復(fù)合材料的復(fù)合原理及界面

1、1復(fù)合材料原理復(fù)合材料原理22.1 復(fù)合原則復(fù)合原則2.2 彌散增強(qiáng)及顆粒增強(qiáng)原理彌散增強(qiáng)及顆粒增強(qiáng)原理 2.3 單向連續(xù)纖維增強(qiáng)原理單向連續(xù)纖維增強(qiáng)原理 2.4 短纖維增強(qiáng)原理短纖維增強(qiáng)原理2.5 混雜增強(qiáng)原理混雜增強(qiáng)原理2.6 復(fù)合材料界面及其改性復(fù)合材料界面及其改性2.7 復(fù)合材料界面表征復(fù)合材料界面表征3思考題：思考題：1、混雜增強(qiáng)希望達(dá)到的目的是什么？試舉例分析。2、試分析長纖維與顆?；祀s增強(qiáng)的優(yōu)勢和不足。1、充分利用不同增強(qiáng)體的性能優(yōu)勢，獲得比單一復(fù)合更加優(yōu)異的綜合性能。2、優(yōu)勢：獲得良好單向性能的同時(shí)，獲得良好的基體性能。不足：長纖維增強(qiáng)的制備成本高，顆粒增強(qiáng)使成型難度更大。4v

2、界面的基本概念界面的基本概念v復(fù)合材料的界面粘結(jié)機(jī)理復(fù)合材料的界面粘結(jié)機(jī)理v聚合物基復(fù)合材料的界面改性v金屬基復(fù)合材料的界面改性v層狀復(fù)合材料的界面5一、界面的基本概念一、界面的基本概念v復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)體之間化學(xué)成是指基體與增強(qiáng)體之間化學(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。傳遞作用的微小區(qū)域。v復(fù)合材料的界面雖然很小，但它是有尺寸的，復(fù)合材料的界面雖然很小，但它是有尺寸的，約幾個(gè)納米到幾個(gè)微米，是一個(gè)區(qū)域，或一個(gè)約幾個(gè)納米到幾個(gè)微米，是一個(gè)區(qū)域，或一個(gè)帶、一層，它的厚度帶、一層，它的厚度呈不均勻分布狀

3、態(tài)呈不均勻分布狀態(tài)。6通常可能包含以下幾個(gè)部分：通?？赡馨韵聨讉€(gè)部分：1、基體和增強(qiáng)體的部分、基體和增強(qiáng)體的部分；2、基體與增強(qiáng)體相互作用生成的、基體與增強(qiáng)體相互作用生成的； 3、基體和增強(qiáng)體的、基體和增強(qiáng)體的；4、增強(qiáng)體上的、增強(qiáng)體上的；5、基體和增強(qiáng)體上的、基體和增強(qiáng)體上的及它們的反應(yīng)產(chǎn)物之間及它們的反應(yīng)產(chǎn)物之間的的等。等。7l在化學(xué)成分上，除了基體、增強(qiáng)體及涂層中的元素外，還有基體中的合金元素和雜質(zhì)、由環(huán)境帶來的雜質(zhì)。l這些成分或以原始狀態(tài)存在，或重新組合成新的化合物。l界面上的化學(xué)成分和相結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。8可以歸納為以下幾種效應(yīng)： 1、 界面能傳遞力，即，起到基體和增強(qiáng)體之間的橋梁作

4、用。 2、 結(jié)合適當(dāng)?shù)慕缑嬗小⒌淖饔谩?3、 在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性等現(xiàn)象，如抗電性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等。9 4、 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。 5、 一種(通常是增強(qiáng)體)使另一種(通常是基體)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。10，是，是任何一種單體材料所任何一種單體材料所沒有的特性沒有的特性，它對復(fù)合材料具有重要作用。，它對復(fù)合材料具有重要作用。如在粒子彌散強(qiáng)化金屬中，微細(xì)粒子阻止晶格位如在粒子彌散強(qiáng)化金屬中，微細(xì)粒子阻止晶格位錯(cuò)，從

5、而提高復(fù)合材料強(qiáng)度；錯(cuò)，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)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。一步擴(kuò)展等。11既與既與界面結(jié)合狀態(tài)界面結(jié)合狀態(tài)、形態(tài)形態(tài)和和物理物理-化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)等有關(guān)，也與等有關(guān)，也與界面兩側(cè)組分材料的浸潤性界面兩側(cè)組分材料的浸潤性、相容性相容性、擴(kuò)散性擴(kuò)散性等密切相聯(lián)。等密切相聯(lián)。在任何復(fù)合材料中，在任何復(fù)合材料中，和和的的是這種復(fù)合材料是這種復(fù)合材料是否有使用價(jià)值是否有使用價(jià)值、能否推廣能否推廣使用使用的一個(gè)極重要的問題。的一個(gè)極重要的問題。12并不是一個(gè)單純的幾何面，而是并不是一個(gè)單純的幾何面，而是一個(gè)一個(gè)。l界面區(qū)是

