重點(diǎn)掌握樹脂基復(fù)合材料界面破壞機(jī)理PPT課件

1、4、復(fù)合體系的界面結(jié)合特性本章將介紹復(fù)合材料的結(jié)合特性。本章將介紹復(fù)合材料的結(jié)合特性。 4.1 4.1 復(fù)合材料界面形成過程復(fù)合材料界面形成過程 復(fù)合材料中，增強(qiáng)體與基體間最終界面的獲得，一般分為兩個階段：復(fù)合材料中，增強(qiáng)體與基體間最終界面的獲得，一般分為兩個階段： 1 1、基體與增強(qiáng)體在一種組分為液態(tài)（或粘流態(tài)）時發(fā)生接觸或潤濕的過程，或、基體與增強(qiáng)體在一種組分為液態(tài)（或粘流態(tài)）時發(fā)生接觸或潤濕的過程，或是兩種組分在一定條件下均呈液態(tài)（或粘流態(tài)）的分散、接觸及潤濕過程；也可是兩種組分在一定條件下均呈液態(tài)（或粘流態(tài)）的分散、接觸及潤濕過程；也可以是兩種固態(tài)組分在分散情況下以一定的條件發(fā)生物理及

2、化學(xué)變化形成結(jié)合并看以是兩種固態(tài)組分在分散情況下以一定的條件發(fā)生物理及化學(xué)變化形成結(jié)合并看作為一種特殊潤濕過程。這種作為一種特殊潤濕過程。這種潤濕過程潤濕過程是增強(qiáng)體與基體形成緊密的接觸而導(dǎo)致界是增強(qiáng)體與基體形成緊密的接觸而導(dǎo)致界面良好結(jié)合的必要條件。面良好結(jié)合的必要條件。2 2、液態(tài)（粘流態(tài)）組分的、液態(tài)（粘流態(tài)）組分的固化過程固化過程。要形成復(fù)合材料增強(qiáng)體與基體間穩(wěn)定的界。要形成復(fù)合材料增強(qiáng)體與基體間穩(wěn)定的界面結(jié)合，不論是何種材料（金屬、非金屬、聚合物）均必須通過物理或化學(xué)的固面結(jié)合，不論是何種材料（金屬、非金屬、聚合物）均必須通過物理或化學(xué)的固化過程（凝固或化學(xué)反應(yīng)固化）?；^程（凝固或

3、化學(xué)反應(yīng)固化）。 1 1、潤濕過程；、潤濕過程；2 2、固化過程。、固化過程。第1頁/共53頁 這兩個過程往往是這兩個過程往往是連續(xù)連續(xù)的，有時幾乎是同時進(jìn)行的，對于在固態(tài)下制備的的，有時幾乎是同時進(jìn)行的，對于在固態(tài)下制備的非金屬基或金屬基復(fù)合材料，往往難以區(qū)分這兩個過程。非金屬基或金屬基復(fù)合材料，往往難以區(qū)分這兩個過程。 第2頁/共53頁4.2 4.2 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4.2.1 4.2.1 樹脂基復(fù)合材料的樹脂基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)界面結(jié)構(gòu) 熱固性樹脂基體的固化反應(yīng)是如何進(jìn)行的？熱固性樹脂基體的固化反應(yīng)是如何進(jìn)行的？ 膠束（膠粒）：膠束（膠

4、粒）：固化反應(yīng)后，密度大的中心部位。固化反應(yīng)后，密度大的中心部位。 膠絮：膠絮：固化反應(yīng)后，密度小的中心部位。固化反應(yīng)后，密度小的中心部位。 樹脂抑制層：樹脂抑制層：在增強(qiáng)體表面形成的有序樹脂膠束層。在增強(qiáng)體表面形成的有序樹脂膠束層。 結(jié)構(gòu)：類似膠束的高密度區(qū)、類似膠絮的低密度區(qū)。結(jié)構(gòu)：類似膠束的高密度區(qū)、類似膠絮的低密度區(qū)。 復(fù)合材料中界面區(qū)的作用復(fù)合材料中界面區(qū)的作用使基體與增強(qiáng)體結(jié)合形成材料整體，并實(shí)現(xiàn)外力場作使基體與增強(qiáng)體結(jié)合形成材料整體，并實(shí)現(xiàn)外力場作用下的應(yīng)力傳遞。用下的應(yīng)力傳遞。 界面結(jié)構(gòu)界面結(jié)構(gòu)：EgEg環(huán)氧樹脂的固化；增強(qiáng)體高表面能：內(nèi)部致密層環(huán)氧樹脂的固化；增強(qiáng)體高表面能：

