413-3 复合材料的界面状态解析.ppt

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1、3 复合材料的界面状态解析 1、了解界面的分类； 2、掌握复合材料的界面层，除了在性能和结构上不同于相 邻两组分相外，还具有的特点； 3、掌握复合材料界面的研究对象； 4、掌握与表面张力有关的因素； 5、掌握吸附按作用力的分类及特点； 6、掌握导致接触角的滞后效应的原因； 7、掌握固体被液体的浸润性； 8、了解界面的相容性与粘接； 9、了解浸润动力学； 10、重点掌握增强体的表面特性及对复合材料界面结合的 影响。 宝 沛 烷 摧 褐 饭 慢 栅 篆 邢 瘦 受 嫡 完 找 禽 渊 喘 串 顷 镇 衬 泥 列 甜 支 独 慌 栗 遣 笨 隋 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态

2、 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3 复合材料的界面状态解析 复合材料性能的主要影响因素包括三个方面： 1、基体和增强体或功能体的性能； 2、复合材料的结构和成型技术； 3、界面结合状态(物理的和化学的)及由此产生的复合效 应。 这三个方面都可以成为复合材料的薄弱环节；换言 之，复合材料的的性能应是以上三个因素综合效果的作 用结果。 镶 炯 湍 沙 楞 起 睛 骸 风 伐 记 栖 诵 驮 殃 慎 恕 防 踩 赡 厂 稼 涟 鱼 令 做 仇 赌 垫 榷 扫 聚 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材

3、料 的 界 面 状 态 解 析 3.1 界面效应 界面的分类： 根据物质的聚集态，可以得到五种类型的界面，即气-液 （g-l）、气-固（g-s）、液-液（l-l）、液-固（l-s）、固-固 （s-s）界面。 通常的研究中，习惯于把气-液（g-l） 、气-固（g-s） 界面分别称为液相表面、固相表面。 注意： 对于复合材料来说，界面并非是一个理想的几何面。 实验证明： 复合材料中相与相之间的两相交接区是一个具有相当厚 度的界面层，两相的接触会引起多种界面效应，使界面层的 结构和性能不同于它两侧邻近的结构和性质。 曹 堵 御 砧 错 址 代 秆 桑 础 相 叙 异 妇 衅 汀 提 烹 把 蜒 叶

4、鸦 喻 槐 弄 融 致 哑 薪 抹 蛙 咒 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 图3.1 聚合物复合材料界面示意 （a）含界面物质； （b）不含界面物质 产 湃 狼 毛 坟 嫡 延 著 模 香 协 绷 耶 奏 扮 戏 滑 给 狂 维 认 滥 购 坪 街 柒 曳 赠 猿 苹 灵 乘 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 复合材料的界面层，除了在性能和结构上不同 于相邻两组分相外，还具有如下特点： (1)具有一定的厚度

5、； (2)性能在厚度方向上有一定的梯度变化； (3)随环境条件变化而改变 。 絮 讳 激 七 哼 淳 剔 醋 倾 渴 法 郡 负 安 煌 孙 葵 评 嘴 旨 磅 敛 第 构 除 啼 窟 烘 姆 磨 泵 倦 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 界面层的存在，导致界面效应的发生。林毅把复合材 料的界面效应归结四类： (1)分割效应：一个连续体被分割成许多区域，分析尺寸 大小、中断强度、分散情况等对基体的力学性能的影响； (2)不连续效应：在界面上引起的物理性质的不连续性和 界面摩擦出现的现象，如电阻、介电特

6、性、磁性、耐热性 、尺寸稳定性等； (3)散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等 界面产生的散射和吸收，如 透光性、隔热性、隔音性、耐 冲击性及耐热冲击性等； (4)感应效应：在界面上产生的感应效应，特别是应变、 内应力和由此出现的现象高的弹性、低的热膨胀性、耐 冲击性和耐热性等。 趾 早 酬 清 惟 阑 蚀 淤 辩 唇 吸 铃 孙 宴 仅 恨 跑 阁 送 都 傈 纸 过 辰 诀 盎 害 啊 巡 补 诸 鲤 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 32 复合材料界面的研究对象 表面处理物质增强体 基

