复合材料的界面状态

1、 界面效应界面效应3.1 复合材料界面的研究对象复合材料界面的研究对象3.2 表面及界面化学基础表面及界面化学基础3.3 浸润动力学浸润动力学3.4增强体的表面特性及对复合材料界面增强体的表面特性及对复合材料界面结合的影响结合的影响3.5界面界面( (interface)：密切接触的两相之间的：密切接触的两相之间的过渡薄层区域，厚度约几个分子大小，称过渡薄层区域，厚度约几个分子大小，称为界面。液为界面。液- -气（气（l-g）, ,固固- -气（气（s-g）, ,固固- -液液（s-l）, ,液液- -液液（l-l）, ,固固- -固（固（g g-g）。）。表面表面(surface)(surf

2、ace)：一相为气体的界面。：一相为气体的界面。固体表面：固固体表面：固- -气界面气界面液体表面：液液体表面：液- -气界面气界面界面层分子与体相分子所处状态不同液体蒸气蒸气F0f=0由图可知，液体表面层分子所由图可知，液体表面层分子所受合力不为零，而是受到一个受合力不为零，而是受到一个指向液体内部的拉力指向液体内部的拉力F。液体表面有自动收缩的趋势液体表面有自动收缩的趋势界面层分子有自发与外来分子界面层分子有自发与外来分子发生化学或物理结合的趋势。发生化学或物理结合的趋势。导致导致比表面积：单位体积或单位质量的物质所具有的表面积。体积比表面体积比表面VAAsVdef质量比表面质量比表面mA

3、AsmdefA As s、V V、m m- -分别为物质的总表面积、体积和质量。分别为物质的总表面积、体积和质量。1cm1cm3 3立方体分散为小立方体时体积表面的变化立方体分散为小立方体时体积表面的变化立方体边长l/m粒子数总表面积As/m2体积表面AVm-110-21610-4610210-3103610-3610310-4106610-2610410-5109610-1610510-610126100610610-710156101610710-810186102610810-9102161036109 微小颗粒具有巨大比表面积，往往产生明显的界面效应，必须微小颗粒具有巨大比表面积，往往

4、产生明显的界面效应，必须 充分考虑界面性质对系统的影响。充分考虑界面性质对系统的影响。3.1.1 界面现象与复合材料界面界面现象与复合材料界面 表面吸附作用与润湿表面吸附作用与润湿扩散与粘结（含界面互穿网络结构）扩散与粘结（含界面互穿网络结构）界面上分子间相互作用力（范氏力和化学键）界面上分子间相互作用力（范氏力和化学键）3.1.1 界面现象与复合材料界面界面现象与复合材料界面 复合材料系统中存在大量界面复合材料系统中存在大量界面分分 散散 相相连连 续续 相相金属金属无机非金属无机非金属高分子材料高分子材料金属金属金属纤维金属纤维(丝丝)纤维金属纤维金属钢丝钢丝/水泥水泥 增强橡胶增强橡胶金

5、属晶须金属晶须晶须晶须/金属金属晶须晶须/陶瓷基陶瓷基 金属片材金属片材 金属金属/塑料板塑料板无无机机非非金金属属陶陶瓷瓷纤维纤维纤维纤维/金属金属纤维纤维/陶瓷陶瓷 晶须晶须晶须晶须/金属金属晶须晶须/陶瓷陶瓷 颗粒颗粒弥散强化合金弥散强化合金 粒子填充塑料粒子填充塑料玻玻璃璃纤维纤维 纤维纤维/树脂树脂粒子粒子 碳碳纤维纤维碳纤维碳纤维/金属金属纤维纤维/陶瓷陶瓷纤维纤维/树脂树脂炭黑炭黑 颗粒颗粒/橡胶或树脂橡胶或树脂有机有机高分高分子子有机纤维有机纤维 纤维纤维/树脂树脂塑料塑料金属金属/塑料塑料 橡胶橡胶 3.1.1 界面现象与复合材料界面界面现象与复合材料界面 复合材料中存在大量

6、界面。玻璃钢复合材料中存在大量界面。玻璃钢1cm1cm3 3 ，如纤维直径，如纤维直径为为9 9微米，纤维微米，纤维5050，界面，界面2000cm2000cm3 3界面是基体和增强材料的结合处，是一个过渡区域，界面是基体和增强材料的结合处，是一个过渡区域，厚度为几个厚度为几个nmnm到几百个到几百个nmnm。其结构与性能不同于组分材。其结构与性能不同于组分材料。料。界面作用：连接基体和增强材料，传递载荷，阻止裂界面作用：连接基体和增强材料，传递载荷，阻止裂纹扩展，或耗散和吸收外界能量。纹扩展，或耗散和吸收外界能量。界面所占的面积比例很大，界面所占的面积比例很大， 其性质、结构形态对复合材料其