5、內(nèi)部致密層, ,外部松散層；外部松散層； 增強(qiáng)體低表面能：松散層；增強(qiáng)體低表面能：松散層； 連續(xù)纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料：界面微觀結(jié)構(gòu)與非連續(xù)纖維增強(qiáng)體一致。連續(xù)纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料：界面微觀結(jié)構(gòu)與非連續(xù)纖維增強(qiáng)體一致。1 1、固化劑誘發(fā)樹脂官能、固化劑誘發(fā)樹脂官能團(tuán)反應(yīng)固化團(tuán)反應(yīng)固化2 2、樹脂本身官能團(tuán)進(jìn)行、樹脂本身官能團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)固化。反應(yīng)固化。第3頁/共53頁 4.2.2 4.2.2 樹脂基復(fù)合材料的樹脂基復(fù)合材料的界面結(jié)合理論界面結(jié)合理論 4.2.2.1 4.2.2.1 潤濕理論潤濕理論 指出：指出：要使樹脂對增強(qiáng)體緊密接觸，就必須使樹脂對增強(qiáng)體表面很好地浸要使樹脂對增強(qiáng)體緊密接觸

6、，就必須使樹脂對增強(qiáng)體表面很好地浸潤。潤。 前提條件：前提條件：液態(tài)樹脂的表面張力必須低于增強(qiáng)體的臨界表面張力。液態(tài)樹脂的表面張力必須低于增強(qiáng)體的臨界表面張力。 結(jié)合方式：結(jié)合方式：屬于機(jī)械結(jié)合與潤濕吸附。屬于機(jī)械結(jié)合與潤濕吸附。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：解釋了增強(qiáng)體表面粗化、表面積增加有利于提高與基體樹脂界面結(jié)解釋了增強(qiáng)體表面粗化、表面積增加有利于提高與基體樹脂界面結(jié)合力的事實(shí)。合力的事實(shí)。 不足：不足：a a、不能解釋施用偶聯(lián)劑后使樹脂基復(fù)合材料界面粘結(jié)強(qiáng)度提高的現(xiàn)不能解釋施用偶聯(lián)劑后使樹脂基復(fù)合材料界面粘結(jié)強(qiáng)度提高的現(xiàn)象。象。 b b、證明偶聯(lián)劑在玻璃纖維證明偶聯(lián)劑在玻璃纖維/ /樹脂界面上的偶聯(lián)效

7、果一定有部分（或樹脂界面上的偶聯(lián)效果一定有部分（或者者是主要的）不是由界面的物理吸附所提供，而是存在著更為本質(zhì)的因素在起是主要的）不是由界面的物理吸附所提供，而是存在著更為本質(zhì)的因素在起作用。作用。 注意注意：單純以兩者潤濕好壞來判定：單純以兩者潤濕好壞來判定增強(qiáng)體與樹脂的粘結(jié)效果是不全面增強(qiáng)體與樹脂的粘結(jié)效果是不全面的。的。第4頁/共53頁 4.2.2.2 4.2.2.2 化學(xué)鍵理論化學(xué)鍵理論 認(rèn)為：認(rèn)為：基體樹脂表面的活性官能團(tuán)與增強(qiáng)體表面的官能團(tuán)能起化學(xué)反應(yīng)?；w樹脂表面的活性官能團(tuán)與增強(qiáng)體表面的官能團(tuán)能起化學(xué)反應(yīng)。因此樹脂基體與增強(qiáng)體之間形成化學(xué)鍵的結(jié)合，界面的結(jié)合力是主價鍵力的作因此

8、樹脂基體與增強(qiáng)體之間形成化學(xué)鍵的結(jié)合，界面的結(jié)合力是主價鍵力的作用。偶聯(lián)劑正是實(shí)現(xiàn)這種化學(xué)鍵結(jié)合的架橋劑。用。偶聯(lián)劑正是實(shí)現(xiàn)這種化學(xué)鍵結(jié)合的架橋劑。 成功之處：成功之處：在偶聯(lián)劑應(yīng)用于玻璃纖維復(fù)合材料中得到很好應(yīng)用，也被界面在偶聯(lián)劑應(yīng)用于玻璃纖維復(fù)合材料中得到很好應(yīng)用，也被界面研究的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。研究的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 偶聯(lián)劑在界面所起的作用：偶聯(lián)劑在界面所起的作用：用用BrBr2 2破壞偶聯(lián)劑雙鍵，制品強(qiáng)度下降。破壞偶聯(lián)劑雙鍵，制品強(qiáng)度下降。 局限性：局限性： a a、聚合物不具備活性基團(tuán)；聚合物不具備活性基團(tuán)； b b、不具備與樹脂反應(yīng)的基團(tuán)。不具備與樹脂反應(yīng)的基團(tuán)。總結(jié)：總結(jié)：對于復(fù)合體系的界