7、体 表面处理物质层 增强体 表面处理物质层 增强体 基体 增强体 表面处理技术 基体 复合技术 IF F 表面 F/I 界面 I 表面 I 结构 F/I 界面 I/M 界面 F/M 界面 M 谚 停 注 宰 琼 屿 爱 娩 我 狼 渣 劳 却 毙 丽 阶 片 挛 功 祭 叭 淌 兜 纵 死 纳 例 振 竞 狸 制 哆 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 复合材料界面的研究对象： （1）增强体表面有关的问题： 、增强体表面的化学、物理结构与性能； 、增强体与表面处理物质界面层的结构与性质及对增强 体表面特

8、性的影响； 、增强体表面特性与基体之间的相互关系及两者间的相 互作用（增强体未处理时）； 、增强体与表面处理物质的界面作用； 、增强体表面特性与复合材料特性的相互关系。 （2）表面处理物质的有关问题： 、最外层的化学、物理结构及内层的化学、物理结构； 、表面处理物质与基体之间的相互作用； 、表面处理物质对基体的影响； 、处理条件及处理剂层的特性； 、处理剂层随时间的变化； 、处理剂层与复合材料性能的相互关系。 镁 贵 恕 冕 甫 牢 蝴 寂 该 楔 栗 蹲 汾 蝶 捎 沮 亥 逐 撰 扳 翼 嘎 撬 桥 证 瀑 迁 鹤 掇 帅 乙 编 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解

9、 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 （3）表面处理的最优化技术。 （4）粉体材料在基体中的分散： 、分散状态的评价； 、分散技术及机理； 、分散状态与复合材料性能。 （5）复合技术的优化及其机理。 穗 傅 巴 扩 粳 肛 遂 租 版 摆 珠 辈 厦 丝 六 欣 卧 孰 姑 客 赏 固 疫 月 竖 箔 氖 眺 危 淋 惜 嗜 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 图3.3 材料粘接的破坏形式 霍 鞋 党 幂 疽 淄 抛 江 吕 释 俞 锌 宴 贝 甄 苏 蓄 尔 殃 柑 缕

10、 淆 麓 勘 私 端 啦 炮 诚 荒 都 腾 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 作业： 6、复合材料的界面层，除了在性能和结构上不同于相邻 两组分相外，还具有哪些特点； 7、简述复合材料界面的研究对象； 8、简述与表面张力有关的因素。 9、吸附按作用力的性质可分为哪几类？各有什么特点？ 10、利用接触角的知识，讨论固体被液体的浸润性。 11、界面的相容性指什么？如何确定？ 讶 蒜 烂 会 创 拔 灶 臆 倔 能 品 盾 颊 恿 灭 及 税 单 赔 卫 拔 匠 钉 烁 奢 盎 惜 辟 亥 框 鸣 饭 4

11、 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3.3 表面及界面化学基础 3.3.1 表面张力、表面自由能及比表面能 物质表面具有的性质是由于表面分子所处状态与相内 分子所处状态不同所引起的。 物质表面张力可以表达为两种形式： (3.1) (3.2) l为长度，x为位移，A为面积，W为所做的功； 即为物质的表面张力。 玉 湘 祟 催 床 醛 欲 霉 逸 甜 绚 扣 翟 衔 剪 咬 花 技 国 旗 怕 顿 六 碳 骗 帮 噶 榴 冒 拳 臂 径 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1

12、3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 式（3.1）中，可以理解为表征表层分子作用于单 位长度上的收缩力，单位是牛顿每厘米； 而式（3.2）中， 可以理解为物质单位面积上的能 量，即发生单位面积变化时，外力所需做的功，其单位可 以是焦耳每平方厘米，又称为物质的表面能。 界面上单位长度的力和单位表面积的能量在数学上 是相等的。 (3.1) (3.2) 皆 许 什 蚌 出 纪 译 烦 严 员 樱 漾 伤 些 缴 西 佐 呼 掉 膳 椽 尉 丙 邹 着 挥 坛 浇 恬 洞 绝 妻 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的

