系。增強體表面特性與復(fù)合材料特性的相互關(guān)系。（2）表面處理物質(zhì)的有關(guān)問題：）表面處理物質(zhì)的有關(guān)問題： 、最外層的化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)及內(nèi)層的化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)；最外層的化學(xué)、物理結(jié)

9、構(gòu)及內(nèi)層的化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)； 、表面處理物質(zhì)與基體之間的相互作用；表面處理物質(zhì)與基體之間的相互作用； 、表面處理物質(zhì)對基體的影響；表面處理物質(zhì)對基體的影響； 、處理條件及處理劑層的特性；處理條件及處理劑層的特性； 、處理劑層隨時間的變化；處理劑層隨時間的變化； 、處理劑層與復(fù)合材料性能的相互關(guān)系。處理劑層與復(fù)合材料性能的相互關(guān)系。（3）表面處理的最優(yōu)化技術(shù)。）表面處理的最優(yōu)化技術(shù)。（4）粉體材料在基體中的分散：）粉體材料在基體中的分散： 、分散狀態(tài)的評價；分散狀態(tài)的評價； 、分散技術(shù)及機理；分散技術(shù)及機理； 、分散狀態(tài)與復(fù)合材料性能。分散狀態(tài)與復(fù)合材料性能。（5）復(fù)合技術(shù)的優(yōu)化及其機理。）復(fù)合技

10、術(shù)的優(yōu)化及其機理。圖圖3.3 3.3 材料粘接的破壞形式材料粘接的破壞形式作業(yè)：作業(yè)：6、復(fù)合材料的界面層，除了在性能和結(jié)構(gòu)上不同于相鄰、復(fù)合材料的界面層，除了在性能和結(jié)構(gòu)上不同于相鄰兩組分相外，還具有哪些特點；兩組分相外，還具有哪些特點；7、簡述復(fù)合材料界面的研究對象；、簡述復(fù)合材料界面的研究對象；8、簡述與表面張力有關(guān)的因素。、簡述與表面張力有關(guān)的因素。9、吸附按作用力的性質(zhì)可分為哪幾類？各有什么特點？、吸附按作用力的性質(zhì)可分為哪幾類？各有什么特點？10、利用接觸角的知識，討論固體被液體的浸潤性。、利用接觸角的知識，討論固體被液體的浸潤性。11、界面的相容性指什么？如何確定？、界面的相容性

11、指什么？如何確定？3.3 表面及界面化學(xué)基礎(chǔ)表面及界面化學(xué)基礎(chǔ)3.3.1 表面張力、表面自由能及比表面能表面張力、表面自由能及比表面能 物質(zhì)表面具有的性質(zhì)是由于表面分子所處狀態(tài)與相內(nèi)物質(zhì)表面具有的性質(zhì)是由于表面分子所處狀態(tài)與相內(nèi)分子所處狀態(tài)不同所引起的。分子所處狀態(tài)不同所引起的。 物質(zhì)表面張力可以表達為兩種形式：物質(zhì)表面張力可以表達為兩種形式：ldxWdAW(3.1)(3.2)l為長度，為長度，x為位移，為位移，A為面積，為面積，W為所做的功；為所做的功；即為物質(zhì)的表面張力。即為物質(zhì)的表面張力。 式（式（3.1）中，）中，可以理解為表征表層分子作用于單可以理解為表征表層分子作用于單位長度上的收

12、縮力，單位是牛頓每厘米；位長度上的收縮力，單位是牛頓每厘米； 而式（而式（3.2）中，）中， 可以理解為物質(zhì)單位面積上的能可以理解為物質(zhì)單位面積上的能量，即發(fā)生單位面積變化時，外力所需做的功，其單位可量，即發(fā)生單位面積變化時，外力所需做的功，其單位可以是焦耳每平方厘米，又稱為物質(zhì)的表面能。以是焦耳每平方厘米，又稱為物質(zhì)的表面能。 界面上單位長度的力和單位表面積的能量在數(shù)學(xué)上界面上單位長度的力和單位表面積的能量在數(shù)學(xué)上是相等的。是相等的。 ldxW(3.1)dAW(3.2) 設(shè)在恒溫、恒壓、恒組成條件下，由于表面變化，環(huán)境設(shè)在恒溫、恒壓、恒組成條件下，由于表面變化，環(huán)境對體系所做功為對體系所做功