6、從與增強(qiáng)體內(nèi)部性質(zhì)不同的某一點(diǎn)開始，界面區(qū)是從與增強(qiáng)體內(nèi)部性質(zhì)不同的某一點(diǎn)開始，直到與基體內(nèi)整體性質(zhì)相一致的點(diǎn)間的區(qū)域。直到與基體內(nèi)整體性質(zhì)相一致的點(diǎn)間的區(qū)域。l界面區(qū)域的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)不同于兩相中的任一相界面區(qū)域的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)不同于兩相中的任一相，結(jié)構(gòu)上這一結(jié)構(gòu)上這一。131一外力場；一外力場； 2-基體；基體；3-基體表面區(qū)；基體表面區(qū)；4-相互滲透區(qū)；相互滲透區(qū)；5一增強(qiáng)體表面；一增強(qiáng)體表面；6-增強(qiáng)體增強(qiáng)體14基體和增強(qiáng)體基體和增強(qiáng)體結(jié)合在一起，構(gòu)成復(fù)合材料結(jié)合在一起，構(gòu)成復(fù)合材料整體，整體，對復(fù)合材料的性能有對復(fù)合材料的性能有重要影響。重要影響。對于各種復(fù)合材料都要求有對于各種復(fù)合材料都要

7、求有。一般是以分子間力、表面張力一般是以分子間力、表面張力(表面表面自由能自由能)等表示的，而實(shí)際上有許多因素影響著界面等表示的，而實(shí)際上有許多因素影響著界面結(jié)合強(qiáng)度。結(jié)合強(qiáng)度。15表面的表面的、；表面表面和和程度；程度；表面表面情況，情況，存在；存在；表面表面在界面的在界面的溶解溶解、浸透浸透、擴(kuò)散擴(kuò)散和和化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)；表面層的表面層的，等。等。影響界面結(jié)合強(qiáng)度的因素影響界面結(jié)合強(qiáng)度的因素16由于由于相對于整體材料所占比重甚微，欲單獨(dú)對相對于整體材料所占比重甚微，欲單獨(dú)對某一性能進(jìn)行度量有很大困難。某一性能進(jìn)行度量有很大困難。常借于常借于來來表征界面性能表征界面性能，如，如(ILSS)就

8、是研究界面粘結(jié)的良好辦法。就是研究界面粘結(jié)的良好辦法。如再能配合如再能配合等即可等即可對界面的其它性能對界面的其它性能作作較深入的研究。較深入的研究。17通過通過力學(xué)分析力學(xué)分析可看出，可看出，大多呈大多呈剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到、等現(xiàn)象。等現(xiàn)象。但但呈脆性也降低了材料的復(fù)呈脆性也降低了材料的復(fù)合性能。合性能。的衡量是當(dāng)受力發(fā)生開裂時(shí)，這一裂的衡量是當(dāng)受力發(fā)生開裂時(shí)，這一裂紋能轉(zhuǎn)為區(qū)域化而不使界面進(jìn)一步脫粘。紋能轉(zhuǎn)為區(qū)域化而不使界面進(jìn)一步脫粘。這時(shí)的復(fù)合材料具有這時(shí)的復(fù)合材料具有和和。18圖圖2 聚碳酸酯（聚碳酸酯（PC）/PP共混合金形態(tài)結(jié)構(gòu)的共混合金

9、形態(tài)結(jié)構(gòu)的SEM照片照片 19在在時(shí)，不應(yīng)只追求時(shí)，不應(yīng)只追求而應(yīng)考慮到而應(yīng)考慮到。由于由于且且、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、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。接的、準(zhǔn)確的定量分析方法。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?yàn)方法，通常需要借助沒有適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方法，通常需要借助、等分析手段逐步摸索和統(tǒng)一認(rèn)識。等分析手段逐步摸索和統(tǒng)一認(rèn)識。20對于界面對于界面很難作出很難作出全面的分析全面的分析。到目前為止，對復(fù)合材料界面的認(rèn)識還是很不充分的，