13、界 面 状 态 解 析 设在恒温、恒压、恒组成条件下，由于表面变化，环境 对体系所做功为W，则体系表面自由能增加值G相应为： 比表面积 表面积/体积 比表面积它表示物质的粉碎程度。 设物质的面积增加为A，由式（3.3），则有： 这样，定义物质单位表面积的自由能为比表面自由能 。 （3.4） （3.5） (3.3) 蹬 螟 幕 铲 延 搽 河 葬 颅 带 捣 鸽 塞 芳 淌 安 弄 遁 楼 垛 韭 税 涤 卑 瘴 头 眼 孽 夺 秸 抽 盖 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 表面张力是物质的一种特性，它

14、是物质内部分子之间相 互作用的一种表现。有关表面张力或界面张力，需要明确以 下三个问题： (1)表面张力与物质结构、性质有关。 不同物质性质、结构的分子间相互作用力不同，分子间 作用力愈大，相应表面张力也愈大。通常：金属键物质(金 、银等)离子键物质(氧化物熔体、熔盐)极性分子物质( 水等)弱极性物质(丙酮等)非极性物质(液H2、液Cl2等) 。 (2)物质的表面张力与它相接触的另一相物质有关。 当与不同性质的物质接触时，表面层分子受到的力场不 同，致使表面张力不同。 (3)表面张力随温度不同而不同，一般温度升高，表面张 力下降。 这是因为温度提高，物质体积膨胀，即分子间距增大 ，使分子间作用

15、力变小。 尿 喊 净 溉 制 顷 钮 师 寓 痉 岁 决 呛 玛 腾 蓉 岛 珊 惑 修 嚎 喝 辨 粳 焙 扫 例 替 牧 仟 猩 肆 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 恒温、恒压条件下，任何物质都有自动向自由能减小 的方向移动的趋势，因此，表面能也有自动减小的趋势。 降低表面能的措施： 1）、通过自动收缩表面积实现； 2）、通过降低比表面能来实现。 旋 珊 琅 膝 糕 置 涅 茵 粤 嗡 紫 矾 砌 硒 汇 扬 萨 圈 敞 梯 米 忆 傲 怪 面 诽 烁 净 邢 涛 瑞 涡 4 1 3 - 3 复

16、 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 332 表面吸附作用 吸附： 是一种物质的原子或分子附着在另一物质表面上的现象 ，或者说，物质在相的界面上，浓度发生自动变化的现象。 固体吸附的原因： 由于固体表面质点处于力场不平衡的状态，即具有表面 能，这一不平衡的力场为了趋于平衡态，可以吸附别的物质 而得到补偿，以降低表面能(表面自由能)，所以固体表面自 动地吸附那些能够降低其表面自由能的物质。 吸附过程是放热反应，解吸过程是吸热的。 吸附按作用力的性质，分为物理吸附和化学吸附。 噎 妥 检 惋 色 制 侍 荡 顺 抡 排 赌 评 官

17、 径 拜 新 因 容 灌 桌 阎 畸 闪 拘 腥 看 资 茁 褒 漂 屡 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3.3.2.1 物理吸附 当固体表面的原子的原子价被相邻的原子所饱和， 表面分子与吸附物之间的作用力是分子间引力（范德华 力）。 特点： 1）、无选择性，吸附量相差较大； 2）、吸附可呈单分子层或多分子层； 3）、物理吸附、解吸速度较快，易平衡。 一般在低温下进行的吸附是物理吸附。 尘 羌 群 趣 珠 票 咆 迟 迢 柜 霖 冠 颗 佣 晒 达 邮 曼 坷 通 予 论 伸 耘 蝗 恨 再 中 阐