13、為W，則體系表面自由能增加值，則體系表面自由能增加值G相應(yīng)為：相應(yīng)為： WGWGdAdG比表面積比表面積 表面積表面積/體積體積比表面積它表示物質(zhì)的粉碎程度。比表面積它表示物質(zhì)的粉碎程度。設(shè)物質(zhì)的面積增加為設(shè)物質(zhì)的面積增加為A，由式（，由式（3.3），則有：），則有：這樣，定義物質(zhì)單位表面積的自由能這樣，定義物質(zhì)單位表面積的自由能為比表面自由能。為比表面自由能。（3.4）（3.5）(3.3) 表面張力是物質(zhì)的一種特性，它是物質(zhì)內(nèi)部分子之間相表面張力是物質(zhì)的一種特性，它是物質(zhì)內(nèi)部分子之間相互作用的一種表現(xiàn)。有關(guān)表面張力或界面張力，需要明確互作用的一種表現(xiàn)。有關(guān)表面張力或界面張力，需要明確以下三個

14、問題：以下三個問題： (1)表面張力與物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)有關(guān)。表面張力與物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)有關(guān)。 不同物質(zhì)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)的分子間相互作用力不同，分子間不同物質(zhì)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)的分子間相互作用力不同，分子間作用力愈大，相應(yīng)表面張力也愈大。通常：金屬鍵物質(zhì)作用力愈大，相應(yīng)表面張力也愈大。通常：金屬鍵物質(zhì)(金、金、銀等銀等)離子鍵物質(zhì)離子鍵物質(zhì)(氧化物熔體、熔鹽氧化物熔體、熔鹽)極性分子物質(zhì)極性分子物質(zhì)(水水等等)弱極性物質(zhì)弱極性物質(zhì)(丙酮等丙酮等)非極性物質(zhì)非極性物質(zhì)(液液H2、液、液Cl2等等)。 (2)物質(zhì)的表面張力與它相接觸的另一相物質(zhì)有關(guān)。物質(zhì)的表面張力與它相接觸的另一相物質(zhì)有關(guān)。 當與不同性質(zhì)的物質(zhì)接觸時

15、，表面層分子受到的力場不當與不同性質(zhì)的物質(zhì)接觸時，表面層分子受到的力場不同，致使表面張力不同。同，致使表面張力不同。 (3)表面張力隨溫度不同而不同，一般溫度升高，表面張表面張力隨溫度不同而不同，一般溫度升高，表面張力下降。力下降。 這是因為溫度提高，物質(zhì)體積膨脹，即分子間距增大，這是因為溫度提高，物質(zhì)體積膨脹，即分子間距增大，使分子間作用力變小。使分子間作用力變小。 恒溫、恒壓條件下，任何物質(zhì)都有自動向自由能減小恒溫、恒壓條件下，任何物質(zhì)都有自動向自由能減小的方向移動的趨勢，因此，表面能也有自動減小的趨勢。的方向移動的趨勢，因此，表面能也有自動減小的趨勢。降低表面能的措施：降低表面能的措施：

16、1）、通過自動收縮表面積實現(xiàn)；）、通過自動收縮表面積實現(xiàn)；2）、通過降低比表面能來實現(xiàn)。）、通過降低比表面能來實現(xiàn)。 332 表面吸附作用表面吸附作用吸附：吸附： 是一種物質(zhì)的原子或分子附著在另一物質(zhì)表面上的現(xiàn)象，是一種物質(zhì)的原子或分子附著在另一物質(zhì)表面上的現(xiàn)象，或者說，物質(zhì)在相的界面上，濃度發(fā)生自動變化的現(xiàn)象?；蛘哒f，物質(zhì)在相的界面上，濃度發(fā)生自動變化的現(xiàn)象。 固體吸附的原因：固體吸附的原因： 由于固體表面質(zhì)點處于力場不平衡的狀態(tài)，即具有表面由于固體表面質(zhì)點處于力場不平衡的狀態(tài)，即具有表面能，這一不平衡的力場為了趨于平衡態(tài)，可以吸附別的物質(zhì)能，這一不平衡的力場為了趨于平衡態(tài)，可以吸附別的物質(zhì)

17、而得到補償，以降低表面能而得到補償，以降低表面能( (表面自由能表面自由能) )，所以固體表面自，所以固體表面自動地吸附那些能夠降低其表面自由能的物質(zhì)。動地吸附那些能夠降低其表面自由能的物質(zhì)。 吸附過程吸附過程是是放熱放熱反應(yīng)，反應(yīng)，解吸過程解吸過程是是吸熱吸熱的。的。 吸附按作用力的性質(zhì)，分為吸附按作用力的性質(zhì)，分為物理吸附物理吸附和和化學(xué)吸附化學(xué)吸附。3.3.2.1 物理吸附物理吸附 當固體表面的原子的原子價被相鄰的原子所飽和，當固體表面的原子的原子價被相鄰的原子所飽和，表面分子與吸附物之間的作用力是分子間引力（范德華表面分子與吸附物之間的作用力是分子間引力（范德華力）。力）。特點：特點：

