復(fù)合材料界面理論與處理技術(shù)

1、第四章復(fù)合材料界面理論與處理技術(shù)4.1 復(fù)合材料界面狀態(tài)解析4.2 復(fù)合體系的界面結(jié)合特性4.3 復(fù)合體系的界面反應(yīng)及表面處理是指基體與增強體之間是指基體與增強體之間有顯著有顯著變化的、變化的、構(gòu)成構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起彼此結(jié)合的、能起的微小區(qū)域。的微小區(qū)域。 復(fù)合材料的界面是一個復(fù)合材料的界面是一個的的，約幾個納，約幾個納米到幾個微米。米到幾個微米。 PMC界面區(qū)域界面區(qū)域(interface zone of PMC)示意圖示意圖1-1-外力場；外力場；2-2-樹脂基體；樹脂基體；3-3-基體表面區(qū)；基體表面區(qū)；4-4-相互滲透區(qū)；相互滲透區(qū)；5-5-增強體表面區(qū)；增強體表面區(qū)；6-6-增強體

2、增強體4.1.1 4.1.1 復(fù)合材料界面及其研究對象復(fù)合材料界面及其研究對象MR4.1.1.1界面的作用界面的作用1)傳遞作用。界面能傳遞場量，如傳遞力，即將外力傳傳遞作用。界面能傳遞場量，如傳遞力，即將外力傳遞給增強物，起到基體和增強體之間的橋梁作用。遞給增強物，起到基體和增強體之間的橋梁作用。2)阻斷作用。結(jié)合適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴展、中斷材阻斷作用。結(jié)合適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴展、中斷材料破壞、減緩應(yīng)力集中的作用。料破壞、減緩應(yīng)力集中的作用。3)保護作用。界面相可以保護增強體免受環(huán)境的侵蝕，保護作用。界面相可以保護增強體免受環(huán)境的侵蝕，防止基體與增強體之間的化學(xué)反應(yīng)，起到保護增強體的防止

3、基體與增強體之間的化學(xué)反應(yīng)，起到保護增強體的作用。作用。 4.1.1.2界面的特性界面的特性1)具有一定的厚度；具有一定的厚度；2)性能在厚度方向有一定的梯度變化；性能在厚度方向有一定的梯度變化；3)隨環(huán)境條件變化而變化。隨環(huán)境條件變化而變化。 光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生，如，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機械沖擊性透光性、隔熱性、隔音性、耐機械沖擊性等。等。 一種物質(zhì)（通常是增強劑）的表面結(jié)構(gòu)使另一種一種物質(zhì)（通常是增強劑）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)的結(jié)構(gòu)由于（通常是聚合物基體）與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)誘導(dǎo)作用

4、作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如高彈性、低膨高彈性、低膨脹性、耐熱性和沖擊性脹性、耐熱性和沖擊性等。等。 例如在粒子彌散強化金屬中，微形粒子例如在粒子彌散強化金屬中，微形粒子阻止晶格位阻止晶格位錯錯，從而提高復(fù)合材料強度從而提高復(fù)合材料強度；在纖維增強塑料中，纖維與基體界面在纖維增強塑料中，纖維與基體界面阻止裂紋阻止裂紋進一進一步擴展等。步擴展等。增強體表面增強體表面增強體表面的化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)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

5、響；增強體的表面持性與基體之間的相互關(guān)系及兩者之間增強體的表面持性與基體之間的相互關(guān)系及兩者之間 的相互作用的相互作用( (增強體未處理時增強體未處理時) )；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；增強體表面持性與復(fù)合材料特性的相互關(guān)系。增強體表面持性與復(fù)合材料特性的相互關(guān)系。表面處理優(yōu)化技術(shù)表面處理優(yōu)化技術(shù)粉體材料在基體中的分散粉體材料在基體中的分散復(fù)合技術(shù)優(yōu)化及其機理復(fù)合技術(shù)優(yōu)化及其機理4.1.2 表面與界面化學(xué)表面與界面化學(xué)4.1.2.1表面張力表面張力上式上式可以理解為表征表層分子作用于可以理解為表征表層分子作用于單位長度上的收縮力單位長度上的收縮力，單位是單