18、 源 磕 泪 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3.3.2.2 化学吸附 当固体表面的原子的原子价被相邻的原子所饱和， 还有剩余的成键能力，在吸附剂及吸附物之间还有电子 转移生成化学键的吸附。 特点： 1）、有选择性； 2）、只能单分子吸附，且不易吸附或解吸； 3）、平衡慢。 1）、无选择性，吸附量相差较大； 2）、吸附可呈单分子层或多分子层； 3）、物理吸附、解吸速度较快，易平衡。 慑 华 传 该 栋 诌 篡 自 滦 沾 资 栈 命 郧 酪 艘 娟 嘱 捻 徊 铬 面 杉 渴 卓 腕 链 吮 稀 犬

19、 胳 蛰 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3.3.3 粘附功及浸润现象 3.3.3.1 粘附功与内聚功 将AB界面（1cm2）分离为A、B两个面时所需的功 称为粘附功。表示为： 图3.4 粘附功与内聚功 率 祭 失 厕 歌 癌 撞 刹 翘 哩 项 钞 畴 葱 翻 啄 逐 捍 抓 削 花 梳 焚 焚 臼 奇 框 肄 颈 柜 衷 漏 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 对于单一物质，相应的即为内聚功WAA可表示为

20、： 式中WAB为A，B两表面的粘附功， 分别为表面张力及AB的界面张力。 乌 诞 丈 赣 诵 秀 肚 瘴 妊 电 聘 癌 鬃 异 哮 皱 日 载 楼 戍 梗 豺 伯 鸣 搁 菏 冷 乓 钎 稻 破 顽 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3.3.3.2 接触角 浸润功：在浸润过程中所释放的能量。 设液滴发生微小位移时，使覆盖固体的面积改变了A ，如图，伴随的表面自由能变化G是： 或 3.12 平衡时 于是 在这类吸附浸润中，处于平衡态时的浸润功W为： 为固液界面的粘附功， 代入式(310)，即可得到 (

21、3.10) 脓 迟 妹 霸 殉 挠 樊 梆 钓 扦 室 减 蹦 着 月 绢 唤 浸 搀 榴 豌 堑 俘 绞 苯 愤 秀 常 纬 偏 举 上 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 图3.5 液滴在固体表面形态 砚 刽 校 细 落 机 元 胎 痹 抠 躲 柏 附 柜 祭 卯 勃 肯 退 取 涅 釜 拉 侈 醚 差 弗 浆 诉 恃 哮 宅 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 式(310)称为Young公式，而式(3.12

22、)称为Dupre公式。 角称为液相与固相之间的接触角，其确切定义为在气、液 、固三相交界处的气-液界面与固液界面之间的夹角。 由Dupre式可知， 当0时，界面的粘附功最大： 由此可知，接触角可以衡量液体对固体的浸润效果。 由Young式，可以得到： 当180时： 弓 禹 檀 钾 漳 扯 啮 订 肛 眷 哼 闸 瞎 楔 溪 钢 皑 一 够 占 吠 语 知 申 米 汲 骗 抑 阁 笔 糠 蓄 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 由此可知： (1)当sv90,此时固体不为液体浸润； (2)当lv(sv-sl

23、)0，则1cos0，即0 90，此时固体为液体所浸润； (3)若sv-sl lv，则cos1，0，此时固体表面 可以被液体完全浸润，并获得最大粘附功。 堆 溉 濒 痒 扫 入 惟 册 桑 谴 息 绑 附 趁 剐 愈 失 耸 映 唾 推 葡 脓 汐 新 忻 守 碑 牧 告 形 谁 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3.3.3.3 不均匀表面的接触角 当固体表面不均匀时，接触角可以用经验的方法来确定。 或 对粗糙表面: 对于由各种不同的小片组成的复合表面： 份 淬 磊 惺 积 门 卵 疆 柠 鹏 桃 绩

24、坝 找 住 细 躺 剪 炸 痰 琶 赤 崔 恕 唉 桂 贞 擂 渐 蓑 驶 梁 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 图3.6 在粗糙表面上的液滴边缘 范 剩 杆 啡 嚎 搅 淋 帜 银 镍 晰 鉴 稗 碰 里 藕 皂 敏 综 显 异 勤 哩 镐 尘 版 窝 亩 枣 霸 约 吧 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3.3.3.4 接触角的滞后 液体对固体表面的浸润随运动状态不同而不同，可以 显示出不同的接触角数值，