18、 1）、無選擇性，吸附量相差較大；）、無選擇性，吸附量相差較大； 2）、吸附可呈單分子層或多分子層；）、吸附可呈單分子層或多分子層； 3）、物理吸附、解吸速度較快，易平衡。）、物理吸附、解吸速度較快，易平衡。 一般在低溫下進行的吸附是物理吸附。一般在低溫下進行的吸附是物理吸附。3.3.2.2 化學(xué)吸附化學(xué)吸附 當固體表面的原子的原子價被相鄰的原子所飽和，當固體表面的原子的原子價被相鄰的原子所飽和，還有剩余的成鍵能力，在吸附劑及吸附物之間還有電子還有剩余的成鍵能力，在吸附劑及吸附物之間還有電子轉(zhuǎn)移生成化學(xué)鍵的吸附。轉(zhuǎn)移生成化學(xué)鍵的吸附。特點：特點： 1）、有選擇性；）、有選擇性； 2）、只能單分

19、子吸附，且不易吸附或解吸；）、只能單分子吸附，且不易吸附或解吸； 3）、平衡慢。）、平衡慢。1）、無選擇性，吸附量相差較大；）、無選擇性，吸附量相差較大；2）、吸附可呈單分子層或多分子層；）、吸附可呈單分子層或多分子層；3）、物理吸附、解吸速度較快，易平衡。）、物理吸附、解吸速度較快，易平衡。3.3.3 粘附功及浸潤現(xiàn)象3.3.3.1 粘附功與內(nèi)聚功 將AB界面（1cm2）分離為A、B兩個面時所需的功稱為粘附功。表示為：圖3.4 粘附功與內(nèi)聚功對于單一物質(zhì)，相應(yīng)的即為內(nèi)聚功對于單一物質(zhì)，相應(yīng)的即為內(nèi)聚功WAA可表示為：可表示為：ABW式中式中W WABAB為為A A，B B兩表面的粘附功，兩表

20、面的粘附功，,分別為表面張力及分別為表面張力及ABAB的界面張力。的界面張力。 2AAW3.3.3.2 接觸角接觸角浸潤功浸潤功：在浸潤過程中所釋放的能量。：在浸潤過程中所釋放的能量。 設(shè)液滴發(fā)生微小位移時，使覆蓋固體的面積改變了設(shè)液滴發(fā)生微小位移時，使覆蓋固體的面積改變了A，如圖，伴隨的表面自由能變化如圖，伴隨的表面自由能變化G是：是：)cos()(lvsvslG0/lim0G0coslvsvslslsvlvcos或或lvslsvslW)cos1 (lvslW3.12平衡時平衡時于是于是在這類吸附浸潤中，處于平衡態(tài)時的浸潤功在這類吸附浸潤中，處于平衡態(tài)時的浸潤功W為：為：為固為固液界面的粘附

21、功，液界面的粘附功，代入式代入式(310)，即可得到，即可得到(3.10)圖圖3.5 3.5 液滴在固體表面形態(tài)液滴在固體表面形態(tài)式式(310)稱為稱為Young公式，而式公式，而式(3.12)稱為稱為Dupre公式。公式。 角稱為液相與固相之間的接觸角，其確切定義為在氣、液、角稱為液相與固相之間的接觸角，其確切定義為在氣、液、固三相交界處的氣固三相交界處的氣-液界面與固液界面與固液界面之間的夾角。液界面之間的夾角。由由Dupre式可知，式可知，當當0時，界面的粘附功最大：時，界面的粘附功最大： lvslW2max.0min.slWlvslsvcos由此可知，接觸角可以衡量液體對固體的浸潤效果

22、。由此可知，接觸角可以衡量液體對固體的浸潤效果。由由Young式，可以得到：式，可以得到：當當180時：時：由此可知：由此可知： (1)當當svsl, cos90,此時固體不為液體浸潤；此時固體不為液體浸潤； (2)當當lv(sv-sl)0，則，則1cos0，即，即090，此時固體為液體所浸潤；，此時固體為液體所浸潤； (3)若若sv-sl lv，則，則cos1，0，此時固體表面，此時固體表面可以被液體完全浸潤，并獲得最大粘附功?？梢员灰后w完全浸潤，并獲得最大粘附功。lvslsvcos3.3.3.3 不均勻表面的接觸角不均勻表面的接觸角 當固體表面不均勻時，接觸角可以用經(jīng)驗的方法來確定。當固體