6、位是N/cm，而下式，而下式可以理解為物質(zhì)可以理解為物質(zhì)單位表面積上的能量單位表面積上的能量，即發(fā)生單位面積變化時，外力所需做的功，其單位可以是即發(fā)生單位面積變化時，外力所需做的功，其單位可以是J/cm2。兩種。兩種 等價。等價。 物質(zhì)體表面物質(zhì)體表面(或界面或界面)層上的分子能量比相內(nèi)分子要高，層上的分子能量比相內(nèi)分子要高，由此相內(nèi)分子的移動不消耗功，而將相內(nèi)分子遷移到表面時，由此相內(nèi)分子的移動不消耗功，而將相內(nèi)分子遷移到表面時，要反抗分子間的吸引力而做功要反抗分子間的吸引力而做功W。面物質(zhì)表面張力表達式。面物質(zhì)表面張力表達式 將大塊物料粉碎成小顆粒或特大液滴分成小液滴時，需將大塊物料粉碎成

7、小顆?；蛱卮笠旱畏殖尚∫旱螘r，需要對物料做功，所消耗的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻孀杂赡埽獙ξ锪献龉?，所消耗的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻孀杂赡埽欢ǖ囊欢ǖ奈锪?，粉碎程度愈大，表面積就越大，所具有的表面能就物料，粉碎程度愈大，表面積就越大，所具有的表面能就越高越高。 在恒溫、恒壓、恒組成條件下，由于表面變化，環(huán)境對在恒溫、恒壓、恒組成條件下，由于表面變化，環(huán)境對體系所做功為體系所做功為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)為單位體積的物質(zhì)所具有的表面積，稱比表面積。單位體積的物質(zhì)所具有的表面積，稱比表面積。As表示表示它表示物質(zhì)的粉碎程度。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

8、加為A，則有，則有或或 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為比表面自由比表面自由能，能，兩相之間的界面層上也可以按上述進行討論。兩相之間的界面層上也可以按上述進行討論。4.1.2.2表面吸附表面吸附 吸附吸附是指固是指固-氣或液氣或液-氣相表面上，氣相原子氣相表面上，氣相原子(成分成分)在表面在表面(界面界面)上的富集，即氣相成分上的富集，即氣相成分(原子或分子原子或分子)的表面的表面(界面界面)濃度濃度大子氣相內(nèi)。大子氣相內(nèi)。 根據(jù)作用力的性質(zhì)，通常將吸附分為物理吸附和化學(xué)吸根據(jù)作用力的性質(zhì)，通常將吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附兩大類。附兩大類。(1) 物理吸附物

9、理吸附 襯底表面原子與被吸附原子間，主要是分之間作用力襯底表面原子與被吸附原子間，主要是分之間作用力（Van der Waals力）的作用。原子間不發(fā)生電荷的轉(zhuǎn)移。力）的作用。原子間不發(fā)生電荷的轉(zhuǎn)移。物理吸附時，吸附分子和固體表面組成都不會改變；物理吸附時，吸附分子和固體表面組成都不會改變；物理吸附無選擇性，吸附劑和吸附物的種類不同，分之物理吸附無選擇性，吸附劑和吸附物的種類不同，分之間作用力不同，吸附量差別很大；間作用力不同，吸附量差別很大；被吸附物可以是單層的（如氣體），但在更多場合下，被吸附物可以是單層的（如氣體），但在更多場合下，物理吸附是多層的。物理吸附是多層的。吸附和解析速度度很快

10、，易達到平衡。吸附和解析速度度很快，易達到平衡。(1) 化學(xué)吸附化學(xué)吸附 襯底原子與被吸附的分子襯底原子與被吸附的分子(原子原子)間發(fā)生了類似的化學(xué)間發(fā)生了類似的化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)電子云重新分布或移動電子云重新分布或移動舊的化學(xué)鍵被破壞、新的舊的化學(xué)鍵被破壞、新的化學(xué)鍵產(chǎn)生化學(xué)鍵產(chǎn)生?；瘜W(xué)吸附具有化學(xué)吸附具有選擇性選擇性；由于化學(xué)吸附生成化學(xué)鍵，由于化學(xué)吸附生成化學(xué)鍵，被吸附物是被吸附物是單層的單層的，不易吸，不易吸附和解析。附和解析。吸附平衡慢吸附平衡慢，有些情況下，有些情況下，吸附劑和吸附物形成穩(wěn)定的，吸附劑和吸附物形成穩(wěn)定的化合物后，就不能解析了?；衔锖?，就不能解析了。 根據(jù)電子云重新分布或