10、到目前為止，對復(fù)合材料界面的認(rèn)識還是很不充分的，不能以一個(gè)通用的模型來建立完整的理論。不能以一個(gè)通用的模型來建立完整的理論。盡管存在很大的困難，但由于盡管存在很大的困難，但由于，所以吸，所以吸引著大量研究者致力于認(rèn)識界面的工作。引著大量研究者致力于認(rèn)識界面的工作。21浸潤性是表示液體在固體表面上浸潤性是表示液體在固體表面上。意味著意味著液體液體(基體基體)將在增強(qiáng)材料上鋪展開來將在增強(qiáng)材料上鋪展開來，并，并覆蓋整個(gè)增強(qiáng)材料表面覆蓋整個(gè)增強(qiáng)材料表面。假如假如不是太高，不是太高，浸潤后導(dǎo)致體系自由能降低浸潤后導(dǎo)致體系自由能降低的話，的話，就會(huì)發(fā)生就會(huì)發(fā)生。二、復(fù)合材料的界面粘結(jié)機(jī)理二、復(fù)合材料的界

11、面粘結(jié)機(jī)理22滴落在一滴落在一時(shí)，原來時(shí)，原來將將被被和和所代替，用所代替，用 LG 、 SG 、 SL分別分別代表液代表液-氣、固氣、固-氣和固氣和固-液的比表面能或稱表面張力液的比表面能或稱表面張力(即單即單位面積的能量位面積的能量)。23因此，因此，(Spreading Coefficient)被定義為：被定義為：SGLGSL)(LGSLSGSC按照按照，只有，只有體系自由能減少時(shí)，液體才能體系自由能減少時(shí)，液體才能鋪展開來鋪展開來，即，即24 只有當(dāng)只有當(dāng)時(shí)，才能時(shí)，才能。不完全浸。不完全浸潤的情況如下圖所示，根據(jù)力平衡，可得潤的情況如下圖所示，根據(jù)力平衡，可得式中式中 稱為接觸角。稱

12、為接觸角。COSLGSLSG/ )(1LGSLSGCOS25（a a）不完全浸潤不完全浸潤（b）不浸潤不浸潤圖圖2 不完全浸潤不完全浸潤(a)和不浸潤和不浸潤(b)情況示意圖情況示意圖26由由 可知浸潤的程度：可知浸潤的程度： 0o時(shí)，時(shí)，液體完全浸潤固體液體完全浸潤固體； 180o時(shí)，時(shí)，不浸潤不浸潤； oo 180o時(shí)，時(shí)，不完全浸潤不完全浸潤(或稱部分浸潤或稱部分浸潤)，隨角，隨角度下降，浸潤的程度增加。度下降，浸潤的程度增加。 90o時(shí)，常認(rèn)為時(shí)，常認(rèn)為不發(fā)生液體浸潤不發(fā)生液體浸潤。27對于一個(gè)指定的體系對于一個(gè)指定的體系，隨著隨著溫度、保持時(shí)溫度、保持時(shí)間、吸附氣體等而變化間、吸附氣

13、體等而變化。浸潤性僅僅表示了浸潤性僅僅表示了，而并不能表示而并不能表示。28一種體系的一種體系的可能有可能有極好的浸潤性極好的浸潤性，但它們之，但它們之間的間的結(jié)合可能很弱結(jié)合可能很弱，如范德華物理鍵合形式。，如范德華物理鍵合形式。因此因此良好的浸潤性良好的浸潤性，只是兩個(gè)組元間可達(dá)到，只是兩個(gè)組元間可達(dá)到良好粘結(jié)良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。的必要條件，并非充分條件。29為了提高復(fù)合材料為了提高復(fù)合材料，常常通過，常常通過來改善潤濕條件，有時(shí)也可來改善潤濕條件，有時(shí)也可通過通過改變基體成分改變基體成分來實(shí)現(xiàn)。來實(shí)現(xiàn)。30多數(shù)多數(shù)中中增強(qiáng)材料與基體之間不發(fā)生化增強(qiáng)材料與基體之間不發(fā)生化學(xué)反

14、應(yīng)學(xué)反應(yīng)，或，或不發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)不發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)。有些陶瓷基復(fù)合材料的有些陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料與其基體的化學(xué)成分增強(qiáng)材料與其基體的化學(xué)成分相同相同。31例如，如例如，如增強(qiáng)增強(qiáng)，這種復(fù)合材，這種復(fù)合材料也希望建立一個(gè)料也希望建立一個(gè)合適的界面合適的界面，即，即以提高其韌性。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一般認(rèn)為，陶瓷基復(fù)合材料需要一種既能又能又能的界面層，這樣才能充分的界面層，這樣才能充分改善陶瓷材料韌性差改善陶瓷材料韌性差的缺點(diǎn)。的缺點(diǎn)。32當(dāng)當(dāng)緊接著便發(fā)生緊接著便發(fā)生(Bonding)。(或稱或稱粘合粘合、粘著粘著、粘接粘接)是指是指的一種現(xiàn)象。的一種現(xiàn)象。