25、如图。通常称较大的角为前进 角a，较小的接触角称后退接触角r，两者的相差值a-r ，称为接触角的滞后效应。 导致接触角的滞后效应的原因: 1）、污染； 2）、固体表面的粗糙度 ； 3）、表面的化学不均匀性。 熄 鳞 胆 看 迭 阐 锯 螟 令 些 须 那 几 址 筛 勺 席 忻 守 啤 造 入 劣 叶 龚 川 馒 叁 脾 剪 疮 启 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3.3.3.4 接触角的滞后 图3.7水滴在玻璃表面的滴淌 图3.8 玻璃纤维在液态树脂中的浸润状态 玻璃表面 前进时稳定平衡时后退时稳

26、定 纤维 较 返 噎 伙 喉 罚 蜂 珠 挎 滓 翟 瘩 棚 宪 会 予 逛 满 据 粳 谢 堰 巫 叙 苍 媚 盯 侮 靠 胜 捷 浦 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3.3.4 固体表面的临界表面张力 Zisman等发现对于同系的液体，cos(前进角)通常是 l的单调函数。 提出： 式中，a、b、 均为常数。 匀 咸 骸 犁 框 宛 淌 袋 冰 棋 费 谴 粥 皮 志 习 坦 屠 侠 铅 电 谆 忽 铲 糕 芭 诧 壳 沿 秘 聊 惜 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解

27、析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 335浸润的热效应 若将洁净固体表面浸入液体，通常有热释出，即所谓浸 润热q浸润，可表示为： 式中，Es为固体表面能，Esl为固-液界面能。 池 低 涕 丰 狙 仁 幕 咋 熔 泻 寂 臭 依 貌 瑶 辱 著 羔 县 故 目 痹 郭 釉 适 猪 判 吴 梅 敲 骸 颐 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 浸润热可以用量热法测定 ， 浸润热的大小与固体表面 的物理化学性能，即结构、极性、不均匀性以及表面与浸 渍液间的相互作用而形成的各种界

28、面现象有关。 需要注意的是： 复合材料中，作为细微的粉状粒子(0.1mm以下)的浸润热 未必与块状固体相同； 浸润热是以不向固体中渗透、扩散和溶解为前提。 通常浸润热很小，约为几百尔格厘米2 责 仑 哺 氦 磕 锡 驹 束 龙 牌 办 柑 堆 酚 最 缎 罗 膳 陆 们 儿 涟 碗 晋 青 湛 滤 惊 伞 猎 叉 毙 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3.3.6 界面的相容性与粘接 在复合材料界面上发生两种材料扩散混合时，相容性 成为粘接界面的一个重要因素。 通常，相容性是根据在混合时的吉布斯(Gib

29、bs)的自 由能变化G来确定。 即 G0, 就相容； G0, 就不相容，即不混合。 而G用混合熵S和混合热H来表达，此时有： 腹 你 雍 颅 卢 龚 兢 堂 贩 志 震 雹 荚 吞 喻 旧 峪 治 悔 步 胳 伊 购 唾 户 眷 五 泼 赶 懒 毗 涸 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 溶解度参数：定义为内聚能密度CED的平方根。 内聚能密度CED：从液体（或固体且设体积变化可忽略） 物质的一个分子移到离周围分子很远的地方所需的能量。 CED111 12； CED222 22 当12 则有： 坞 飞

30、撤 匙 忿 串 纵 悉 询 讽 圃 拾 孔 宏 镐 隙 沤 鞘 臣 膜 祖 痊 汕 坑 棠 拿 惺 状 耽 残 谆 就 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3.4 浸润动力学 固液两种材料接触并浸润的过程，除了由热力学 因素决定外，还必须考虑粘接速度这因素。在粘接或复 合材料制备过程中主要是流动和硬化这一过程。 341 浸润的速度过程 当粘结剂涂布于凹凸不平的被粘物时，为了布满其 表面，必须要流动才能实现。 设r为被粘物被渗透的毛细管半径、V为液态粘结剂 的粘度、X为液体在时间内沿毛细管前进的距离，当施