11、移動程度，可將化學(xué)吸附分為根據(jù)電子云重新分布或移動程度，可將化學(xué)吸附分為離子吸附離子吸附和和共價吸附共價吸附兩種。兩種。物理和化學(xué)吸附的特點物理和化學(xué)吸附的特點4.1.2.3粘附功與潤濕粘附功與潤濕將將1cm2的的AB界面分離為界面分離為A、B兩個面時所需的功稱為粘附兩個面時所需的功稱為粘附功，可以表示功，可以表示W(wǎng)AB為為A、B兩表面的粘附功，兩表面的粘附功， A、 B 、 AB 分別為分別為A、B表表面張力及面張力及AB的界面張力。的界面張力。 對于單一的物質(zhì)對于單一的物質(zhì)A，相應(yīng)的即為內(nèi)聚功，相應(yīng)的即為內(nèi)聚功WAA，可表示為：，可表示為：一、粘附功一、粘附功二、接觸角二、接觸角滴落在一滴

12、落在一時，原來時，原來將被將被和和所代替，用所代替，用 LV 、 SV 、 SL分分別代表液別代表液-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(即即單位面積的能量單位面積的能量)。液滴發(fā)生微小位移后，即覆蓋固體表面積改變了液滴發(fā)生微小位移后，即覆蓋固體表面積改變了A，伴，伴隨表面自由能的變化隨表面自由能的變化G為為SLSVLV(-)+cos()GAA 平衡時平衡時0lim/0AGA SLSVLV-+cos =0或或LVSVSLcos =- 則則Young平衡方程平衡方程SVSLLVcos 完全浸潤：完全浸潤： =0 LV = SV - SL 浸浸 潤：潤：

13、0 SV - SL 不不 浸浸 潤：潤： 90 180 SV SL 完全不浸潤完全不浸潤: =180 改善浸濕性的途徑改善浸濕性的途徑改變材料表面結(jié)構(gòu)改變材料表面結(jié)構(gòu)改變材料表面張力改變材料表面張力改善浸濕性改善浸濕性Dupre公式公式 若若 ，則，則 隨隨R的增加而降低，若的增加而降低，若 ， 則則 隨隨R的增加而增大。的增加而增大。 倘若接觸角很大，表面又足夠粗糙，則液體在固體表面倘若接觸角很大，表面又足夠粗糙，則液體在固體表面可以截留空氣?？梢越亓艨諝狻２痪鶆虮砻娴慕佑|角不均勻表面的接觸角 對粗糙表面，可以用粗糙度系數(shù)來描述表面的粗糙程度。對粗糙表面，可以用粗糙度系數(shù)來描述表面的粗糙程度

14、。材料實際面積材料實際面積A實際實際與表觀面積或投影面積與表觀面積或投影面積A投影投影之比，稱為粗之比，稱為粗糙度系數(shù)糙度系數(shù)RR1ARA投影實際RcoscosR真實對粗糙表面對粗糙表面 稱為粗糙表面的表觀接觸角稱為粗糙表面的表觀接觸角, 而而 為材料理想平面對為材料理想平面對液體的接觸角。液體的接觸角。R真實90真實R90真實R接觸角滯后接觸角滯后arar 4.2 復(fù)合體系的界面結(jié)合特性4.2.1 復(fù)合材料的界面形成過程復(fù)合材料的界面形成過程4.2.2樹脂基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)及界面理論樹脂基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)及界面理論4.2.2.1樹脂基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)樹脂基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)4.2.2.