15、33對于一個(gè)對于一個(gè)給定的復(fù)合材料體系給定的復(fù)合材料體系，同時(shí)可能會(huì)同時(shí)可能會(huì)有不同的粘結(jié)機(jī)理有不同的粘結(jié)機(jī)理(如機(jī)械粘結(jié)、靜電粘結(jié)等如機(jī)械粘結(jié)、靜電粘結(jié)等)起起作用，而且作用，而且在不同的生產(chǎn)過程中或復(fù)合材料的使在不同的生產(chǎn)過程中或復(fù)合材料的使用期間用期間，粘結(jié)機(jī)理還會(huì)發(fā)生變化粘結(jié)機(jī)理還會(huì)發(fā)生變化，如由靜電粘結(jié)，如由靜電粘結(jié)變成反應(yīng)粘結(jié)。變成反應(yīng)粘結(jié)。34u 體系不同體系不同，粘結(jié)的種類或機(jī)理不同粘結(jié)的種類或機(jī)理不同，這主要取決于，這主要取決于以及以及等。等。主要有主要有、等。等。351機(jī)械作用理論機(jī)械作用理論 機(jī)械作用機(jī)理如圖機(jī)械作用機(jī)理如圖 3所示，當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸所示，當(dāng)兩個(gè)表面相互

16、接觸后，由于表面粗糙不平將發(fā)生機(jī)械互鎖后，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。用越有效。36圖圖3 界面粘結(jié)機(jī)理示意圖界面粘結(jié)機(jī)理示意圖機(jī)械作用理論（機(jī)械作用理論（mechanical bonding）37在受到平行于界面的作用力時(shí)，機(jī)械粘結(jié)作用在受到平行于界面的作用力時(shí)，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(shí)，除非界面有如圖中受拉力作用時(shí)，除非界面有如圖中A處所示的處所示的錨錨固固形態(tài)，否則拉伸強(qiáng)

17、度會(huì)很低。形態(tài)，否則拉伸強(qiáng)度會(huì)很低。在大多數(shù)情況下，純粹機(jī)械粘結(jié)作用很難遇到，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。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。38 2靜電作用理論靜電作用理論 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(shí)，在基體與增強(qiáng)材料之間將發(fā)生靜電吸引力，如圖時(shí)，在基體與增強(qiáng)材料之間將發(fā)生靜電吸引力，如圖4所示。靜電相互作用的距離很短，僅在原子尺度量級所示。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內(nèi)靜電作用力才有效。因此表面的污染等將

18、大大減弱這種粘結(jié)作用。這種粘結(jié)作用。39圖圖4 界面粘結(jié)機(jī)理示意圖界面粘結(jié)機(jī)理示意圖靜電作用理論(electrostatic bonding)40 3化學(xué)作用理論化學(xué)作用理論 化學(xué)作用是指增強(qiáng)材料表面的化學(xué)基化學(xué)作用是指增強(qiáng)材料表面的化學(xué)基(圖圖5中標(biāo)有中標(biāo)有x面面)與基與基體表面的相容基體表面的相容基(標(biāo)有標(biāo)有R面面)之間的化學(xué)粘結(jié)。之間的化學(xué)粘結(jié)。41圖圖5 界面粘結(jié)機(jī)理示意圖界面粘結(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)42 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)材料表面與聚合物基體的粘結(jié)。如

19、硅烷偶聯(lián)劑具有兩種性質(zhì)不面與聚合物基體的粘結(jié)。如硅烷偶聯(lián)劑具有兩種性質(zhì)不同的官能團(tuán)，一端為親玻璃纖維的官能團(tuán)同的官能團(tuán)，一端為親玻璃纖維的官能團(tuán)(X)，一端為親一端為親材脂的官能團(tuán)材脂的官能團(tuán)(R)，將玻璃纖維與樹脂粘結(jié)起來，在界面將玻璃纖維與樹脂粘結(jié)起來，在界面上形成共價(jià)鍵結(jié)合，如圖上形成共價(jià)鍵結(jié)合，如圖6所示。所示。43圖圖6 界面粘結(jié)機(jī)理示意圖界面粘結(jié)機(jī)理示意圖硅烷偶聯(lián)劑產(chǎn)生的化學(xué)粘結(jié)44 4界面反應(yīng)或界面擴(kuò)散理論界面反應(yīng)或界面擴(kuò)散理論 復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)材料間可以發(fā)生原子或分子復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)材料間可以發(fā)生原子或分子的互擴(kuò)散或發(fā)生反應(yīng)，從而形成反應(yīng)結(jié)合或互擴(kuò)散結(jié)合。的互擴(kuò)散或發(fā)生