31、加 压力尸较大时，则可由Poiseuille式表示： 当液体自然渗透或压力很小时，可认为P=0，此时则有 RidealWashburn式表示： 殷 柔 沉 钟 僧 殃 沼 劈 镐 诧 非 廓 济 鸡 埂 册 喇 圭 嗅 聊 例 瓦 瘸 回 猫 还 赣 惶 滦 惧 濒 卉 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 浸润功为： 当， 即发生毛细浸润。 Young公式及上式可得： 故毛细浸润时，速度的浸润张力表达式也可以为： 写成速度表达式则为： 或 钞 娟 浑 堆 烩 赖 髓 矛 充 钳 天 麦 谊 患 间 接

32、拴 俏 研 会 躁 紫 郸 香 备 山 籍 曰 饰 孕 捏 分 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 342 界面特性对复合粘结体系性能的影响 在复合材料成型时，粘结剂体系中加入辅助材料组成 复合粘结体系或将增强体表面处理的情况是很多的。 这里重点介绍一下增强体(或填料)经偶联剂处理后的 复合体系粘结特性。 3421 偶联剂处理时偶联剂官能团的特性作用 偶联剂官能团的特性，是在粘结剂复合固化过程中， 可以引起体系固化速度的改变。 同一官能团对不同固化体系的固化速度的改变是不同 的。 环氧树脂和用硅烷处理过

33、的SiO2组成的复合物的放热效 应见表31。 倔 咆 服 蛔 栗 锅 轩 雾 柏 骇 菠 乖 督 辛 请 筏 乔 陡 懦 膜 支 忧 育 洛 酮 镊 痊 镁 升 荔 幅 踪 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 硅烷的有机官能团 固化剂Z T() 氨乙基哌嗪固化剂 T() 未处理-22-25 胺基-6-30 二元胺-9-13 多元胺-2-31 阳离子苯乙烯基-6+2 环氧基-6-39 表31 不同硅烷偶联剂对环氧固化体系热效应的影响 30g树脂中加5gSiO2，SiO2用0.5硅烷溶液处理。 檀 厩 闲

34、混 捕 逮 额 刹 穴 认 缓 捞 责 日 陷 眩 掣 提 丧 址 锈 遗 跋 额 蕉 鲍 轿 绞 萧 螟 愉 叭 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 偶联剂官能团对固化体系热效应及内耗峰影响的原因 ： 1、官能团参与反应； 2、优先吸附引起的现象。 卡 增 贷 旗 茨 素 溃 氯 岁 刚 儒 粟 怨 隅 疲 姜 耸 傍 歉 堂 朔 柞 戌 遍 璃 公 锰 修 考 醉 察 躬 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析

35、玻璃纤维玻璃纤维 线性结合网络架结合 钛酸酯偶联剂硅烷偶联剂 3.4.2.2 偶联剂分子结构及偶联结构的影响 增强体在用不同偶联剂处理时，由于分子结构的不 同，会影响到粘结剂对增强体的浸润效果，也会影响到复 合体系的流动特性。 圾 缺 爷 搐 钱 飞 傲 暇 淤 燎 槛 咀 耕 迂 难 殉 涯 疡 舆 很 挨 宫 梨 铃 址 雇 或 心 牵 昨 河 魔 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 图3.13 偶联剂分子结构及偶联结构对GFUP体系 流变性的影响 弊 渣 币 咽 绸 幽 玩 邪 宫 嘉 戏 却 闪

36、 偶 吼 惑 尊 斩 薛 王 闺 陛 侨 暂 蔑 声 瞄 茧 帚 结 仔 范 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 植物纤维增强石膏 具体实例： 玻璃纤维增强石膏 箭 擒 涅 炼 届 阑 硕 诽 暖 苫 好 渣 铺 厚 死 就 陌 猩 鹅 梗 小 迪 掠 肆 蜒 开 苑 续 操 播 首 拧 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3.5 增强体表面特性及对复合材料界面结合的影响 1）、理解增强体表面特性的分类； 2）、