15、2可通過增強劑的表面改性和聚合物種類改變，調(diào)整可通過增強劑的表面改性和聚合物種類改變，調(diào)整到一個合適浸潤狀況。到一個合適浸潤狀況。一般認為表面粗糙度越大，有利于浸潤。另外，界一般認為表面粗糙度越大，有利于浸潤。另外，界面的機械絞合力貢獻也會增加。面的機械絞合力貢獻也會增加。當(dāng)表面孔洞對粗糙度起一定作用，并且固化前聚合當(dāng)表面孔洞對粗糙度起一定作用，并且固化前聚合物不能填入這些孔洞時，固化后界面上會形成不連續(xù)。物不能填入這些孔洞時，固化后界面上會形成不連續(xù)。（如樹脂基體分子尺寸約在于（如樹脂基體分子尺寸約在于100nm，而碳纖維表面，而碳纖維表面上有上有80孔徑在孔徑在30nm以下的孔）以下的孔）

16、改變材料表面結(jié)構(gòu)改變材料表面結(jié)構(gòu)改變材料表面張力改變材料表面張力改善浸濕性改善浸濕性2化學(xué)鍵理論化學(xué)鍵理論 化學(xué)鍵理論認為要使兩相之間實現(xiàn)有效的粘結(jié)，兩相的化學(xué)鍵理論認為要使兩相之間實現(xiàn)有效的粘結(jié)，兩相的表面應(yīng)具有能相互發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活性基團，通過官能團的表面應(yīng)具有能相互發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活性基團，通過官能團的反應(yīng)以化學(xué)鍵結(jié)合形成界面。若兩相之間不能直接進行化學(xué)反應(yīng)以化學(xué)鍵結(jié)合形成界面。若兩相之間不能直接進行化學(xué)反應(yīng)，也可通過偶聯(lián)劑的媒介作用以化學(xué)鍵互相結(jié)合。反應(yīng)，也可通過偶聯(lián)劑的媒介作用以化學(xué)鍵互相結(jié)合。 化學(xué)鍵理論是應(yīng)用最廣、也是應(yīng)用最成功的理論。硅烷偶化學(xué)鍵理論是應(yīng)用最廣、也是應(yīng)用最成功的理

17、論。硅烷偶聯(lián)劑就是在化學(xué)鍵理論基礎(chǔ)上發(fā)展的用來提高基體與玻璃纖維聯(lián)劑就是在化學(xué)鍵理論基礎(chǔ)上發(fā)展的用來提高基體與玻璃纖維間界面結(jié)合的有效試劑。硅烷偶聯(lián)劑一端與玻纖表面以硅氧鍵間界面結(jié)合的有效試劑。硅烷偶聯(lián)劑一端與玻纖表面以硅氧鍵結(jié)合，另一端可參與與基體樹脂的固化反應(yīng)。通過硅烷偶聯(lián)劑結(jié)合，另一端可參與與基體樹脂的固化反應(yīng)。通過硅烷偶聯(lián)劑的媒介作用，基體與增強纖維實現(xiàn)了界面的化學(xué)鍵結(jié)合，有效的媒介作用，基體與增強纖維實現(xiàn)了界面的化學(xué)鍵結(jié)合，有效地提高了復(fù)合材料的性能。地提高了復(fù)合材料的性能。 碳纖維、有機纖維的表面處理也是化學(xué)鍵理論的應(yīng)用碳纖維、有機纖維的表面處理也是化學(xué)鍵理論的應(yīng)用實例，在表面氧化

18、或等離子、輻照等處理過程中，纖維的實例，在表面氧化或等離子、輻照等處理過程中，纖維的表面產(chǎn)生了一表面產(chǎn)生了一COOH，一，一OH等含氧活性基團，提高了與環(huán)等含氧活性基團，提高了與環(huán)氧等基體樹脂的反應(yīng)能力，使界面形成化學(xué)鍵，大大提高氧等基體樹脂的反應(yīng)能力，使界面形成化學(xué)鍵，大大提高了粘結(jié)強度。了粘結(jié)強度。 如果潤濕和化學(xué)鍵兩種作用均存在，則認為化學(xué)偶聯(lián)作如果潤濕和化學(xué)鍵兩種作用均存在，則認為化學(xué)偶聯(lián)作用是主要的，在此基礎(chǔ)上再提高樹脂的浸潤性，則效果更佳。用是主要的，在此基礎(chǔ)上再提高樹脂的浸潤性，則效果更佳。 用偶聯(lián)劑處理過的玻璃表面，一定程度上排除了表面空用偶聯(lián)劑處理過的玻璃表面，一定程度上排除

