第四章 復(fù)合材料的界面

1、 第四章 復(fù)合材料的界面interface of composites 界面是復(fù)合材料的三要素之一，其存在和作用對(duì)復(fù)合材料的性質(zhì)極為重要。特別對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來說，沒有一個(gè)有機(jī)結(jié)合的界面，纖維增強(qiáng)作用和基體應(yīng)力轉(zhuǎn)移過程就無從談起。 復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面(interface of composites)4.1 概述 1. 基本概念基本概念 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?；靖拍詈徒缑娆F(xiàn)象基本概念和界面現(xiàn)象 基本概念：相、界面、表面、界面相（層）、表面張力、界面能基本概念：相、界面、表面、界面相（層）、表面張力、界面能

2、接觸角、粘附功接觸角、粘附功 界面現(xiàn)象界面現(xiàn)象： 表面吸附作用與浸潤(rùn)表面吸附作用與浸潤(rùn) 擴(kuò)散與粘結(jié)（含界面互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）擴(kuò)散與粘結(jié)（含界面互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)） 界面上分子間相互作用力（范氏力和化學(xué)鍵合力）界面上分子間相互作用力（范氏力和化學(xué)鍵合力）2. 界面區(qū)域界面區(qū)域 復(fù)合材料中的界面并不是一個(gè)單純的幾何面，而是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的過度區(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(diǎn)開始，直到與樹脂基體內(nèi)整體性質(zhì)相一致的點(diǎn)間的區(qū)域。此區(qū)域的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)都不同于兩相中的任一相. PMC界面區(qū)域界面區(qū)域(interface zone of PMC)示意圖示意圖1-外力場(chǎng)；外力場(chǎng)；2-樹脂基體；樹脂基體；3-基體表

3、面區(qū)；基體表面區(qū)；4-相互滲透區(qū)；相互滲透區(qū)；5-增強(qiáng)劑表面區(qū)；增強(qiáng)劑表面區(qū)；6-增強(qiáng)劑增強(qiáng)劑3.界面效應(yīng)界面效應(yīng) 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)。 傳遞效應(yīng)傳遞效應(yīng) 界面能傳遞力，即將外力傳遞給增強(qiáng)物，起到基體和增強(qiáng)物之間的橋梁作用。3.界面效應(yīng)界面效應(yīng) 阻斷效應(yīng)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。裂紋剝離機(jī)理 裂紋到達(dá)纖維表面之前，界面受到張應(yīng)力而發(fā)生剝離。稱之為Cook-Goedon機(jī)理。該機(jī)理是指裂紋尖端存在的張應(yīng)力使界面脫粘和剝離，而裂紋到達(dá)這一部分時(shí)會(huì)發(fā)生鈍化 裂紋向界面接近 主裂紋尖端的界面剝離 主裂紋與剝離界面的合體

4、 3.界面效應(yīng)界面效應(yīng) 不連續(xù)效應(yīng)不連續(xù)效應(yīng) 在界面產(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。3.界面效應(yīng)界面效應(yīng) 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。3.界面效應(yīng)界面效應(yīng) 誘導(dǎo)效應(yīng)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)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。3.界面效應(yīng)界面效應(yīng) 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)度無

5、疑對(duì)復(fù)合材料的性能有重要影響，因此各種復(fù)合材料都要求有合適的界面結(jié)合強(qiáng)度。 由于復(fù)合材料界面的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作用機(jī)理多樣，成型加工方法各異, 加之界面層所占整體材料的比例甚微，故在描述上存在許多問題，實(shí)際測(cè)量和定量描述就更為困難。3.界面效應(yīng)4.2 聚合物基復(fù)合材料的界面聚合物基復(fù)合材料的界面界面的形成界面的形成 (formation of the interface of composites) 聚合物基復(fù)合材料的界面形成通?？煞譃閮蓚€(gè)階段。 第一個(gè)階段是基體與增強(qiáng)材料的接觸與浸潤(rùn)過程。 界面形成界面形成 第二階段是聚合物的固化過程。l固化過程中聚合物通過物理的變化或化學(xué)變化(如交聯(lián))，使基體固

6、化，形成固定的界面層。l固化階段受第一階段的影響，并決定最終形成界面層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。 1.界面形成界面形成(formation of the interface of composites) 溫度作用溫度作用的固化過程會(huì)使與纖維表面接觸的部分首先固化，并逐漸向基體內(nèi)發(fā)展。 靠近纖維界面層處的基體密度較大，遠(yuǎn)離界面的基體密度較低，而且易于導(dǎo)致纖維邊界為起點(diǎn)向四周輻射的結(jié)構(gòu)。1.界面形成界面形成(formation of the interface of composites)l以固化劑作用固化劑作用的固化過程，聚合物樹脂則是借助于固化劑和本身的官能團(tuán)的反應(yīng)來完成固化的。l固化劑就成為固化反應(yīng)的中

7、心。固化由此中心向四周擴(kuò)展，形成中心密度大，外圍密度小的非均勻固化結(jié)構(gòu)。密度大的部分稱為膠束或膠粒，密度小的稱為膠絮。 2. 界面作用機(jī)理(The Interface Theories)l每一理論只能部分解釋某些現(xiàn)象或某些結(jié)果。都有一定每一理論只能部分解釋某些現(xiàn)象或某些結(jié)果。都有一定局限性。局限性。l實(shí)際的界面現(xiàn)象復(fù)雜的多，需多方面、多角度加以分析。實(shí)際的界面現(xiàn)象復(fù)雜的多，需多方面、多角度加以分析。l迄今，未能建立一個(gè)統(tǒng)一的界面響應(yīng)理論模型。迄今，未能建立一個(gè)統(tǒng)一的界面響應(yīng)理論模型。2. 界面作用機(jī)理 (The Interface Theories)(1) 界面浸潤(rùn)理論 1963年Zisman首先提出這個(gè)理論. 其主要論點(diǎn)是填充劑被液體樹脂良好浸潤(rùn)是極其重要的.2. 界面作用機(jī)理 (The Interface T