9、面現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)的解釋，不能單純以一種化學(xué)偶聯(lián)或?qū)τ趶?fù)合體系的界面現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)的解釋，不能單純以一種化學(xué)偶聯(lián)或單純以一種物理化學(xué)現(xiàn)象來解釋。單純以一種物理化學(xué)現(xiàn)象來解釋。 若潤濕理論和化學(xué)鍵理論都存在時，認(rèn)為化學(xué)偶聯(lián)作用應(yīng)是主要的，然后若潤濕理論和化學(xué)鍵理論都存在時，認(rèn)為化學(xué)偶聯(lián)作用應(yīng)是主要的，然后提高浸潤性，則效果最佳。提高浸潤性，則效果最佳。 第5頁/共53頁 4.2.2.3 4.2.2.3 優(yōu)先吸附理論優(yōu)先吸附理論 提出背景：提出背景：解釋化學(xué)鍵不能解釋的現(xiàn)象。解釋化學(xué)鍵不能解釋的現(xiàn)象。 當(dāng)玻璃纖維被偶聯(lián)劑覆蓋后，偶聯(lián)劑對樹脂中的某些組分當(dāng)玻璃纖維被偶聯(lián)劑覆蓋后，偶聯(lián)劑對樹脂中的某些組分“優(yōu)先

10、吸附優(yōu)先吸附”，這，這樣，改變了樹脂對玻璃表面的浸潤性。樣，改變了樹脂對玻璃表面的浸潤性。 認(rèn)為：認(rèn)為：界面上可能發(fā)生增強(qiáng)體表面優(yōu)先吸附樹脂中的某些組分，這些組分與界面上可能發(fā)生增強(qiáng)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，可以大大改善樹脂對增強(qiáng)體的浸潤；同時，由于優(yōu)先吸附樹脂有良好的相容性，可以大大改善樹脂對增強(qiáng)體的浸潤；同時，由于優(yōu)先吸附作用，在界面上可以形成所謂的作用，在界面上可以形成所謂的“柔性層柔性層”，此，此“柔性層柔性層”極可能是一種欠固化極可能是一種欠固化的樹脂層，它是的樹脂層，它是“可塑的可塑的”，可以起到松弛界面上應(yīng)力集中的作用，故可以防止，可以起到松弛

11、界面上應(yīng)力集中的作用，故可以防止界面粘脫。界面粘脫。 第6頁/共53頁4.2.2.4 4.2.2.4 防水層理論防水層理論 提出背景：提出背景：解釋玻纖經(jīng)偶聯(lián)劑處理后，濕態(tài)強(qiáng)度大大改善的現(xiàn)象。解釋玻纖經(jīng)偶聯(lián)劑處理后，濕態(tài)強(qiáng)度大大改善的現(xiàn)象。 認(rèn)為：認(rèn)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蝕，從而改善復(fù)合材料濕態(tài)強(qiáng)度。水表面，該表面可以防止水的侵蝕，從而改善復(fù)合材料濕態(tài)強(qiáng)度。 不足：不足：理論與實(shí)際有出入。理論與實(shí)際有出入。第7頁/共53頁4.2.2.5 4.2.2.5 可逆水解理論可逆水解

12、理論 亦稱為可形變層理論、減輕界面局部應(yīng)力理論。亦稱為可形變層理論、減輕界面局部應(yīng)力理論。 認(rèn)為：認(rèn)為：在玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料中，偶聯(lián)劑不是阻止水分進(jìn)入界面，而在玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料中，偶聯(lián)劑不是阻止水分進(jìn)入界面，而是當(dāng)有水存在時，偶聯(lián)劑與水在玻璃表面上競爭結(jié)合。是當(dāng)有水存在時，偶聯(lián)劑與水在玻璃表面上競爭結(jié)合。 1 1、產(chǎn)生排斥作用；、產(chǎn)生排斥作用； SiSiOHOH反應(yīng)能力反應(yīng)能力強(qiáng)于水強(qiáng)于水可以生成剛性較強(qiáng)的鍵與硅可以生成剛性較強(qiáng)的鍵與硅醇反應(yīng)成原來鍵、或鍵斷裂醇反應(yīng)成原來鍵、或鍵斷裂后相對滑移，形成新鍵。后相對滑移，形成新鍵。 2 2、由于這種動態(tài)平衡，使界面上應(yīng)力松弛；、由于這種動

13、態(tài)平衡，使界面上應(yīng)力松弛； 3 3、這種鍵的形成斷裂形成的動態(tài)結(jié)合狀態(tài)使樹脂與增強(qiáng)體表面始終保、這種鍵的形成斷裂形成的動態(tài)結(jié)合狀態(tài)使樹脂與增強(qiáng)體表面始終保持一定的粘合強(qiáng)度。持一定的粘合強(qiáng)度。 成功與局限：成功與局限： 1 1、對熱固性樹脂對熱固性樹脂/ /玻璃纖維復(fù)合材料界面系統(tǒng)的結(jié)合機(jī)理能很好地解釋玻璃纖維復(fù)合材料界面系統(tǒng)的結(jié)合機(jī)理能很好地解釋 2 2、對于柔性聚合物就不一樣了。、對于柔性聚合物就不一樣了。第8頁/共53頁4.2.2.6 4.2.2.6 摩擦理論摩擦理論 認(rèn)為：認(rèn)為：樹脂與增強(qiáng)體之間的粘結(jié)完全基于摩擦作用，增強(qiáng)體與樹脂之間的摩樹脂與增強(qiáng)體之間的粘結(jié)完全基于摩擦作用，增強(qiáng)體與樹