20、反應(yīng)，從而形成反應(yīng)結(jié)合或互擴(kuò)散結(jié)合。對于聚合物來說，這種粘結(jié)機(jī)理可看作為分子鏈的纏結(jié)對于聚合物來說，這種粘結(jié)機(jī)理可看作為分子鏈的纏結(jié)(如圖如圖7所示所示)。45圖圖7 界面粘結(jié)機(jī)理示意圖界面粘結(jié)機(jī)理示意圖聚合物的反應(yīng)粘結(jié)（reaction bonding）46聚合物的粘結(jié)作用正如它的自粘作用一樣是由于長鏈聚合物的粘結(jié)作用正如它的自粘作用一樣是由于長鏈分子及其各鏈段的擴(kuò)散作用所致。而對于金屬和陶瓷基復(fù)分子及其各鏈段的擴(kuò)散作用所致。而對于金屬和陶瓷基復(fù)合材料，兩組元的互擴(kuò)散可產(chǎn)生完全不同于任一原組元成合材料，兩組元的互擴(kuò)散可產(chǎn)生完全不同于任一原組元成分及結(jié)構(gòu)的界面層分及結(jié)構(gòu)的界面層(如圖如圖8所示

21、所示)。47圖圖8 界面粘結(jié)機(jī)理示意圖界面粘結(jié)機(jī)理示意圖界面擴(kuò)散形成的界面層48界面層的性能也與復(fù)合材料組元不同，對于金屬基復(fù)界面層的性能也與復(fù)合材料組元不同，對于金屬基復(fù)合材料，這種界面層常常是合材料，這種界面層常常是AB、AB2、A3B類型的脆性類型的脆性的金屬間化合物。的金屬間化合物。對于金屬基和陶瓷基復(fù)合材料，形成界面層的主要原對于金屬基和陶瓷基復(fù)合材料，形成界面層的主要原因之一是由于它們的生產(chǎn)制備過程不可避免地涉及到高因之一是由于它們的生產(chǎn)制備過程不可避免地涉及到高溫。溫。49 Q-擴(kuò)散激活能擴(kuò)散激活能D-常數(shù)，常數(shù)，R-氣體常數(shù)，氣體常數(shù)，T-溫度。溫度。 )/exp(0RTQDD

22、在高溫下，擴(kuò)散極易進(jìn)行，擴(kuò)散系數(shù)在高溫下，擴(kuò)散極易進(jìn)行，擴(kuò)散系數(shù)D隨溫度呈指數(shù)關(guān)隨溫度呈指數(shù)關(guān)系增加，按照系增加，按照Arrhenius方程方程50 k-反應(yīng)速度常數(shù)，與擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。復(fù)合材料在使用過程中，尤其在高溫使用時(shí)，界面會(huì)復(fù)合材料在使用過程中，尤其在高溫使用時(shí)，界面會(huì)發(fā)生變化并可形成界面層，此外先前形成的界面層也發(fā)生變化并可形成界面層，此外先前形成的界面層也會(huì)繼續(xù)增長并形成復(fù)雜的多層界面。會(huì)繼續(xù)增長并形成復(fù)雜的多層界面。溫度明顯影響著擴(kuò)散系數(shù)，若Q250kJ/mol，并代入上式，則在10000C時(shí)擴(kuò)散系數(shù)D=21034。要比室溫大得多?；U(kuò)散層的程度即反應(yīng)層的厚度x取決于時(shí)間t和溫度，

23、可近似表示為21ktx 51上述理論有一定的實(shí)驗(yàn)支待，但也有矛盾之處。上述理論有一定的實(shí)驗(yàn)支待，但也有矛盾之處。如靜電粘結(jié)理論的最有力證明是觀察聚合物薄膜從如靜電粘結(jié)理論的最有力證明是觀察聚合物薄膜從各種表面剝離時(shí)所發(fā)現(xiàn)的電子發(fā)射現(xiàn)象，由電子發(fā)射速各種表面剝離時(shí)所發(fā)現(xiàn)的電子發(fā)射現(xiàn)象，由電子發(fā)射速度算出剝離功大小與計(jì)算的粘結(jié)功值和實(shí)際結(jié)果相當(dāng)吻度算出剝離功大小與計(jì)算的粘結(jié)功值和實(shí)際結(jié)果相當(dāng)吻合。合。52但是靜電粘結(jié)理論不能解釋非線性聚合物之間具有但是靜電粘結(jié)理論不能解釋非線性聚合物之間具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度這一現(xiàn)象。較高的粘結(jié)強(qiáng)度這一現(xiàn)象。因此，每一種粘結(jié)理論都有它的局限性，這是因?yàn)橐虼?，每一種粘結(jié)