23、表面不均勻時，接觸角可以用經(jīng)驗的方法來確定。 投影真實R真實coscos RR)()(cos221121lffsvslsvsclv2211coscoscosffc或或?qū)Υ植诒砻鎸Υ植诒砻?對于由各種不同的小片組成的復(fù)合表面：對于由各種不同的小片組成的復(fù)合表面：圖圖3.6 3.6 在粗糙表面上的液滴邊緣在粗糙表面上的液滴邊緣3.3.3.4 接觸角的滯后接觸角的滯后 液體對固體表面的浸潤隨運動狀態(tài)不同而不同，可以液體對固體表面的浸潤隨運動狀態(tài)不同而不同，可以顯示出不同的接觸角數(shù)值，如圖。通常稱較大的角為前進顯示出不同的接觸角數(shù)值，如圖。通常稱較大的角為前進角角a，較小的接觸角稱后退接觸角，較小的接

24、觸角稱后退接觸角r，兩者的相差值，兩者的相差值a-r，稱為接觸角的滯后效應(yīng)。稱為接觸角的滯后效應(yīng)。 導(dǎo)致接觸角的滯后效應(yīng)的原因?qū)е陆佑|角的滯后效應(yīng)的原因:1）、污染；）、污染；2）、固體表面的粗糙度）、固體表面的粗糙度 ；3）、表面的化學(xué)不均勻性。）、表面的化學(xué)不均勻性。 3.3.3.4 接觸角的滯后接觸角的滯后 圖圖3.73.7水滴在玻璃表面的滴淌水滴在玻璃表面的滴淌圖圖3.8 3.8 玻璃纖維在液態(tài)樹脂中的浸潤狀態(tài)玻璃纖維在液態(tài)樹脂中的浸潤狀態(tài)玻璃表面玻璃表面前進時穩(wěn)定前進時穩(wěn)定平衡時平衡時后退時穩(wěn)定后退時穩(wěn)定纖維纖維3.3.4 固體表面的臨界表面張力固體表面的臨界表面張力 Zisman等

25、發(fā)現(xiàn)對于同系的液體，等發(fā)現(xiàn)對于同系的液體，cos(前進角前進角)通常通常是是l的單調(diào)函數(shù)。的單調(diào)函數(shù)。提出：提出：)(1coscllb式中，式中，a、b、 均為常數(shù)。均為常數(shù)。335浸潤的熱效應(yīng)浸潤的熱效應(yīng) 若將潔凈固體表面浸入液體，通常有熱釋出，即所謂浸若將潔凈固體表面浸入液體，通常有熱釋出，即所謂浸潤熱潤熱q浸潤浸潤，可表示為：，可表示為：slsEE 浸潤q式中，式中，Es為固體表面能，為固體表面能，Esl為固為固-液界面能。液界面能。 浸潤熱可以用量熱法測定浸潤熱可以用量熱法測定 ， 浸潤熱的大小與固體表面浸潤熱的大小與固體表面的物理化學(xué)性能，即結(jié)構(gòu)、極性、不均勻性以及表面與浸的物理化學(xué)

26、性能，即結(jié)構(gòu)、極性、不均勻性以及表面與浸漬液間的相互作用而形成的各種界面現(xiàn)象有關(guān)。漬液間的相互作用而形成的各種界面現(xiàn)象有關(guān)。需要注意的是：需要注意的是：復(fù)合材料中，作為細微的粉狀粒子復(fù)合材料中，作為細微的粉狀粒子(0.1mm以下以下)的浸潤的浸潤熱未必與塊狀固體相同；熱未必與塊狀固體相同；浸潤熱是以不向固體中滲透、擴散和溶解為前提。浸潤熱是以不向固體中滲透、擴散和溶解為前提。 通常浸潤熱很小，約為幾百爾格厘米通常浸潤熱很小，約為幾百爾格厘米23.3.6 界面的相容性與粘接界面的相容性與粘接 在復(fù)合材料界面上發(fā)生兩種材料擴散混合時，相容性在復(fù)合材料界面上發(fā)生兩種材料擴散混合時，相容性成為粘接界面