19、了表面空穴或微裂紋中的空氣，從而減少了表面的空穴，并同時以內(nèi)穴或微裂紋中的空氣，從而減少了表面的空穴，并同時以內(nèi)層單分子膜阻礙濕氣浸入界面，延長了結(jié)合鍵的壽命，這些層單分子膜阻礙濕氣浸入界面，延長了結(jié)合鍵的壽命，這些都是偶聯(lián)劑除敷于玻璃表面對粘結(jié)有利的因素。但是，大部都是偶聯(lián)劑除敷于玻璃表面對粘結(jié)有利的因素。但是，大部分用硅烷偶聯(lián)劑處理過的表面使其表面能降低，對樹脂浸潤分用硅烷偶聯(lián)劑處理過的表面使其表面能降低，對樹脂浸潤不利，這是偶聯(lián)劑處理的不利之處。因此，應(yīng)選探適宜的偶不利，這是偶聯(lián)劑處理的不利之處。因此，應(yīng)選探適宜的偶聯(lián)劑使其結(jié)構(gòu)與樹脂相似，以使兩者間有良好的相容性。聯(lián)劑使其結(jié)構(gòu)與樹脂相似

20、，以使兩者間有良好的相容性。3、優(yōu)先吸附理論、優(yōu)先吸附理論 為解釋化學(xué)鍵理論所不能解釋的現(xiàn)象，即當(dāng)偶聯(lián)劑不具為解釋化學(xué)鍵理論所不能解釋的現(xiàn)象，即當(dāng)偶聯(lián)劑不具備與樹脂反應(yīng)的基團時，仍然能達到良好的處理效果，有人備與樹脂反應(yīng)的基團時，仍然能達到良好的處理效果，有人提出優(yōu)先吸附理論。提出優(yōu)先吸附理論。 由此，優(yōu)先吸附理淪認為，界面上可能發(fā)生增強體表面優(yōu)由此，優(yōu)先吸附理淪認為，界面上可能發(fā)生增強體表面優(yōu)先吸附樹脂中的某些組分，這些組分與樹脂有良好的相容性，先吸附樹脂中的某些組分，這些組分與樹脂有良好的相容性，可以大大改善樹脂對增強體的浸潤；同時，由于優(yōu)先吸附作可以大大改善樹脂對增強體的浸潤；同時，由于

21、優(yōu)先吸附作用，在界面上可以形成所謂的用，在界面上可以形成所謂的“柔性層柔性層”，該，該“柔性層柔性層”是是一種固化度不高的樹脂層，它可以起到一種固化度不高的樹脂層，它可以起到松弛界面上應(yīng)力集中松弛界面上應(yīng)力集中的作用的作用，可以防止界面的脫粘。，可以防止界面的脫粘。4、防水層理論、防水層理論 為了解釋玻璃纖維經(jīng)偶聯(lián)劑處理后，所制得的復(fù)合材料為了解釋玻璃纖維經(jīng)偶聯(lián)劑處理后，所制得的復(fù)合材料使?jié)駪B(tài)強度大大改善的現(xiàn)象，有人提出防水層理論。使?jié)駪B(tài)強度大大改善的現(xiàn)象，有人提出防水層理論。 由于玻璃纖維表面牢固地吸附一層水膜，此水膜不僅不利由于玻璃纖維表面牢固地吸附一層水膜，此水膜不僅不利于樹脂與玻璃纖維

22、的粘結(jié)，而且水會侵入纖維表面的微裂紋，于樹脂與玻璃纖維的粘結(jié)，而且水會侵入纖維表面的微裂紋，助長裂紋擴展。同時玻璃表面具有明顯的堿性，而堿性水將助長裂紋擴展。同時玻璃表面具有明顯的堿性，而堿性水將破壞玻璃纖維的破壞玻璃纖維的SiO2骨架，導(dǎo)致纖維強度的下降。另外水也骨架，導(dǎo)致纖維強度的下降。另外水也可以通過樹脂擴散而進入界面及材料內(nèi)部，使復(fù)合材料性能可以通過樹脂擴散而進入界面及材料內(nèi)部，使復(fù)合材料性能下降。下降。 防水層理論認為，清潔的玻璃表面是親水的，而經(jīng)偶聯(lián)防水層理論認為，清潔的玻璃表面是親水的，而經(jīng)偶聯(lián)劑處理并覆蓋的表面變成疏水表面，該表面可以防止水的侵劑處理并覆蓋的表面變成疏水表面，該