24、理論都有它的局限性，這是因?yàn)榻缑嫦嗍且粋€(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜而具有多重行為的相。界面相是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜而具有多重行為的相。5354v界面的基本概念界面的基本概念v復(fù)合材料的界面粘結(jié)機(jī)理復(fù)合材料的界面粘結(jié)機(jī)理v聚合物基復(fù)合材料的界面改性聚合物基復(fù)合材料的界面改性v金屬基復(fù)合材料的界面改性金屬基復(fù)合材料的界面改性v層狀復(fù)合材料的界面55思考題思考題1、復(fù)合材料的界面在復(fù)合材料中能發(fā)揮怎樣的作用？2、復(fù)合材料的界面粘結(jié)機(jī)理有哪些？請舉出一種加以說明。傳遞應(yīng)力、阻斷裂紋、不連續(xù)效應(yīng)、散射和吸收、誘導(dǎo)效應(yīng)機(jī)械作用理論、靜電作用理論、界面反應(yīng)理論、浸潤理論、可變形層理論、約束層理論56三、聚合物基復(fù)合材料的界面改性三、

25、聚合物基復(fù)合材料的界面改性v界面粘結(jié)強(qiáng)度界面粘結(jié)強(qiáng)度是衡量復(fù)合材料中增強(qiáng)體與基體是衡量復(fù)合材料中增強(qiáng)體與基體間間界面結(jié)合狀態(tài)界面結(jié)合狀態(tài)的一個(gè)指標(biāo)。的一個(gè)指標(biāo)。v界面粘結(jié)強(qiáng)度對復(fù)合材料整體力學(xué)性能的影響界面粘結(jié)強(qiáng)度對復(fù)合材料整體力學(xué)性能的影響很大，很大，界面粘結(jié)過高或過弱都是不利的界面粘結(jié)過高或過弱都是不利的。57影響復(fù)合材料界面效應(yīng)的因素影響復(fù)合材料界面效應(yīng)的因素58中，中，界面層的作用界面層的作用首先是首先是把施加在整體上的力，把施加在整體上的力，這就需要有足夠的界面，這就需要有足夠的界面粘接強(qiáng)度，粘接過程中，粘接強(qiáng)度，粘接過程中，兩相表面能相互潤兩相表面能相互潤濕濕是首要的條件。是首要的

26、條件。59界面層的另一作用界面層的另一作用是是，以及，以及使增強(qiáng)纖維從基體拔出并發(fā)生摩擦使增強(qiáng)纖維從基體拔出并發(fā)生摩擦。這樣就。這樣就可以可以增大表面能增大表面能、拔出功拔出功和和摩擦功摩擦功等形式等形式以達(dá)到以達(dá)到提高其抗破壞能力提高其抗破壞能力。從以上兩方面綜合考慮，則要求從以上兩方面綜合考慮，則要求。60設(shè)計(jì)復(fù)合材料時(shí)，僅僅考慮到復(fù)合材設(shè)計(jì)復(fù)合材料時(shí)，僅僅考慮到復(fù)合材料具有料具有還不夠，還要考還不夠，還要考慮究竟慮究竟。61對對有兩種觀點(diǎn)有兩種觀點(diǎn)，一種是，一種是應(yīng)介于應(yīng)介于增強(qiáng)材料與基體材料之間增強(qiáng)材料與基體材料之間，最好形成，最好形成梯梯度過渡度過渡。另一種觀點(diǎn)是另一種觀點(diǎn)是低于增強(qiáng)

27、材料與基體低于增強(qiáng)材料與基體，最好是一種類似橡膠的最好是一種類似橡膠的彈性體彈性體，在受力時(shí)有較大，在受力時(shí)有較大的形變。的形變。從從力學(xué)角度力學(xué)角度來看，來看，將會(huì)產(chǎn)生好的效果。將會(huì)產(chǎn)生好的效果。按照按照，可將集中，可將集中于界面的應(yīng)力迅速分散，從而于界面的應(yīng)力迅速分散，從而提高整體的力學(xué)性能。提高整體的力學(xué)性能。62前面的兩種觀點(diǎn)都前面的兩種觀點(diǎn)都有一定的實(shí)驗(yàn)支持有一定的實(shí)驗(yàn)支持，但是尚未得到定論。但是尚未得到定論。然而無論如何，若然而無論如何，若，將會(huì)產(chǎn)生不良的效果，將會(huì)產(chǎn)生不良的效果，這是大家都公認(rèn)的觀點(diǎn)。這是大家都公認(rèn)的觀點(diǎn)。63在聚合物基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)考在聚合物基復(fù)合材料

28、的設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)考慮慮如何改善增強(qiáng)材料與基體間的浸潤性如何改善增強(qiáng)材料與基體間的浸潤性。64對對碳纖維表面碳纖維表面涂覆涂覆和和，比較后發(fā)現(xiàn)，比較后發(fā)現(xiàn)，惰性涂層效果較好惰性涂層效果較好，活，活性涂層可能由于降低了相界面的浸潤性涂層可能由于降低了相界面的浸潤性而效性而效果不良。果不良。將會(huì)在界面產(chǎn)生空隙，易產(chǎn)生將會(huì)在界面產(chǎn)生空隙，易產(chǎn)生而而使復(fù)合材料發(fā)生開裂。使復(fù)合材料發(fā)生開裂。65選擇選擇也很重要，所選處理增強(qiáng)材料表面也很重要，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)，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)。又含有與聚合