27、的一個重要因素。成為粘接界面的一個重要因素。 通常，相容性是根據(jù)在混合時的吉布斯通常，相容性是根據(jù)在混合時的吉布斯(Gibbs)的自的自由能變化由能變化G來確定。來確定。 即即 G0, 就相容；就相容； G0, 就不相容，即不混合。就不相容，即不混合。 而而G用混合熵用混合熵S和混合熱和混合熱H來表達，此時有：來表達，此時有： STG溶解度參數(shù)溶解度參數(shù)：定義為內(nèi)聚能密度定義為內(nèi)聚能密度CED的平方根的平方根。內(nèi)聚能密度內(nèi)聚能密度CEDCED：從液體（或固體且設(shè)體積變化可忽略）從液體（或固體且設(shè)體積變化可忽略）物質(zhì)的一個分子移到離周圍分子很遠的地方所需的能量。物質(zhì)的一個分子移到離周圍分子很遠的

28、地方所需的能量。 CED CED1 11111 12； CEDCED2 22222 22當當12122211則有：則有：2122111212CED3.4 3.4 浸潤動力學(xué)浸潤動力學(xué) 固液兩種材料接觸并浸潤的過程，除了由熱力學(xué)固液兩種材料接觸并浸潤的過程，除了由熱力學(xué)因素決定外，還必須考慮粘接速度這因素。在粘接或復(fù)因素決定外，還必須考慮粘接速度這因素。在粘接或復(fù)合材料制備過程中主要是流動和硬化這一過程。合材料制備過程中主要是流動和硬化這一過程。3 34 41 1 浸潤的速度過程浸潤的速度過程 當粘結(jié)劑涂布于凹凸不平的被粘物時，為了布滿其當粘結(jié)劑涂布于凹凸不平的被粘物時，為了布滿其表面，必須要流

29、動才能實現(xiàn)。表面，必須要流動才能實現(xiàn)。 設(shè)設(shè)r r為被粘物被滲透的毛細管半徑、為被粘物被滲透的毛細管半徑、V V為液態(tài)粘結(jié)劑為液態(tài)粘結(jié)劑的粘度、的粘度、X X為液體在時間內(nèi)沿毛細管前進的距離，當施加為液體在時間內(nèi)沿毛細管前進的距離，當施加壓力尸較大時，則可由壓力尸較大時，則可由PoiseuillePoiseuille式表示：式表示： trl4Prcos422 當液體自然滲透或壓力很小時，可認為當液體自然滲透或壓力很小時，可認為P=0P=0，此時則有，此時則有RidealWashburnRidealWashburn式表示：式表示：浸潤功為：浸潤功為：當，當， 即發(fā)生毛細浸潤。即發(fā)生毛細浸潤。 Y

30、oung公式及上式可得：公式及上式可得：故毛細浸潤時，速度的浸潤張力表達式也可以為：故毛細浸潤時，速度的浸潤張力表達式也可以為： 寫成速度表達式則為：寫成速度表達式則為： 或或rtlcos2slsviWsvsl coslviW trWi22rdtdl2cosrWdtdi23 34 42 2 界面特性對復(fù)合粘結(jié)體系性能的影響界面特性對復(fù)合粘結(jié)體系性能的影響 在復(fù)合材料成型時，粘結(jié)劑體系中加入輔助材料組成在復(fù)合材料成型時，粘結(jié)劑體系中加入輔助材料組成復(fù)合粘結(jié)體系或?qū)⒃鰪婓w表面處理的情況是很多的。復(fù)合粘結(jié)體系或?qū)⒃鰪婓w表面處理的情況是很多的。 這里這里重點介紹重點介紹一下增強體一下增強體( (或填料

31、或填料) )經(jīng)偶聯(lián)劑處理后的經(jīng)偶聯(lián)劑處理后的復(fù)合體系粘結(jié)特性。復(fù)合體系粘結(jié)特性。 3 34 42 21 1 偶聯(lián)劑處理時偶聯(lián)劑官能團的特性作用偶聯(lián)劑處理時偶聯(lián)劑官能團的特性作用 偶聯(lián)劑官能團的特性，是在粘結(jié)劑復(fù)合固化過程中，偶聯(lián)劑官能團的特性，是在粘結(jié)劑復(fù)合固化過程中，可以引起體系固化速度的改變。可以引起體系固化速度的改變。 同一官能團對不同固化體系的固化速度的改變是不同同一官能團對不同固化體系的固化速度的改變是不同的。的。 環(huán)氧樹脂和用硅烷處理過的環(huán)氧樹脂和用硅烷處理過的SiOSiO2 2組成的復(fù)合物的放熱組成的復(fù)合物的放熱效應(yīng)見表效應(yīng)見表3 31 1。 硅烷的有機官能團硅烷的有機官能團固化

