《復(fù)合材料的表界面》PPT課件.ppt

第十章復(fù)合材料的表界面,復(fù)合材料是以兩種或兩種以上不同材料通過一定的工藝復(fù)合而成的多相材料，不同材料相互取長補(bǔ)短，不僅可以克服單一材料的缺點(diǎn)，而且通過協(xié)同作用可產(chǎn)生原來單一材料所沒有的新性能。,復(fù)合材料具有如下特征：微觀上是非均相材料，組分材料間有明顯界面；組分材料性能差異很大；組成復(fù)合材料后性能有較大的改進(jìn)；組分材料的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)大于10。金屬基復(fù)合材料；無機(jī)非金屬基復(fù)合材料；聚合物基復(fù)合材料。連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；纖維織物、編織體增強(qiáng)復(fù)合材料；片狀材料增強(qiáng)復(fù)合材料；短纖維獲晶須增強(qiáng)復(fù)合材料；顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料；納米增強(qiáng)復(fù)合材料。,10.1復(fù)合材料概述,10.2復(fù)合材料界面理論,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。界面通常包含以下幾個(gè)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、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。,界面效應(yīng)(1)傳遞效應(yīng)(2)阻斷效應(yīng)(3)不連續(xù)效應(yīng)(4)散射和吸收效應(yīng)(5)誘導(dǎo)效應(yīng)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。,界面區(qū),界面區(qū)域示意圖1：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：增強(qiáng)劑表面；6：增強(qiáng)劑,10.2.1浸潤性理論,空隙,不浸潤浸潤,浸潤和不浸潤的界面,浸潤理論認(rèn)為，兩相間的結(jié)合模式屬于機(jī)械粘接與潤濕吸附。表面無論多么光滑平整，從微觀上看都是凹凸不平的。,10.2.2化學(xué)鍵理論,兩相界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)兩相界面通過偶聯(lián)劑以化學(xué)鍵合界面的化學(xué)反應(yīng),化學(xué)鍵理論認(rèn)為，要使兩相之間實(shí)現(xiàn)有效的粘接，兩相的表面應(yīng)通過官能團(tuán)的反應(yīng)以化學(xué)鍵合形成界面?；蛘咄ㄟ^偶聯(lián)劑的媒介作用以化學(xué)鍵相互結(jié)合。,10.2.3過渡層理論,復(fù)合材料成型時(shí)固化收縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生不利因素，為了消除這種內(nèi)應(yīng)力，基體和增強(qiáng)劑的界面區(qū)應(yīng)存在一個(gè)過渡層，起到應(yīng)力松弛的作用。,10.2.4可逆水解理論,1970年P(guān)lueddmann提出了可逆水解理論，用來解釋硅烷偶聯(lián)劑的偶聯(lián)作用機(jī)理，同時(shí)用來說明松弛應(yīng)力的效應(yīng)以及抗水和保護(hù)界面的作用。,形成柔性聚合物膜,形成剛性聚合物膜,10.2.5摩擦理論,摩擦理論認(rèn)為，基體與增強(qiáng)材料界面的形成完全是由于摩擦作用，基體與增強(qiáng)材料間的摩擦系數(shù)決定了復(fù)合材料的強(qiáng)度。,10.2.6擴(kuò)散理論,由Borozncui等首先提出。該理論認(rèn)為高聚物相互間粘接是由于表面上的大分子相互擴(kuò)散所致。兩相的分子鏈互相擴(kuò)散、滲透、纏結(jié)，形成界面層。,10.2.7靜電理論,該理論認(rèn)為，兩相表面若帶有不同的電荷，則相互接觸時(shí)會(huì)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移而互相粘結(jié)。,界面的靜電相互作用,10.2.8酸堿作用理論,該理論認(rèn)為，酸性表面可與堿性表面相互作用結(jié)合。這里所說的酸堿是指廣義的酸堿。