7、性质、结构形态对复合材料性能影响很大。性能影响很大。3.1.1 界面现象与复合材料界面界面现象与复合材料界面 复合材料强度与界面层厚度的关系复合材料强度与界面层厚度的关系3.1.1 界面现象与复合材料界面界面现象与复合材料界面 复合材料界面层的特点复合材料界面层的特点: :有一定厚度；性能在厚度方向有一定厚度；性能在厚度方向上有一定的梯度变化；随环境条件而变。上有一定的梯度变化；随环境条件而变。未处理增强体的界面未处理增强体的界面偶联剂处理后的界面偶联剂处理后的界面3.1.1界面现象与复合材料界面界面现象与复合材料界面 碳纤维碳纤维SEM3.1.1界面现象与复合材料界面界面现象与复合材料界面

8、界面层的性质取决于两相表面的性质，两相界面结构和形态。界面层的性质取决于两相表面的性质，两相界面结构和形态。如碳纤维与树脂基体组成的界面有较明显的界面层（图如碳纤维与树脂基体组成的界面有较明显的界面层（图1 1）和）和（图（图2 2）。）。 表面经氧等表面经氧等离子离子处理并聚合处理并聚合增韧的一增韧的一根根S-I碳纤维碳纤维与与BS-1环氧环氧基体的界面基体的界面 T300/648界面分离界面分离的横断面的横断面 3.1.1界面现象与复合材料界面界面现象与复合材料界面 PMCPMC界面区域界面区域(interface zone of PMC)(interface zone of PMC)示意

9、图示意图1-1-外力场；外力场；2-2-树脂基体；树脂基体；3-3-基体表面区；基体表面区；4-4-相互渗透区；相互渗透区；5-5-增强剂表面区；增强剂表面区；6-6-增强剂增强剂3.1.2复合材料界面效应的分类复合材料界面效应的分类 阻断效应阻断效应不连续效应不连续效应散射和吸收效应散射和吸收效应感应效应感应效应界面结晶效应界面结晶效应 界面化学效应界面化学效应3.1.2复合材料界面效应的分类复合材料界面效应的分类阻断效应：阻断效应：阻止裂纹扩展和材料破坏，减缓应用力集中阻止裂纹扩展和材料破坏，减缓应用力集中；不连续效应：不连续效应：界面上物理性质的不连续和界面摩擦出现界面上物理性质的不连续

10、和界面摩擦出现的现象，如电阻、介电、磁性、耐热性、尺寸稳定性等；的现象，如电阻、介电、磁性、耐热性、尺寸稳定性等；散射和吸收效应：散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波等在界面产生光波、声波、热弹性波等在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；热冲击性等；感应效应：感应效应：在界面上产生的感应效应，应变、内应力和在界面上产生的感应效应，应变、内应力和高弹性、低热膨胀性、耐冲击性和耐热性等。高弹性、低热膨胀性、耐冲击性和耐热性等。散射和吸收效应散射和吸收效应3.1.2复合材料界面效应的分类复合材料界面效应的分类M O

11、Si M O Si M O Si M O Si M O Si M O Si 无机介质偶联剂高聚物扩散界面层化学键连接界面 界面的剪切强度、化学热稳定性、界面层变形与能量吸收界面的剪切强度、化学热稳定性、界面层变形与能量吸收等，都明显影响到复合材料的物理等，都明显影响到复合材料的物理- -机械性能和化学稳定机械性能和化学稳定性。性。 复合材料的性能受界面的很大制约，界面影响着复合材料复合材料的性能受界面的很大制约，界面影响着复合材料中各组份性能的充分发挥。界面控制和界面设计，是复合中各组份性能的充分发挥。界面控制和界面设计，是复合材料研究的重要内容。材料研究的重要内容。复合材料的界面形成复合材料

12、的界面形成复合材料界面的研究对象复合材料界面的研究对象增强体表面的有关问题增强体表面的有关问题表面处理物质的有关问题表面处理物质的有关问题表面处理的最优化技术表面处理的最优化技术粉体材料在基体中的分散粉体材料在基体中的分散复合技术的优化及其机理复合技术的优化及其机理复合材料界面的研究对象复合材料界面的研究对象增强体表面的有关问题：增强体表面的有关问题：l 增强体表面的化学、物理结构与性能增强体表面的化学、物理结构与性能l 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性的影响面特性的影响l 增强体的表面持性与基体之间关系及两者间的相互作