32、劑固化劑ZT()氨乙基哌嗪固化劑氨乙基哌嗪固化劑T()未處理未處理-22-25胺基胺基-6-30二元胺二元胺-9-13多元胺多元胺-2-31陽離子苯乙烯基陽離子苯乙烯基-6+2環(huán)氧基環(huán)氧基-6-39表表3 31 1 不同硅烷偶聯(lián)劑對環(huán)氧固化體系熱效應(yīng)的影響不同硅烷偶聯(lián)劑對環(huán)氧固化體系熱效應(yīng)的影響 3030g g樹脂中加樹脂中加5 5gSiOgSiO2 2，SiOSiO2 2用用0.50.5硅烷溶液處理。硅烷溶液處理。 偶聯(lián)劑官能團對固化體系熱效應(yīng)及內(nèi)耗峰影響的原因：偶聯(lián)劑官能團對固化體系熱效應(yīng)及內(nèi)耗峰影響的原因：1、官能團參與反應(yīng)；、官能團參與反應(yīng)；2、優(yōu)先吸附引起的現(xiàn)象。、優(yōu)先吸附引起的現(xiàn)象

33、。玻璃纖維玻璃纖維玻璃纖維玻璃纖維線性結(jié)合線性結(jié)合網(wǎng)絡(luò)架結(jié)合網(wǎng)絡(luò)架結(jié)合鈦酸酯偶聯(lián)劑鈦酸酯偶聯(lián)劑硅烷偶聯(lián)劑硅烷偶聯(lián)劑3.4.2.2 3.4.2.2 偶聯(lián)劑分子結(jié)構(gòu)及偶聯(lián)結(jié)構(gòu)的影響偶聯(lián)劑分子結(jié)構(gòu)及偶聯(lián)結(jié)構(gòu)的影響 增強體在用不同偶聯(lián)劑處理時，由于分子結(jié)構(gòu)的不增強體在用不同偶聯(lián)劑處理時，由于分子結(jié)構(gòu)的不同，會影響到粘結(jié)劑對增強體的浸潤效果，也會影響到復(fù)同，會影響到粘結(jié)劑對增強體的浸潤效果，也會影響到復(fù)合體系的流動特性。合體系的流動特性。 圖圖3.13 3.13 偶聯(lián)劑分子結(jié)構(gòu)及偶聯(lián)結(jié)構(gòu)對偶聯(lián)劑分子結(jié)構(gòu)及偶聯(lián)結(jié)構(gòu)對GFGFUPUP體系體系流變性的影響流變性的影響 植物纖維增強石膏植物纖維增強石膏具體實例

34、：表面處理改善界面結(jié)合具體實例：表面處理改善界面結(jié)合玻璃纖維增強石膏玻璃纖維增強石膏3.5 增強體表面特性及對復(fù)合材料界面結(jié)合的影響增強體表面特性及對復(fù)合材料界面結(jié)合的影響1）、理解增強體表面特性的分類；）、理解增強體表面特性的分類；2）、掌握增強體表面物理特性及對界面結(jié)合的影響；）、掌握增強體表面物理特性及對界面結(jié)合的影響；3）、掌握增強體表面化學(xué)特性及對界面結(jié)合的影響；）、掌握增強體表面化學(xué)特性及對界面結(jié)合的影響；4）、掌握玻璃纖維的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)性。）、掌握玻璃纖維的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)性。本節(jié)要點本節(jié)要點3.5 增強體的表面特性及對復(fù)合材料界面結(jié)合的影響增強體的表面特性及對復(fù)合材料界面結(jié)合的影響 復(fù)

35、合材料基本性能復(fù)合材料基本性能基體材料的性能及含量基體材料的性能及含量增強材料的性能、含量增強材料的性能、含量及分布情況及分布情況界面結(jié)合情況界面結(jié)合情況如何體現(xiàn)？如何體現(xiàn)？增強體的表面特性的分類及作用：增強體的表面特性的分類及作用： 1.1.增強體表面的物理特性增強體表面的物理特性; ;3.3.增強體的表面能。增強體的表面能。 2.2.增強體表面的化學(xué)特性增強體表面的化學(xué)特性; ;決定界面粘結(jié)的好壞決定界面粘結(jié)的好壞決定界面粘結(jié)的效果決定界面粘結(jié)的效果判斷增強體的活性判斷增強體的活性351 增強體表面的物理特性與界面結(jié)合增強體表面的物理特性與界面結(jié)合 物理特性物理特性比表面積比表面積多孔性多