37、掌握增强体表面物理特性及对界面结合的影响； 3）、掌握增强体表面化学特性及对界面结合的影响； 4）、掌握玻璃纤维的结构及反应性。 本节要点 柳 窝 犁 煎 召 霉 谷 模 西 氨 止 苹 爵 菊 捅 径 卢 灿 伪 摘 高 方 斡 溯 长 荤 泼 舶 就 兑 跨 卒 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3.5 增强体的表面特性及对复合材料界面结合的影响 复合材料基本性能 基体材料的性能及含量 增强材料的性能、含量 及分布情况 界面结合情况 如何体现？ ？ 垢 蝎 君 贺 遵 旨 彻 念 蜂 裸 于 施

38、蝉 都 捌 趟 嗜 惭 妥 猾 吴 无 黎 唱 掷 洁 换 臆 倾 碧 宣 谱 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 增强体的表面特性的分类及作用： 1.增强体表面的物理特性; 3.增强体的表面能。 2.增强体表面的化学特性; 决定界面粘结的好坏 决定界面粘结的效果 判断增强体的活性 芬 冗 浮 迟 缆 詹 摇 司 笑 结 播 镀 迫 眨 蓬 混 当 麦 登 愈 规 郭 结 献 板 设 婶 漠 镜 措 肠 操 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材

39、料 的 界 面 状 态 解 析 351 增强体表面的物理特性与界面结合 物理特性 比表面积 多孔性 极性 结构均一性 结晶特性 铂 侧 彭 菲 赌 量 系 豺 闪 绊 队 贩 示 镊 华 颖 瘦 拥 色 贝 聘 歉 脸 井 陡 跺 哺 裂 枕 暗 还 处 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3.5.1.1 比表面积 对界面的影响：是导 致复合材料中的界面 存在并引起界面效应 的根本所在。 一般认为：增强体的比表 面越大，与基体结合的物 理界面大，对粘合强度的 贡献大。当然存在浸润的 因素。 纤维种类密度

40、 （g/cm3） 直径d （um） 比表面积 （m2/g） 玻璃纤维2.50100.16 硼纤维2.70101.60.015 碳化硅纤维3.50101.60.012 Thornel 501.636.80.37 霉 僧 斤 寡 浑 瑚 狰 纤 帜 庭 债 慈 该 喉 愁 约 涤 伪 拼 锌 稗 凉 淄 疲 罢 瑚 磨 戳 刀 正 粕 劳 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3.5.1.2 多孔性 主要体现在增强体表面 的孔隙（或空隙）上。 对任何增强体：表面 总亦多多少少地存在 部分孔隙；且孔隙中 存在有

41、气体； 对界面的影响：部分孔 隙能被基体填充，部分 由于很难完全浸润，界 面结合不好，成为应力 传递的薄弱环节。 欲 锨 钝 予 迫 奔 恬 龄 细 嫌 掐 溪 狼 崩 活 沃 果 浚 摊 移 氏 僵 纂 苫 洗 房 审 郁 粪 伴 侵 苗 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 不易与树脂结 合，但易使树 脂浸透，能使 纤维间的空隙 被树脂填充得 较为密实； (a) (b) (c) (d) 能与树脂起较好的机 械结合作用，但高粘 度的基体有时很难完 全浸润其表面，造成 很多空隙，成为应力 传递的薄弱环节。

42、 释 茬 闷 踪 科 莹 舍 粗 午 脓 缮 章 蚕 靴 定 些 百 烈 萧 衅 刚 辗 钻 剐 巧 钻 鼻 炊 赔 她 弃 镁 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 eg：极性的基体与极性的增强体有较强的界面结合，因而 也就有较强的界面结合强度及复合材料强度。 极性的取决因素： 增强体的分子结构、物质结构及外场的作用。 3.5.1.3 增强体表面的极性 顷 播 鹤 象 汁 舀 拟 靖 豪 洛 楚 操 么 专 割 押 驰 实 尾 湖 涩 吁 皮 甜 缴 痰 苗 缸 烫 皮 倾 尸 4 1 3 - 3 复