29、物基體起化學(xué)作用的官能團(tuán)。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)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５耐繉佣伎梢允盏胶芎玫男Ч?6碳纖維經(jīng)過空氣表面氧化后，其表面物理、化學(xué)狀態(tài)均發(fā)生了變化，比表面積增碳纖維經(jīng)過空氣表面氧化后，其表面物理、化學(xué)狀態(tài)均發(fā)生了變化，比表面積增加，表面粗糙度增加，含氧官能團(tuán)的種類和數(shù)量也有所增加，這些因素都會(huì)促進(jìn)加，表面粗糙度增加，含氧官能團(tuán)的種類和數(shù)量也有所增加，這些因素都會(huì)促進(jìn)聚合物基復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的提高，纖維聚合物基復(fù)

30、合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的提高，纖維/ /基體界面結(jié)合對總性能有很大的影基體界面結(jié)合對總性能有很大的影響，從而使復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能也相應(yīng)提高。響，從而使復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能也相應(yīng)提高。67在制備在制備聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料時(shí)，一般是把時(shí)，一般是把聚合物聚合物( (液液態(tài)樹脂態(tài)樹脂) )均勻地浸漬或涂刷均勻地浸漬或涂刷在在增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料上。上。樹脂對增強(qiáng)材料的浸潤性樹脂對增強(qiáng)材料的浸潤性是指樹脂能否均勻地分是指樹脂能否均勻地分布在增強(qiáng)材料的周圍，這是樹脂與增強(qiáng)材料能否布在增強(qiáng)材料的周圍，這是樹脂與增強(qiáng)材料能否形成良好粘結(jié)的重要前提。形成良好粘結(jié)的重要前提。68v在復(fù)合材料成型過程中形

31、成的界面殘余應(yīng)力界面殘余應(yīng)力，會(huì)使界面?zhèn)鬟f應(yīng)力的能力下降，最終導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能降低。v在增強(qiáng)纖維與基體之間引入一層可產(chǎn)生變形的界面層可產(chǎn)生變形的界面層，在應(yīng)力作用下吸收導(dǎo)致微裂紋增長的能量，從而抑制微裂紋的擴(kuò)展。v控制復(fù)合材料成型過程的冷卻方式，或者對復(fù)合材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，將可能消除或者減弱界面內(nèi)應(yīng)力，有效提高復(fù)合材料的剪切屈服強(qiáng)度，避免力學(xué)性能降低。69v二氧化硅顆粒（硅微粉硅微粉）在工程塑料中有廣泛的應(yīng)用。v二氧化硅的表面改性一般采用一定的有機(jī)物，通過合適的工藝方法使其吸附在SiO2顆粒表面或直接與SiO2表面的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，減少顆粒表面硅醇基數(shù)量。 v表面化學(xué)改性可采用醇酯

32、法、硅烷偶聯(lián)劑或硅烷偶聯(lián)劑聚合物復(fù)合改性等方法。v將超細(xì)二氧化硅的硅烷偶聯(lián)劑改性法和聚合物包覆法結(jié)合起來，有目的地對超細(xì)二氧化硅表面接枝不同性能的聚合物，具有接枝包敷完全、分散程度好等優(yōu)點(diǎn)。70圖圖 二氧化硅二氧化硅(SiO2)/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料環(huán)氧樹脂復(fù)合材料71圖 高純納米 SiO2的TEM照片和XRD譜72幾種現(xiàn)代分析方法幾種現(xiàn)代分析方法 vX射線射線照射在物體表面一定深度范圍內(nèi)，經(jīng)不同程度反射，可以定性定量分析物質(zhì)的組成，也可以分析材料表面的應(yīng)力狀態(tài)等。vX射線是一種波長很短波長很短(約為200.02nm)的電磁波，能穿透一定厚度的物質(zhì)，并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離。v晶

33、體可以作為X射線的空間衍射光柵，即當(dāng)一束 X射線通過晶體時(shí)將發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使射線的強(qiáng)度在某些方向上加強(qiáng)，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣，便可確定晶體結(jié)構(gòu)。1、X射線衍射射線衍射 73圖 X射線衍射儀7475v取向分析取向分析 包括測定單晶取向和多晶的結(jié)構(gòu)（見擇優(yōu)取向），如測定硅鋼片的取向。另外，為研究金屬的范性形變過程，如孿生、滑移、滑移面的轉(zhuǎn)動(dòng)等，也與取向的測定有關(guān)。 v晶粒（嵌鑲塊）大小和微觀應(yīng)力的測定晶粒（嵌鑲塊）大小和微觀應(yīng)力的測定 由衍射花樣的形狀和強(qiáng)度可計(jì)算晶粒和微應(yīng)力的大小。在形變和熱處理過程中這兩者有明顯變化，它直接影響材料的性能。v宏觀應(yīng)力的測定