14、脂之間的摩擦系數(shù)決定了復(fù)合材料的強(qiáng)度。偶聯(lián)劑的重要作用在于增加了樹脂基體與增強(qiáng)擦系數(shù)決定了復(fù)合材料的強(qiáng)度。偶聯(lián)劑的重要作用在于增加了樹脂基體與增強(qiáng)體之間的摩擦系數(shù)。體之間的摩擦系數(shù)。作業(yè)：作業(yè)：15、簡述復(fù)合材料界面的形成過程。、簡述復(fù)合材料界面的形成過程。16、解釋潤濕理論所包含的內(nèi)容，并指出其成功之處與不足之處。、解釋潤濕理論所包含的內(nèi)容，并指出其成功之處與不足之處。17、解釋化學(xué)鍵理論與優(yōu)先吸附理論，并指出其成功之處與不足之處。、解釋化學(xué)鍵理論與優(yōu)先吸附理論，并指出其成功之處與不足之處。 第9頁/共53頁4.3 4.3 非樹脂基復(fù)合材料的基體及界面結(jié)構(gòu)非樹脂基復(fù)合材料的基體及界面結(jié)構(gòu)4.

15、3.1 4.3.1 晶態(tài)非樹脂基基體的結(jié)構(gòu)特性晶態(tài)非樹脂基基體的結(jié)構(gòu)特性 對金屬基及無機(jī)非金屬基復(fù)合材料，界面往往是指增強(qiáng)體與基體接觸區(qū)對金屬基及無機(jī)非金屬基復(fù)合材料，界面往往是指增強(qiáng)體與基體接觸區(qū)間中化學(xué)成分有顯著變化、彼此構(gòu)成結(jié)合、能傳遞載荷作用的區(qū)域。間中化學(xué)成分有顯著變化、彼此構(gòu)成結(jié)合、能傳遞載荷作用的區(qū)域。4.3.1.1 4.3.1.1 晶格的周期性晶格的周期性第10頁/共53頁圖圖4.3 晶胞結(jié)構(gòu)晶胞結(jié)構(gòu)（a） 簡單立方體簡單立方體（b） 簡單單斜立方體簡單單斜立方體（c） 晶格原胞晶格原胞（d） 二維二維Bravais格子格子第11頁/共53頁4.3.1.2 4.3.1.2 周期

16、性周期性 晶系單胞基矢特性Bravais格子備注三斜晶系abc 簡單三斜 單斜晶系abc ab，ac簡單單斜底心單斜 正交晶系abc，a、b、c相互垂直簡單正交底心正交體心正交面心正交 三角晶系abc； + +w w 水助長裂紋的擴(kuò)張，除了減小水助長裂紋的擴(kuò)張，除了減小和和w w外，還有兩方面的作用，就是表外，還有兩方面的作用，就是表面腐蝕導(dǎo)致表面缺陷或產(chǎn)生微弱腐蝕產(chǎn)物，以及凝結(jié)在裂紋頂端的水能產(chǎn)生面腐蝕導(dǎo)致表面缺陷或產(chǎn)生微弱腐蝕產(chǎn)物，以及凝結(jié)在裂紋頂端的水能產(chǎn)生相當(dāng)大的毛細(xì)壓力，促進(jìn)纖維中原有微裂紋的擴(kuò)展，引起材料的破壞。相當(dāng)大的毛細(xì)壓力，促進(jìn)纖維中原有微裂紋的擴(kuò)展，引起材料的破壞。B3B3

17、、界面遭受破壞界面遭受破壞B4B4、水介質(zhì)還將促水介質(zhì)還將促使微裂紋的發(fā)展使微裂紋的發(fā)展B5B5、材料的整體破材料的整體破壞壞第25頁/共53頁復(fù)合材料界面破壞機(jī)理的觀點(diǎn)：復(fù)合材料界面破壞機(jī)理的觀點(diǎn)：1、微裂紋破壞理論；、微裂紋破壞理論；都存在片面、不完善都存在片面、不完善的地方，往往同時發(fā)的地方，往往同時發(fā)生。生。2、界面破壞理論；、界面破壞理論；3、化學(xué)結(jié)構(gòu)破壞理論、化學(xué)結(jié)構(gòu)破壞理論第26頁/共53頁4.5 4.5 復(fù)合材料界面優(yōu)化設(shè)計復(fù)合材料界面優(yōu)化設(shè)計 復(fù)合材料界面優(yōu)化設(shè)計的含義是對復(fù)合材料界面相進(jìn)行設(shè)計及控制，以使復(fù)合材料界面優(yōu)化設(shè)計的含義是對復(fù)合材料界面相進(jìn)行設(shè)計及控制，以使整體材