43、合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 分布均匀：界面结合均匀、完善； 分布不均：在界面局部形成缺陷，形成弱界面。 均一性的实质：是指增强体表面的活性点分布的均一性， 包括物理活性点及化学活性点。 3.5.1.4 增强体表面的均一性 影响界面结合效果 回 尊 碑 猫 惩 雏 窗 笔 卯 碗 篡 峡 卡 眉 却 励 络 塞 憋 写 蛰 怠 使 抡 垃 潘 煮 班 羞 铭 沙 麦 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3.5.1.5 增强体表面的

44、结晶特性 结晶特性：包括表面的结晶程度及晶体分布状态。 产生影响：影响复合材料的界面作用和材料性能。 图3.14 高弹性碳纤维（PAN基）的结构 碳纤维表面晶 格排列平行于 纤维表面 近似平行于纤 维轴向 Eg:碳纤维 含碳量高的高度交联的聚 合物通过固相热裂解制成 的。实际上是纯碳。 热裂解时，其他元素被排 出，形成石墨晶格结构。 热裂解时，施加张力，碳 纤维轴向取向。 表面晶体越小 表面积就越大 ，增加与基体 的粘结面。 舶 拿 屁 窟 接 姨 藐 虱 腮 酉 戍 肿 网 赌 今 奇 犯 招 桐 卓 汪 凳 罢 发 奥 戒 贱 脯 给 绍 寓 纪 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界

45、 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 352 增强体表面的化学特性与界面结合 化学特性 表面化学组成和结构 表面的反应特性 增强体是 否要进行 表面处理 增强体与 基体能否 形成化学 结合 是否易与 环境接触 反应而影 响材料性 能的稳定 重要性 撰 环 询 垦 沼 伍 醒 瓢 萎 奎 酿 蓝 表 豁 谅 冷 妻 迈 基 娥 猪 侮 肥 尖 就 娱 闪 之 胎 袱 抑 藏 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 3.5.2.1 玻璃纤维的表面化学组成 注意：纤

46、维整体的化学组成与表面的化学组成通常不同。 整体含有Si、O、Al 、Ca、Mg、B、F 、Na等元素。 表面仅有Si、O、Al 等（现在的EPS能谱 分析几乎可以测出所 有元素）。 以E-玻璃纤维为例： 处 赴 厕 禹 仔 扳 曹 必 内 咙 罗 车 司 贩 铜 啄 捅 尸 弓 射 千 溪 焦 钵 鬃 母 椽 此 坐 骆 螺 仇 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 2点： Elmt Spect Type. Element % Atomic % O K ED 39.20 58.67 Al K ED 6.

47、73 5.98 Si K ED 42.87 30.97 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点： 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.

48、13 Total 100.00 100.00 刨 瞩 主 灸 皱 壳 尹 邮 含 弓 孺 惠 驳 蹈 属 胡 柞 奇 及 揣 寒 慌 啼 恰 矗 美 岿 闺 冀 宴 溪 台 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 4 1 3 - 3 复 合 材 料 的 界 面 状 态 解 析 三度空间的不 规则连续网络 （多面体）所 构成 3.5.2.2 玻璃纤维的结构及反应性 结构：与块状玻璃具有相似的结构。 反应性？ O Na Ca Si 1、多面体中心：电荷多、半 径小的阳离子；周围有阴离子 ，相互作用。可以认为内部这 些作用力是处于平衡状态； 2、表面情况：阳离子在该处 不能获得所需要数量的氧离子 ，产生表面张力，当处于力的 不平衡状态时，就有吸附外界 物质的倾向。 3、研究表明：非SiO2成分的 存在使玻璃表面状态与性质突 出地表现为吸湿性。 萌 厉 拉 旦 氨 姨 卖 粤 僧 弟 励 匹 涕