34、宏觀應(yīng)力的測定 宏觀殘留應(yīng)力的方向和大小，直接影響機(jī)器零件的使用壽命。利用測量點(diǎn)陣平面在不同方向上的間距的變化，可計(jì)算出殘留應(yīng)力的大小和方向。 76v拉曼光譜拉曼光譜（Raman spectra），是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基于印度科學(xué)家C.V.拉曼（Raman）所發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)。v對與入射光頻率不同的散射光譜進(jìn)行分析以得到分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)方面信息，并應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)研究的一種分析方法。v拉曼光譜能夠提供快速、簡單、可重復(fù)、無損傷的定性定量分析。v拉曼光譜應(yīng)用在有機(jī)化學(xué)、高聚物以及表面和薄膜等方面。 2、拉曼光譜、拉曼光譜 77圖 拉曼光譜儀及振動(dòng)拉曼衍射光譜78例：結(jié)香纖維素與木素分布

35、的顯微激光拉曼光譜研究例：結(jié)香纖維素與木素分布的顯微激光拉曼光譜研究采用透射電子顯微鏡（TEM）研究結(jié)香細(xì)胞壁的超微結(jié)構(gòu)79S2層的拉曼衍射光譜80v纖維素纖維素的主要特征峰為2897、1121、1098、378cm-1；木素木素的主要特征峰為1650cm-1和1605cm-1。v拉曼位移1650cm-1歸屬為松柏醇紫丁香醇和松柏醛紫丁香醛結(jié)構(gòu)，1605cm-1 處木素峰最強(qiáng)，歸屬于苯環(huán)的對稱伸縮振動(dòng)。81表表 拉曼光譜信號的歸屬表拉曼光譜信號的歸屬表82v質(zhì)譜質(zhì)譜（又叫質(zhì)譜法，Mass spectrometry）是一種與光譜并列的譜學(xué)方法，通常意義上是指廣泛應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域中通過制備、分離

36、、檢測氣相離子來鑒定化合物的一種專門技術(shù)。v質(zhì)譜法在一次分析中可提供豐富的結(jié)構(gòu)信息，將分離技術(shù)與質(zhì)譜法相結(jié)合是分離科學(xué)方法中的一項(xiàng)突破性進(jìn)展。v在眾多的分析測試方法中，質(zhì)譜學(xué)方法被認(rèn)為是一種同時(shí)具備高特異性和高靈敏度且得到了廣泛應(yīng)用的普適性方法。v質(zhì)譜儀器一般由樣品導(dǎo)入系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、檢測器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分組成。3、質(zhì)譜、質(zhì)譜83v世界上第一臺(tái)質(zhì)譜儀于1912年由英國物理學(xué)家Joseph John Thomson（1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、英國劍橋大學(xué)教授）研制成功。v到20世紀(jì)20年代，質(zhì)譜逐漸成為一種分析手段，被化學(xué)家采用；從40年代開始，質(zhì)譜廣泛用于有機(jī)物質(zhì)分析。 v

37、在早期的質(zhì)譜研究中，涉及的樣品一般為無機(jī)物，檢測目的包括測定原子量、同位素豐度、確定元素組成等。 v目前質(zhì)譜的檢測對象主要是有機(jī)物和生命活性物質(zhì)，需要用到一些比較特殊（相對于AES 激發(fā)源）的電離源。 84質(zhì)譜儀85v采用氣相色譜/質(zhì)譜選擇離子模式分析葡萄酒樣本和14種農(nóng)藥的基質(zhì)匹配混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.01、0.1、1.0、5.0和10 ug/mL），建立各化合物的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。v每種農(nóng)藥選擇23個(gè)掃描離子，通過保留時(shí)間和特征離子及其豐度比對目標(biāo)農(nóng)藥進(jìn)行定性，標(biāo)準(zhǔn)工作曲線法定量。氣相色譜氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用快速檢測葡萄酒農(nóng)藥殘留質(zhì)譜聯(lián)用快速檢測葡萄酒農(nóng)藥殘留8687v利用物質(zhì)對紅外光波的吸收進(jìn)行定性及定量分析。由于不同的物質(zhì)具有不同的化學(xué)鍵，其吸收波長不同，而對光波吸收的多少與物質(zhì)的量成正比，因此可以用來定量。v紅