,當(dāng)兩相發(fā)生酸堿作用時(shí)，酸堿相互作用焓為：H=EAEB+CACB反相色譜法,10.3偶聯(lián)劑,分子中含有兩種不同性質(zhì)基團(tuán)的化合物，其中一種基團(tuán)可與增強(qiáng)材料發(fā)生化學(xué)或物理的作用，另一種基團(tuán)可與基體發(fā)生化學(xué)或物理作用。使基體與增強(qiáng)材料實(shí)現(xiàn)良好的界面結(jié)合，從而顯著提高復(fù)合材料的性能。偶聯(lián)劑主要分為有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑、有機(jī)鉻偶聯(lián)劑、鈦酸酯類偶聯(lián)劑等。,10.3.1有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑,有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑是一類品種多、效果好的表面處理劑，其通式為：RnSiX4-n，其中，R為有機(jī)基團(tuán)，帶有反應(yīng)性官能團(tuán)；X為可水解基團(tuán)，n=14。在復(fù)合材料使用的硅烷偶聯(lián)劑中，大多n=1，即通式簡化為RSiX3。,硅烷偶聯(lián)劑的作用機(jī)理為：1、X基團(tuán)水解形成硅醇：2、硅醇的硅羥基之間以及硅醇硅羥基與玻璃纖維表面硅羥基之間形成氫鍵。,3、硅羥基之間脫水形成-Si-O-Si-鍵。,硅烷偶聯(lián)劑與玻纖表面以-Si-O-Si-化學(xué)鍵結(jié)合，同時(shí)在玻纖表面縮聚成膜，形成了有機(jī)R基團(tuán)朝外的結(jié)構(gòu)。,10.3.2有機(jī)鉻烷偶聯(lián)劑,有機(jī)鉻偶聯(lián)劑通式如圖所示：最常用的R為：CH3C=CH2，稱作“沃蘭”。,10.3.3鈦酸酯類偶聯(lián)劑,1、單烷氧基類鈦酸酯2、螯合型鈦酸酯3、配位型鈦酸酯(RO)4Ti(OXR)2，其中-OR可與填料表面的羥基發(fā)生反應(yīng)。,10.3.4鋁酸酯類偶聯(lián)劑,鋁酸酯類偶聯(lián)劑通式為：(RO)xAl(Du)(OCOR)mRO基團(tuán)能與無機(jī)物表面的化學(xué)基團(tuán)反應(yīng)成鍵，另一基團(tuán)OCOR則可與有機(jī)基體和或反應(yīng)成鍵，從而把性質(zhì)各異的無機(jī)材料和有機(jī)聚合物基體結(jié)合在一起，提高復(fù)合材料的性能。,10.4玻璃纖維增強(qiáng)塑料的界面,玻璃纖維增強(qiáng)塑料俗稱玻璃鋼，是由玻璃纖維和基體樹脂組成的復(fù)合材料。,10.4.1玻璃纖維概述,1、組成和結(jié)構(gòu)主要有無堿E玻璃纖維和中堿A玻璃纖維，其他還有高強(qiáng)S玻璃纖維、高硅氧玻璃纖維、石英玻璃纖維等特種玻璃纖維。玻璃的結(jié)構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。,2、玻璃纖維的物理性能玻璃是各相同性的，無固定熔點(diǎn)，處于近程有序、遠(yuǎn)程無序的介穩(wěn)態(tài)，或者說是“凍結(jié)的液體”。外觀是光滑的圓柱體，直徑為520um，密度為2.42.7g/m3。玻璃纖維的強(qiáng)度與直徑有關(guān)，直徑越細(xì)，玻璃纖維的強(qiáng)度越大。,3、玻璃纖維的化學(xué)性能玻璃是很好的耐蝕材料，除氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，對一般化學(xué)藥品和有機(jī)溶劑都有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。但拉制成玻璃纖維后，其耐蝕性能遠(yuǎn)不如玻璃。玻璃纖維表面有很強(qiáng)的吸水性,10.4.2玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面的研究,1、偶聯(lián)劑處理后玻璃纖維的表面張力,O,2、偶聯(lián)劑在玻璃纖維表面的結(jié)構(gòu),以乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）為偶聯(lián)劑，用紅外光譜研究了偶聯(lián)劑在玻璃纖維表面上的結(jié)構(gòu)，表面上覆蓋了一層硅烷偶聯(lián)劑水解后的縮聚物，即聚硅氧烷。