18、料的綜合性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。整體材料的綜合性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。 綜合考慮，最綜合考慮，最大限度地體現(xiàn)大限度地體現(xiàn)出整體優(yōu)越性出整體優(yōu)越性界面的功能：傳遞應(yīng)力、粘結(jié)與脫粘。界面的功能：傳遞應(yīng)力、粘結(jié)與脫粘。 復(fù)合材料界面的優(yōu)化設(shè)計是一個復(fù)雜的因素。復(fù)合材料界面的優(yōu)化設(shè)計是一個復(fù)雜的因素。 1 1、首先應(yīng)該注意材料的應(yīng)用要求；、首先應(yīng)該注意材料的應(yīng)用要求；2 2、彈性模量的設(shè)計；、彈性模量的設(shè)計； 3 3、界面的殘余應(yīng)力；、界面的殘余應(yīng)力； 4 4、基體與增強(qiáng)體的相容性；、基體與增強(qiáng)體的相容性； 5 5、相間的動力學(xué)效果；、相間的動力學(xué)效果； 6 6、偶聯(lián)劑的性能。、偶聯(lián)劑的性能。 第27頁/共53頁

19、應(yīng)用要求應(yīng)用要求1 1、制品首先滿足的強(qiáng)度問題。、制品首先滿足的強(qiáng)度問題。2 2、制品的工作環(huán)境。、制品的工作環(huán)境。3 3、制品的生產(chǎn)成本、使用壽命等。、制品的生產(chǎn)成本、使用壽命等。EgEg、縱向強(qiáng)度、橫向強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等縱向強(qiáng)度、橫向強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等EgEg、潮濕環(huán)境下、酸性環(huán)境下、堿性環(huán)境下，紫外線多潮濕環(huán)境下、酸性環(huán)境下、堿性環(huán)境下，紫外線多的環(huán)境下，的環(huán)境下，要選擇相對應(yīng)的樹脂。要選擇相對應(yīng)的樹脂。EgEg、對于某些工程材料在滿足要求時盡量降低生產(chǎn)成本；對于某些工程材料在滿足要求時盡量降低生產(chǎn)成本；考慮使用年限等問題?？紤]使用年限等問題。第28頁/共53頁彈性模量的設(shè)計彈性模量的設(shè)計見

20、解見解1 1、界面相的、界面相的模量應(yīng)當(dāng)介于增強(qiáng)模量應(yīng)當(dāng)介于增強(qiáng)體與基體之間；體與基體之間；見解見解2 2、保證相當(dāng)、保證相當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)程度下，界的粘結(jié)程度下，界面相的模量應(yīng)當(dāng)是面相的模量應(yīng)當(dāng)是最低的；最低的；界 面 相 的界 面 相 的模 量模 量基 體基 體和 增 強(qiáng) 體和 增 強(qiáng) 體的模量。的模量。Why？高模量的界面首先破壞，起不到傳遞力的作高模量的界面首先破壞，起不到傳遞力的作用，且造成裂紋源，形成增強(qiáng)體的低應(yīng)力破用，且造成裂紋源，形成增強(qiáng)體的低應(yīng)力破壞壞第29頁/共53頁殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力足夠重視足夠重視見解見解1 1、如何減弱、如何減弱復(fù)合材料界面的殘復(fù)合材料界面的殘余應(yīng)力；余應(yīng)力；見

21、解見解2 2、如何在材、如何在材料中利用復(fù)合材料料中利用復(fù)合材料界面的殘余應(yīng)力；界面的殘余應(yīng)力；影響復(fù)合影響復(fù)合材料性能材料性能的發(fā)揮和的發(fā)揮和性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定第30頁/共53頁相容性相容性條件？條件？影響復(fù)合影響復(fù)合材料性能材料性能的發(fā)揮和的發(fā)揮和性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定G 0保證增強(qiáng)保證增強(qiáng)體及基體體及基體充分接觸充分接觸先決條件先決條件各種各種外加外加劑的劑的使用使用第31頁/共53頁動力學(xué)效果動力學(xué)效果潤濕？潤濕？潤濕程潤濕程度度考慮考慮1、相間浸潤的熱力學(xué)效果2、相間浸潤的動力學(xué)效果判斷潤濕判斷潤濕程度程度判斷潤濕判斷潤濕過程及如過程及如何潤濕何潤濕第32頁/共53頁偶聯(lián)劑的性能偶聯(lián)劑的性能