23、表面可以防止水的侵蝕，從而改善復(fù)合材料濕態(tài)強度。蝕，從而改善復(fù)合材料濕態(tài)強度。 該理論與實際情況是有出入的。水是不可避免地要侵入該理論與實際情況是有出入的。水是不可避免地要侵入界面，即使采用憎水的偶聯(lián)劑處理破璃表面后，當(dāng)表面暴露界面，即使采用憎水的偶聯(lián)劑處理破璃表面后，當(dāng)表面暴露于空氣中時，會再次吸附水分，這種吸附水仍然會對材料起于空氣中時，會再次吸附水分，這種吸附水仍然會對材料起破壞作用。破壞作用。5、可逆水解理論、可逆水解理論 可逆水解理論亦稱為可形變層理論、減輕界面局部應(yīng)力可逆水解理論亦稱為可形變層理論、減輕界面局部應(yīng)力理論。理論。 增強材料經(jīng)處理劑處理后，能減緩固化收縮產(chǎn)生附加應(yīng)增強材

24、料經(jīng)處理劑處理后，能減緩固化收縮產(chǎn)生附加應(yīng)力、界面應(yīng)力集中等幾種應(yīng)力的作用，因此一些研究者對界力、界面應(yīng)力集中等幾種應(yīng)力的作用，因此一些研究者對界面的形成及其作用提出了幾種理論：面的形成及其作用提出了幾種理論：一種理論認為，一種理論認為，處理劑在界面形成了一層塑性層，它能松處理劑在界面形成了一層塑性層，它能松弛界面的應(yīng)力弛界面的應(yīng)力，減小界面應(yīng)力的作用減小界面應(yīng)力的作用，這種理論稱為，這種理論稱為“變形變形層理論層理論”；另一種理論認為，處理劑是界面的組成部分，這部分是介另一種理論認為，處理劑是界面的組成部分，這部分是介于高模量增強材料和低模量基體材料之間的于高模量增強材料和低模量基體材料之間

25、的中等模量物質(zhì)，中等模量物質(zhì)，能起到能起到均勻傳遞應(yīng)力，從而減弱界面應(yīng)力的作用均勻傳遞應(yīng)力，從而減弱界面應(yīng)力的作用，這種理論，這種理論稱為稱為“抑制層理論抑制層理論”。 6、摩擦理論、摩擦理論 摩擦理論認為，基體與增強材料界面的形成完全是由于摩擦理論認為，基體與增強材料界面的形成完全是由于摩擦作用?；w與增強材料間的摩擦系數(shù)決定了復(fù)合材料的摩擦作用?；w與增強材料間的摩擦系數(shù)決定了復(fù)合材料的強度。強度。處理劑的作用在于增加了基體與增強材料間的摩擦系處理劑的作用在于增加了基體與增強材料間的摩擦系數(shù)，從而使復(fù)合材料的強度提高數(shù)，從而使復(fù)合材料的強度提高。 該理論可較好地解釋該理論可較好地解釋復(fù)合材

26、料界面受水等低分子物質(zhì)浸復(fù)合材料界面受水等低分子物質(zhì)浸入后強度下降，干燥后強度又能部分恢復(fù)的現(xiàn)象入后強度下降，干燥后強度又能部分恢復(fù)的現(xiàn)象。水等小分。水等小分子浸入界面使基體與增強材料間的摩擦系數(shù)減小，界面?zhèn)鬟f子浸入界面使基體與增強材料間的摩擦系數(shù)減小，界面?zhèn)鬟f應(yīng)力的能力減弱，故強度降低。干燥后界面水分減少，基體應(yīng)力的能力減弱，故強度降低。干燥后界面水分減少，基體與增強材料間的摩擦系數(shù)增大，傳遞應(yīng)力的能力增加，故強與增強材料間的摩擦系數(shù)增大，傳遞應(yīng)力的能力增加，故強度部分恢復(fù)。度部分恢復(fù)。 4.2.3 非樹脂基復(fù)合材料界面非樹脂基復(fù)合材料界面1)1)機械結(jié)合。機械結(jié)合?；w與增強材料之間不發(fā)生