36、孔性極性極性結(jié)構(gòu)均一性結(jié)構(gòu)均一性結(jié)晶特性結(jié)晶特性3.5.1.1 3.5.1.1 比表面積比表面積 對界面的影響：對界面的影響：是導(dǎo)是導(dǎo)致復(fù)合材料中的界面致復(fù)合材料中的界面存在并引起界面效應(yīng)存在并引起界面效應(yīng)的根本所在。的根本所在。一般認為：一般認為：增強體的比表增強體的比表面越大，與基體結(jié)合的物面越大，與基體結(jié)合的物理界面大，對粘合強度的理界面大，對粘合強度的貢獻大。當然存在浸潤的貢獻大。當然存在浸潤的因素。因素。纖維種類纖維種類密度密度（g/cmg/cm3 3）直徑直徑d d（umum）比表面積比表面積（m m2 2/g/g）玻璃纖維玻璃纖維2.502.5010100.160.16硼纖維硼纖

37、維2.702.70101.6101.60.0150.015碳化硅纖維碳化硅纖維3.503.50101.6101.60.0120.012Thornel 50Thornel 501.631.636.86.80.370.37 3.5.1.2 3.5.1.2 多孔性多孔性主要體現(xiàn)在增強體表面主要體現(xiàn)在增強體表面的孔隙（或空隙）上。的孔隙（或空隙）上。對任何增強體：對任何增強體：表面表面總亦多多少少地存在總亦多多少少地存在部分孔隙；且孔隙中部分孔隙；且孔隙中存在有氣體；存在有氣體；對界面的影響：對界面的影響：部分孔部分孔隙能被基體填充，部分隙能被基體填充，部分由于很難完全浸潤，界由于很難完全浸潤，界面結(jié)

38、合不好，成為應(yīng)力面結(jié)合不好，成為應(yīng)力傳遞的薄弱環(huán)節(jié)。傳遞的薄弱環(huán)節(jié)。不易與樹脂結(jié)不易與樹脂結(jié)合，但易使樹合，但易使樹脂浸透，能使脂浸透，能使纖維間的空隙纖維間的空隙被樹脂填充得被樹脂填充得較為密實；較為密實；(a)(b)(c)(d)能與樹脂起較好的機能與樹脂起較好的機械結(jié)合作用，但高粘械結(jié)合作用，但高粘度的基體有時很難完度的基體有時很難完全浸潤其表面，造成全浸潤其表面，造成很多空隙，成為應(yīng)力很多空隙，成為應(yīng)力傳遞的薄弱環(huán)節(jié)。傳遞的薄弱環(huán)節(jié)。玻璃纖維玻璃纖維egeg：極性的基體與極性的增強體有較強的界面結(jié)合，因而極性的基體與極性的增強體有較強的界面結(jié)合，因而也就有較強的界面結(jié)合強度及復(fù)合材料強度

39、。也就有較強的界面結(jié)合強度及復(fù)合材料強度。極性的取決因素：極性的取決因素：增強體的分子結(jié)構(gòu)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)及外場的作用。增強體的分子結(jié)構(gòu)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)及外場的作用。3.5.1.3 3.5.1.3 增強體表面的極性增強體表面的極性分布均勻：分布均勻：界面結(jié)合均勻、完善；界面結(jié)合均勻、完善；分布不均：分布不均：在界面局部形成缺陷，形成弱界面。在界面局部形成缺陷，形成弱界面。 均一性的實質(zhì)：均一性的實質(zhì)：是指增強體表面的活性點分布的均一性，是指增強體表面的活性點分布的均一性，包括物理活性點及化學(xué)活性點。包括物理活性點及化學(xué)活性點。3.5.1.4 3.5.1.4 增強體表面的均一性增強體表面的均一性影響界面結(jié)合

40、效果影響界面結(jié)合效果3.5.1.5 3.5.1.5 增強體表面的結(jié)晶特性增強體表面的結(jié)晶特性結(jié)晶特性：結(jié)晶特性：包括表面的結(jié)晶程度及晶體分布狀態(tài)。包括表面的結(jié)晶程度及晶體分布狀態(tài)。產(chǎn)生影響：產(chǎn)生影響：影響復(fù)合材料的界面作用和材料性能。影響復(fù)合材料的界面作用和材料性能。圖圖3.14 3.14 高彈性碳纖維（高彈性碳纖維（PANPAN基）的結(jié)構(gòu)基）的結(jié)構(gòu)碳纖維表面晶碳纖維表面晶格排列平行于格排列平行于纖維表面纖維表面近似平行于纖近似平行于纖維軸向維軸向Eg:碳纖維碳纖維含碳量高的高度交聯(lián)的聚含碳量高的高度交聯(lián)的聚合物通過固相熱裂解制成合物通過固相熱裂解制成的。實際上是純碳。的。實際上是純碳。熱裂解