22、界面改性界面改性劑劑粘結(jié)基體和增強(qiáng)體的橋梁化學(xué)功能物理功能其他結(jié)構(gòu)因素第33頁/共53頁作業(yè)：作業(yè)：1818、解釋界面破壞的能量流散概念，并說明其在界面破壞上的應(yīng)用。、解釋界面破壞的能量流散概念，并說明其在界面破壞上的應(yīng)用。1919、簡述非樹脂基復(fù)合材料的界面類型分類。、簡述非樹脂基復(fù)合材料的界面類型分類。2020、如何對復(fù)合材料界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。、如何對復(fù)合材料界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。第34頁/共53頁 4.6 4.6 界面分析技術(shù)界面分析技術(shù) 復(fù)合材料的性質(zhì)與界面性質(zhì)緊密相關(guān)，而界面性質(zhì)又取決于界面的結(jié)合復(fù)合材料的性質(zhì)與界面性質(zhì)緊密相關(guān)，而界面性質(zhì)又取決于界面的結(jié)合狀態(tài)、微結(jié)構(gòu)特征以及應(yīng)力狀態(tài)。

23、狀態(tài)、微結(jié)構(gòu)特征以及應(yīng)力狀態(tài)。 AEM（分析電鏡）；分析電鏡）； IR（紅外光譜）；紅外光譜）； XRD（X光衍射）；光衍射）； XFA（X光熒光分析）；光熒光分析）； ESCA（光電子能譜）；光電子能譜）； SEM（掃描電鏡）；掃描電鏡）； TEM（透射電鏡）。透射電鏡）。 它們對表征偶聯(lián)劑的作用機(jī)理、界面層厚度、界面化學(xué)組成及化學(xué)結(jié)構(gòu)它們對表征偶聯(lián)劑的作用機(jī)理、界面層厚度、界面化學(xué)組成及化學(xué)結(jié)構(gòu)、微觀材料結(jié)構(gòu)、界面反應(yīng)、微區(qū)形貌及破壞機(jī)理分析等可以提供大量有價、微觀材料結(jié)構(gòu)、界面反應(yīng)、微區(qū)形貌及破壞機(jī)理分析等可以提供大量有價值的信息，以此加深人們對復(fù)合材料界面的認(rèn)識。值的信息，以此加深人們

24、對復(fù)合材料界面的認(rèn)識。第35頁/共53頁4.6.1 4.6.1 常規(guī)分析常規(guī)分析4.6.1.1 4.6.1.1 拔脫試驗(yàn)拔脫試驗(yàn) rr2 2 u uf f2rl2rlcece i i圖圖4.13 拔脫試驗(yàn)示意圖拔脫試驗(yàn)示意圖1 夾具；夾具；2模具；模具；3基體基體第36頁/共53頁圖圖4.14 拉拔應(yīng)力與纖維埋入長度的關(guān)系拉拔應(yīng)力與纖維埋入長度的關(guān)系第37頁/共53頁4.6.1.2 4.6.1.2 頂出法頂出法i iP Pf f/2r/2r圖圖4.15 頂出試驗(yàn)示意圖頂出試驗(yàn)示意圖第38頁/共53頁lcl_34cufild24.6.1.3 4.6.1.3 臨界長度法臨界長度法圖圖4.16 臨界

25、纖維長度法示意圖臨界纖維長度法示意圖第39頁/共53頁4.6.1.4 界面粘結(jié)能法822mffmEdEG圖圖4.17 測試界面粘結(jié)能的試樣測試界面粘結(jié)能的試樣1纖維；纖維；2基體；基體；3鉆孔鉆孔1.5mm第40頁/共53頁4.6.1.5 4.6.1.5 力學(xué)性能測試方法力學(xué)性能測試方法 復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度、橫向拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等力學(xué)性能與界面復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度、橫向拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等力學(xué)性能與界面粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān)，可作為評價界面粘結(jié)強(qiáng)度的間接方法。粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān)，可作為評價界面粘結(jié)強(qiáng)度的間接方法。 剪切強(qiáng)度剪切強(qiáng)度 橫向拉伸強(qiáng)度橫向拉伸強(qiáng)度 彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度第41頁/共53頁4.6.2

26、4.6.2電子顯微鏡觀測法電子顯微鏡觀測法4.6.2.1 4.6.2.1 增強(qiáng)材料表面形貌分析增強(qiáng)材料表面形貌分析 增強(qiáng)材料的表面形貌直接或間接影響界面結(jié)合性能。增強(qiáng)材料的表面形貌直接或間接影響界面結(jié)合性能。4.6.2.2 4.6.2.2 復(fù)合材料的斷面形貌分析復(fù)合材料的斷面形貌分析 可判斷復(fù)合材料界面粘結(jié)強(qiáng)度和破壞機(jī)理?？膳袛鄰?fù)合材料界面粘結(jié)強(qiáng)度和破壞機(jī)理。EgEg：斷面上被拔出的纖維表面光滑：破壞時界面脫粘；斷面上被拔出的纖維表面光滑：破壞時界面脫粘； 斷面上被拔出的纖維表面粘附有基體樹脂：界面粘結(jié)強(qiáng)度高，破壞發(fā)生在斷面上被拔出的纖維表面粘附有基體樹脂：界面粘結(jié)強(qiáng)度高，破壞發(fā)生在基體中?；?/p>