27、化學(xué)反應(yīng)，純粹靠機基體與增強材料之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，純粹靠機械連結(jié)，靠纖維的粗糙表面與基體產(chǎn)生摩擦力而實現(xiàn)的。械連結(jié)，靠纖維的粗糙表面與基體產(chǎn)生摩擦力而實現(xiàn)的。2)2)溶解和潤濕結(jié)合。溶解和潤濕結(jié)合?；w潤濕增強材料，相互之間發(fā)生原子擴基體潤濕增強材料，相互之間發(fā)生原子擴散和溶解，形成結(jié)合。界面是溶質(zhì)原子的過渡帶。散和溶解，形成結(jié)合。界面是溶質(zhì)原子的過渡帶。3)3)反應(yīng)結(jié)合。反應(yīng)結(jié)合?；w與增強材料間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上生成基體與增強材料間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上生成化合物，使基體和增強材料結(jié)合在一起?；衔铮够w和增強材料結(jié)合在一起。4)4)交換反應(yīng)結(jié)合。交換反應(yīng)結(jié)合?；w與增強材料間發(fā)生

28、化學(xué)反應(yīng)，生成化合基體與增強材料間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成化合物，且還通過擴散發(fā)生元素交換，形成固溶體而使兩者結(jié)合。物，且還通過擴散發(fā)生元素交換，形成固溶體而使兩者結(jié)合。5)5)混合結(jié)合。混合結(jié)合。這種結(jié)合較普遍，是最重要的一種結(jié)合方式。是這種結(jié)合較普遍，是最重要的一種結(jié)合方式。是以上幾種結(jié)合方式中幾個的組合。以上幾種結(jié)合方式中幾個的組合。界面結(jié)合方式的分類界面結(jié)合方式的分類4.2.4.1界面的結(jié)合狀態(tài)和強度界面的結(jié)合狀態(tài)和強度是衡量復(fù)合材料中增強體與基體間是衡量復(fù)合材料中增強體與基體間的一個指標(biāo)。的一個指標(biāo)。對復(fù)合材料對復(fù)合材料的影響很大，的影響很大，界界面粘結(jié)過高或過弱面粘結(jié)過高或過弱都是不利的

29、。都是不利的。因此，人們很重視開展復(fù)合材料因此，人們很重視開展復(fù)合材料和和，以便制得具有，以便制得具有的復(fù)合材料。的復(fù)合材料。下圖給出了下圖給出了影響復(fù)合材料界面效應(yīng)的因素影響復(fù)合材料界面效應(yīng)的因素及其與及其與復(fù)合復(fù)合材料性能材料性能的關(guān)系。的關(guān)系。4.2.4 樹脂基復(fù)合材料界面破壞機理樹脂基復(fù)合材料界面破壞機理對對有兩種觀點有兩種觀點： 一種是一種是應(yīng)介于應(yīng)介于增強材料與基體材料之間增強材料與基體材料之間，最，最好形成好形成梯度過渡梯度過渡。另一種觀點是另一種觀點是低于增強材料與基體低于增強材料與基體，最好是，最好是一種類似橡膠的一種類似橡膠的彈性體彈性體，在受力時有較大的形變。，在受力時有

30、較大的形變。前一種觀點從前一種觀點從來看，將會產(chǎn)生好的效果；來看，將會產(chǎn)生好的效果；后一種觀點按照后一種觀點按照，則可以將，則可以將集中于界面的集中于界面的應(yīng)力點應(yīng)力點迅速分散，從而提高整體的力學(xué)性能。迅速分散，從而提高整體的力學(xué)性能。前面的兩種觀點都前面的兩種觀點都有一定的實驗支持有一定的實驗支持，但是尚未得到定，但是尚未得到定論。論。然而無論如何，若然而無論如何，若，將會產(chǎn)生不良的效果，這是大家都公認的觀點。，將會產(chǎn)生不良的效果，這是大家都公認的觀點。界面結(jié)合較差的復(fù)合材料：界面結(jié)合較差的復(fù)合材料： 大多呈大多呈剪切破壞剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到脫粘、，且在材料的斷面可觀察到脫粘、纖