,E玻璃纖維上VTES的紅外光譜,3、偶聯(lián)劑在玻璃纖維表面的層次結(jié)構(gòu),同位素研究、拉曼光譜研究、紫外光譜研究偶聯(lián)劑在玻璃纖維表面上形成了三個(gè)結(jié)構(gòu)層次：第一為弱吸附層，約占偶聯(lián)劑吸附總量的98%；第二層為強(qiáng)吸附層，約10個(gè)單分子層厚；第三層為化學(xué)鍵結(jié)合層，與玻璃纖維表面結(jié)合牢固。,4、偶聯(lián)劑與玻璃纖維表面的化學(xué)反應(yīng),分別對氣相二氧化硅、聚乙烯基硅氧烷、二氧化硅上的聚乙烯基硅氧烷紅外光譜圖對比，1080cm-1和1170cm-1的峰是偶聯(lián)劑與二氧化硅表面形成的新的Si-O-Si鍵。,紅外光譜證明、氣象色譜證明、核磁共振證明,紅外光譜的Si-O-Si反對稱振動(dòng)區(qū),MES-SiO2-CCl4體系的氣象色譜圖,用氣象色譜研究了乙烯基三乙氧基硅烷（VTES），甲基三乙氧基硅烷（MES）和苯胺甲基三乙氧基硅烷（BMES）等偶聯(lián)劑與氣相二氧化硅的作用。乙醇峰的出現(xiàn)，最直接地證明硅烷與二氧化硅表面發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。,用高分辨C14核磁共振研究硅烷偶聯(lián)劑與二氧化硅的作用。若偶聯(lián)劑與二氧化硅表面發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，則與硅原子相鄰的碳原子運(yùn)動(dòng)受阻，在核磁共振譜中，相應(yīng)C峰位置應(yīng)移向高場，峰的寬窄也會(huì)發(fā)生變化。,5、偶聯(lián)劑與基體的作用,偶聯(lián)劑的有機(jī)基團(tuán)R中帶有雙鍵或胺基、環(huán)氧基等，可以參與基體樹脂的固化反應(yīng)。偶聯(lián)劑對基體樹脂可選擇性地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，含雙鍵的偶聯(lián)劑對不飽和聚酯有效，而帶胺基的偶聯(lián)劑對環(huán)氧樹脂有效。通過偶聯(lián)劑的偶聯(lián)作用，使得玻璃纖維與基體樹脂以化學(xué)鍵形成界面層，緊密地結(jié)合在一起，從而有效提高了復(fù)合材料的性能。,10.5先進(jìn)復(fù)合材料的界面,古代近代先進(jìn)復(fù)合材料天然復(fù)合材料：竹、貝殼、樹木，動(dòng)物骨骼；第一代：40年到60年，玻璃纖維增強(qiáng)塑料；第二代：60年到80年，先進(jìn)復(fù)合材料；第三代：80年到90年，碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料；第四代：90年以后，主要發(fā)展多功能復(fù)合材料，如智能復(fù)合材料和梯度功能材料等。,10.5.1高性能增強(qiáng)纖維,1、碳纖維比重不到鋼的1/4，抗拉強(qiáng)度在3500MPa以上，是鋼的79倍，抗拉彈性模量為2300043000MPa，具有許多寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能的新型材料。不少人預(yù)料，人類在材料應(yīng)用上正從鋼鐵時(shí)代進(jìn)入到一個(gè)碳纖維的時(shí)代。,碳纖維按其原料可分為：聚丙烯腈（PAN）系瀝青系粘膠系和人造絲系按纖維的性能可分為：超高強(qiáng)度（UHS）、高強(qiáng)度（HS）、超高模量（UHM）、高模量（HM）、中等模量（MM）和普通碳纖維等。,碳纖維的結(jié)構(gòu)模型PolymerMatrixComposites，PMC,碳纖維的特點(diǎn)：強(qiáng)度和模量高、密度?。痪哂泻芎玫哪退嵝?；熱膨脹系數(shù)小，甚至為負(fù)值具有很好的耐高溫蠕變性能，一般在1900以上才呈現(xiàn)出永久塑性變形。摩擦系數(shù)小、潤滑性好、導(dǎo)電性高。碳纖維的缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，比玻璃纖維貴25倍以上抗氧化能力較差，在高溫下會(huì)氧化生成二氧化碳。,2、有機(jī)纖維高性能的有機(jī)纖維包括Kevlar纖維、聚酯纖維、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維等，具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、高模、韌性和耐磨性好等特點(diǎn)。,10.5.2高性能增強(qiáng)纖維的表面處理,表面處理有如下作用：消除纖維表面的雜質(zhì)或弱邊界層，增大比表面積；提高纖維對基體樹脂的浸潤性；在纖維表面引