41、時，其他元素被排熱裂解時，其他元素被排出，形成石墨晶格結(jié)構(gòu)。出，形成石墨晶格結(jié)構(gòu)。熱裂解時，施加張力，碳熱裂解時，施加張力，碳纖維軸向取向。纖維軸向取向。表面晶體越小表面晶體越小表面積就越大，表面積就越大，增加與基體的增加與基體的粘結(jié)面。粘結(jié)面。3 35 52 2 增強體表面的化學(xué)特性與界面結(jié)合增強體表面的化學(xué)特性與界面結(jié)合化學(xué)特性化學(xué)特性表面化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)表面化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)表面的反應(yīng)特性表面的反應(yīng)特性增強體是增強體是否要進行否要進行表面處理表面處理增強體與增強體與基體能否基體能否形成化學(xué)形成化學(xué)結(jié)合結(jié)合是否易與是否易與環(huán)境接觸環(huán)境接觸反應(yīng)而影反應(yīng)而影響材料性響材料性能的穩(wěn)定能的穩(wěn)定重要性重要

42、性3.5.2.1 3.5.2.1 玻璃纖維的表面化學(xué)組成玻璃纖維的表面化學(xué)組成注意：注意：纖維整體的化學(xué)組成與表面的化學(xué)組成通常不同。纖維整體的化學(xué)組成與表面的化學(xué)組成通常不同。 整體含有整體含有Si、O、Al、Ca、Mg、B、F、Na等元素。等元素。表面僅有表面僅有Si、O、Al等（現(xiàn)在的等（現(xiàn)在的EPS能譜能譜分析幾乎可以測出分析幾乎可以測出所有元素）。所有元素）。以以E-E-玻璃纖維為例：玻璃纖維為例：2點：Elmt Spect Type. Element % Atomic % O K ED 39.20 58.67 Al K ED 6.73 5.98 Si K ED 42.87 30.9

43、7 S K ED 0.52 0.39 Ca K ED 8.64 3.08 Ti K ED 0.65 0.33 Fe K ED 1.38 0.59 Total 100.00 100.00 1點：Elmt Spect Type. Element % Atomic %C K ED 10.34 15.39 O K ED 61.00 68.16 Al K ED 14.54 9.63 Si K ED 1.86 1.18 S K ED 1.97 1.10 CaK ED 9.77 4.36 Ti K ED 0.11 0.04 FeK ED 0.41 0.13 Total 100.00 100.00 三度空間的

44、不三度空間的不規(guī)則連續(xù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)則連續(xù)網(wǎng)絡(luò)（多面體）所（多面體）所構(gòu)成構(gòu)成3.5.2.2 3.5.2.2 玻璃纖維的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)性玻璃纖維的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)性 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：與塊狀玻璃具有相似的結(jié)構(gòu)。與塊狀玻璃具有相似的結(jié)構(gòu)。反應(yīng)性？反應(yīng)性？O NaCaSi 1、多面體中心、多面體中心：電荷多、半：電荷多、半徑小的陽離子；周圍有陰離子，徑小的陽離子；周圍有陰離子，相互作用?？梢哉J為內(nèi)部這些相互作用?？梢哉J為內(nèi)部這些作用力是處于平衡狀態(tài)；作用力是處于平衡狀態(tài)；2、表面情況：、表面情況：陽離子在該處陽離子在該處不能獲得所需要數(shù)量的氧離子，不能獲得所需要數(shù)量的氧離子，產(chǎn)生表面張力，當處于力的不產(chǎn)生表面張力，當處于力的不平衡狀態(tài)時，就有吸附外界物平衡狀態(tài)時，就有吸附外界物質(zhì)的傾向。質(zhì)的傾向。3、研究表明：、研究表明：非非SiO2成分的成分的存在使玻璃表面狀態(tài)與性質(zhì)突存在使玻璃表面狀態(tài)與性質(zhì)突出地表現(xiàn)為吸濕性。出地表現(xiàn)為吸濕性。OHDOHSiOHODSi2式中式中D代表堿金屬代表堿金屬OSiOHSiOHSiOSiOHOHSiOHOSi2吸附水與玻璃纖維中的堿金屬或堿土金屬反應(yīng)：吸附水與玻璃纖維中的堿金屬或堿土金屬反應(yīng)：堿性堿性SiO2骨架破壞骨架破壞繼續(xù)與水反應(yīng)繼續(xù)與水反應(yīng) 由于吸附水的作用，玻纖表面帶有由于吸附