31、維拔出、纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。纖維拔出、纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。界面結(jié)合最佳態(tài)是：界面結(jié)合最佳態(tài)是： 當(dāng)受力發(fā)生開裂時，當(dāng)受力發(fā)生開裂時，裂紋可轉(zhuǎn)化為區(qū)域化裂紋可轉(zhuǎn)化為區(qū)域化而而不進一步不進一步界面脫粘界面脫粘；即這時的復(fù)合材料具有最大斷裂能和一定的韌；即這時的復(fù)合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。性。界面結(jié)合過強的復(fù)合材料：界面結(jié)合過強的復(fù)合材料： 則呈則呈脆性斷裂脆性斷裂，也降低了復(fù)合材料的整體性能。，也降低了復(fù)合材料的整體性能。界面結(jié)合的狀態(tài)和強度界面結(jié)合的狀態(tài)和強度由于由于相對于整體材料相對于整體材料所占比重甚微，欲所占比重甚微，欲單獨對單獨對某一性能某一性能進行度量有很大困難。進行度量有很大

32、困難。因此常借于因此常借于來來表征界面性能表征界面性能，如，如(ILSS)就是研究界面粘結(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他性能對界面的其他性能作作較深入的研究。較深入的研究。由此可見，在由此可見，在時，不應(yīng)只追求時，不應(yīng)只追求而應(yīng)考慮到而應(yīng)考慮到。例如，在某些應(yīng)用中，如果要求例如，在某些應(yīng)用中，如果要求或或時，時，控制界面的部分脫粘控制界面的部分脫粘也許是所期望的，用也許是所期望的，用淀淀粉或明膠粉或明膠作為增強玻璃纖維表面浸潤劑的作為增強玻璃纖維表面浸潤劑的已用于已用于制備具有制備具有高沖擊強度的防彈衣高沖擊強度的防彈衣。影響界面的粘合強度

33、的因素影響界面的粘合強度的因素纖維表面晶體大小及比表面積纖維表面晶體大小及比表面積 CF晶體尺寸晶體尺寸粘合強度粘合強度 比表面積比表面積粘合強度粘合強度浸潤性浸潤性 浸潤性浸潤性粘合強度粘合強度界面反應(yīng)性界面反應(yīng)性 界面反應(yīng)性界面反應(yīng)性粘合強度粘合強度殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力 殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力粘合強度粘合強度4.2.4.2界面破壞機理界面破壞機理在復(fù)合材料中，纖維和基體界面中均有微裂紋存在。在外力在復(fù)合材料中，纖維和基體界面中均有微裂紋存在。在外力和其他因素的作用下，都會按照自身的一定規(guī)律擴展，最終和其他因素的作用下，都會按照自身的一定規(guī)律擴展，最終導(dǎo)致復(fù)合材料的破壞?；w上的微裂紋的擴展趨勢，有的

34、平導(dǎo)致復(fù)合材料的破壞?；w上的微裂紋的擴展趨勢，有的平行于纖維表面，有的垂直于纖維表面。行于纖維表面，有的垂直于纖維表面。 裂紋擴展過程將逐漸貫穿基體，最后到達纖維表面。在此裂紋擴展過程將逐漸貫穿基體，最后到達纖維表面。在此過程中，隨著裂紋的擴展，將逐漸消耗能量，由于能量的過程中，隨著裂紋的擴展，將逐漸消耗能量，由于能量的消耗，使其擴展速率減慢，垂直表面的裂紋，還由于能量消耗，使其擴展速率減慢，垂直表面的裂紋，還由于能量的消耗，減緩它對纖維的沖擊。的消耗，減緩它對纖維的沖擊。 如果界面上的化學(xué)鍵是集中的，當(dāng)裂紋擴展時，能量流散較少，如果界面上的化學(xué)鍵是集中的，當(dāng)裂紋擴展時，能量流散較少，較多的能量集中于裂紋尖端，