27、體中。4.6.3 4.6.3 紅外光譜與拉曼光譜法紅外光譜與拉曼光譜法 波長為波長為2 25050mm區(qū)間的波譜稱紅外光譜，當(dāng)試樣吸收紅外區(qū)的光量子后，區(qū)間的波譜稱紅外光譜，當(dāng)試樣吸收紅外區(qū)的光量子后，因?yàn)榱孔幽芰枯^小，不會破壞化學(xué)鍵，而只引起鍵的振動和轉(zhuǎn)動，因此紅外光因?yàn)榱孔幽芰枯^小，不會破壞化學(xué)鍵，而只引起鍵的振動和轉(zhuǎn)動，因此紅外光譜是分子鍵的振轉(zhuǎn)光譜。各種化學(xué)官能團(tuán)有其特定的紅外吸收波數(shù)范圍，可根譜是分子鍵的振轉(zhuǎn)光譜。各種化學(xué)官能團(tuán)有其特定的紅外吸收波數(shù)范圍，可根據(jù)紅外吸收光譜上特征峰的位置來鑒別官能團(tuán)的存在，進(jìn)而推測試樣的結(jié)構(gòu)。據(jù)紅外吸收光譜上特征峰的位置來鑒別官能團(tuán)的存在，進(jìn)而推測試

28、樣的結(jié)構(gòu)。第42頁/共53頁4.6.4 4.6.4 X X射線衍射法射線衍射法 X X射線衍射法多用于分析增強(qiáng)材料表面的晶相結(jié)構(gòu)。射線衍射法多用于分析增強(qiáng)材料表面的晶相結(jié)構(gòu)。 當(dāng)一束單色當(dāng)一束單色X X射線入射到晶體時，由于晶體是由原子有規(guī)則排列成的晶胞射線入射到晶體時，由于晶體是由原子有規(guī)則排列成的晶胞所組成，而這些有規(guī)則排列的原子間距離與入射所組成，而這些有規(guī)則排列的原子間距離與入射X X射線波長具有相同數(shù)量級，射線波長具有相同數(shù)量級，故由不同原子散射的故由不同原子散射的X X射線相互干涉疊加，可在某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng)的射線相互干涉疊加，可在某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng)的X X射射線衍射。線衍射。

29、 第43頁/共53頁4.6.5 4.6.5 光電子能譜光電子能譜(ESCA)(ESCA)分析法分析法 光電子能譜是表征表面化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的有效方法，其特點(diǎn)是：光電子能譜是表征表面化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的有效方法，其特點(diǎn)是： (1)(1)可對表面附近可對表面附近5nm5nm深度進(jìn)行分析；深度進(jìn)行分析； (2)(2)靈敏度高；靈敏度高； (3)(3)可獲得除可獲得除H H、HeHe等輕元素外的各種元素及化學(xué)鍵狀態(tài)的信息；等輕元素外的各種元素及化學(xué)鍵狀態(tài)的信息； (4)(4)測試時間短，不破壞試樣。測試時間短，不破壞試樣。 第44頁/共53頁1 1、Langmuir-Blodgett Langmuir-Bl

30、odgett 裝置裝置 可用于測定多種雙親性染料分子、生可用于測定多種雙親性染料分子、生物分子、聚合物等不容性單分子膜的物分子、聚合物等不容性單分子膜的-A-A曲線、曲線、A-tA-t曲線、曲線、-t-t曲線，分析膜在空氣曲線，分析膜在空氣- -水界面上的相態(tài)變化和穩(wěn)定性。水界面上的相態(tài)變化和穩(wěn)定性。 用于垂直提拉法、亞相降低法等組裝用于垂直提拉法、亞相降低法等組裝多種不同結(jié)構(gòu)的有序分子膜。多種不同結(jié)構(gòu)的有序分子膜。 以單分子層為膜板制備金屬、半導(dǎo)體、以單分子層為膜板制備金屬、半導(dǎo)體、納米粒子、誘導(dǎo)生物礦物質(zhì)的成核結(jié)晶。納米粒子、誘導(dǎo)生物礦物質(zhì)的成核結(jié)晶。 第45頁/共53頁2 2、OMNIS

31、ORP100-CX OMNISORP100-CX 自動氣體吸附儀自動氣體吸附儀 美國美國COULTERCOULTER公司產(chǎn)公司產(chǎn)OMNISORP100-CX OMNISORP100-CX 自動氣體吸附儀自動氣體吸附儀, , 是一高準(zhǔn)確度和分辨率的氣體吸附裝置。其主要性能如下：是一高準(zhǔn)確度和分辨率的氣體吸附裝置。其主要性能如下：1 1測定各種氣體（測定各種氣體（N N2 2、H H2 2、NHNH3 3、COCO、COCO2 2、CHCH4 4）或蒸汽或蒸汽( (H H2 2O O 、CHCH3 3OHOH、CHCH3 3CHCH等等) )在各種固體物質(zhì)上的吸附和解吸等在各種固體物質(zhì)上的吸附和解

32、吸等溫線。溫線。2 2用于測定物理吸附和物理吸附數(shù)據(jù)的分析，表征固體物用于測定物理吸附和物理吸附數(shù)據(jù)的分析，表征固體物質(zhì)的吸附特性、固體樣品的比表面和空隙率分布。質(zhì)的吸附特性、固體樣品的比表面和空隙率分布。3 3用于測定化學(xué)吸附和化學(xué)吸附數(shù)據(jù)分析，表征樣品表面用于測定化學(xué)吸附和化學(xué)吸附數(shù)據(jù)分析，表征樣品表面負(fù)載金屬的表面積，吸附單層的容量和金屬的分散度。負(fù)載金屬的表面積，吸附單層的容量和金屬的分散度。4 4該儀器一旦開始測定程序，則全自動運(yùn)行。該儀器一旦開始測定程序，則全自動運(yùn)行。 第46頁/共53頁3.3.KrKrss-K12 ss-K12 程序界面張力儀程序界面張力儀 由瑞士由瑞士KrKr

33、ss ss 公司設(shè)計生產(chǎn)的，可用公司設(shè)計生產(chǎn)的，可用來測定溶液的表面張力、液來測定溶液的表面張力、液/ /液界面張力、液界面張力、兩親分子的臨界聚集濃度以及液體在固體兩親分子的臨界聚集濃度以及液體在固體表面上的接觸角和吸附量、混合表面活性表面上的接觸角和吸附量、混合表面活性劑的協(xié)同效應(yīng)、液體密度等。此儀器廣泛劑的協(xié)同效應(yīng)、液體密度等。此儀器廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物、材料、醫(yī)藥等領(lǐng)域。應(yīng)用于化學(xué)、生物、材料、醫(yī)藥等領(lǐng)域。 測量方法主要包括吊環(huán)法和吊片法。測量方法主要包括吊環(huán)法和吊片法。 第47頁/共53頁4.4.激光光散射儀激光光散射儀 通過動態(tài)光散射的方法可以測量大分通過動態(tài)光散射的方法可以測量大

34、分子和膠體粒子的流體力學(xué)半徑分布情況；子和膠體粒子的流體力學(xué)半徑分布情況；通過靜態(tài)光散射的方法可測量高聚物的重通過靜態(tài)光散射的方法可測量高聚物的重均分子量均分子量MW(weight averaged molecular MW(weight averaged molecular mass)mass)，均方根旋轉(zhuǎn)半徑均方根旋轉(zhuǎn)半徑RgRg（radius of radius of gyrationgyration）和第二維里系數(shù)和第二維里系數(shù)A2(second A2(second osmotic virial coefficient)osmotic virial coefficient)。該儀器可該

35、儀器可測粒子大小為幾個測粒子大小為幾個nmnm至至1 1mm，并具有不破并具有不破壞體系原有狀態(tài)的特征，因此在高分子與壞體系原有狀態(tài)的特征，因此在高分子與膠體化學(xué)，材料科學(xué)，生命科學(xué)等方面都膠體化學(xué)，材料科學(xué)，生命科學(xué)等方面都得到廣泛應(yīng)用。得到廣泛應(yīng)用。 第48頁/共53頁5.5.小角小角X X射線散射儀射線散射儀 小角小角X X射線散射（射線散射（Small Angle X-ray Small Angle X-ray ScatteringScattering）簡稱簡稱SAXSSAXS，適合在相對較低分辨率下適合在相對較低分辨率下表征非晶材料的結(jié)構(gòu)特征，是目前國際前沿領(lǐng)域表征非晶材料的結(jié)構(gòu)特征，是目前國際前沿領(lǐng)域“軟物質(zhì)軟物質(zhì)”納米結(jié)構(gòu)材料研究的強(qiáng)有力工具。納米結(jié)構(gòu)材料研究的強(qiáng)有力工具。 SAXS SAXS通常測定尺寸為通常測定尺寸為1-10001-1000nmnm數(shù)量級范圍（膠體范圍）的結(jié)構(gòu)特征，即特別適數(shù)量級范圍（膠體范圍）的結(jié)構(gòu)特征，即特別適合于納米尺度微觀結(jié)構(gòu)的研究。合于納米尺度微觀結(jié)構(gòu)的研究。 研究領(lǐng)域涉及化學(xué)、化工、材料科學(xué)、分子生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、凝聚態(tài)物理等多研究領(lǐng)域涉及化學(xué)、化工、材料科學(xué)、