13、用增强体的表面持性与基体之间关系及两者间的相互作用( (增强体未处理时增强体未处理时) )l 增强体与表面处理物质的界面作用增强体与表面处理物质的界面作用l 增强体表面特性与复合材料特性的相互关系增强体表面特性与复合材料特性的相互关系复合材料界面的研究对象复合材料界面的研究对象表面处理物质的有关问题：表面处理物质的有关问题： 最外层化学、物理结构及内层化学物理结构最外层化学、物理结构及内层化学物理结构 表面处理物质与基体之间的相互作用表面处理物质与基体之间的相互作用 表面处理物质对基体的影响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条件及处理剂层的特性 处理剂层随时间的变化处理剂层

14、随时间的变化 处理剂层与复合材料性能的相互关系处理剂层与复合材料性能的相互关系复合材料界面的研究对象复合材料界面的研究对象表面处理的最优化技术表面处理的最优化技术粉体材料在基体中的分散粉体材料在基体中的分散分散状态的评价分散状态的评价分散技术及机理分散技术及机理分散状态与复合材料性能分散状态与复合材料性能复合技术的优化及其机理复合技术的优化及其机理复合材料界面的研究对象复合材料界面的研究对象粘结剂粘接被粘物的破坏形式解析粘结剂粘接被粘物的破坏形式解析被粘物 A被粘物 B粘结剂 （a） 3.3.1 3.3.1 表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作

15、用3.3.2 3.3.2 粘附功和内聚功粘附功和内聚功3.3.3 3.3.3 润湿、润湿功、润湿热润湿、润湿功、润湿热3.3.4 3.3.4 接触角接触角3.3.5 3.3.5 固体界面的临界表面张力固体界面的临界表面张力3.3.6 3.3.6 界面的相容性与粘接界面的相容性与粘接3.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用3.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用物质表面分子与内部分子所处的状态不同。表面或界面层的分物质表面分子与内部分子所处的状态不同。表面或界面层的分子能量比内部分

16、子的高，内部分子移动不消耗功，而将内部分子能量比内部分子的高，内部分子移动不消耗功，而将内部分子迁移到表面时，需克服分子间力做功子迁移到表面时，需克服分子间力做功W W。-WldxWdAlA ，长度， 面积， 表面张力-表面分子作用于单位长度上的收缩力；或发生单位面积变化时，外力所做的功3.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面表面张张力力 将相内分子迁移到表面时，要反抗分子间的吸引力作功， 为表层分子作用于单位长度上的收缩力称为表面张力，单位是：Nm-1。Wld x 3.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表

17、面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力表面张力表面张力的方向：垂直于边界线指向表面中心表面张力的方向：垂直于边界线指向表面中心3.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力（表面张力（surface tensionsurface tension） 将含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。 由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用，可滑动的边会被向上拉，直至顶部。2 l3.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力（表面张力（surface tens

18、ionsurface tension） 如果在活动边框上挂一重物，使重物质量W2与边框质量W1所产生的重力F与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。 l 是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l，就是作用于单位边界上的表面张力。2Flg=2W3.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力（表面张力（surface tensionsurface tension）3.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力（表面张力（surface tensionsurfa

19、ce tension）在金属线框中间系一线圈，一起浸入在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。膜。由于以线圈为边界的两边表面张力大由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反，故线圈成任意形状小相等方向相反，故线圈成任意形状可在液膜上移动。可在液膜上移动。若刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力若刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张力立即将线圈绷成一消失，外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形，显出表面张力的存在。个圆形，显出表面张力的存在。3.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面

20、吸附作用表面张力表面张力/ /界面张力的影响因素界面张力的影响因素 分子间作用力分子间作用力 金属键物质金属键物质 离子键物质离子键物质 极性分子物质（水）极性分子物质（水） 弱极性物质（弱极性物质（丙酮）丙酮） 非极性物质（液氢、液氯）一般，非极性物质（液氢、液氯）一般，极性液体比非极性极性液体比非极性液体大，固体比液体大液体大，固体比液体大 物 质T103(Nm-1)C12(C2H5)2OH2ONaClLiClNa2SiO3(水玻璃)FeOA12O3AgCuPt-30252080361410001427208011001083 1773525.5626.4372.88113.8137.82

21、50582700878.5130018003.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力表面张力/ /界面张力的影响因素界面张力的影响因素 与接触相性质有关与接触相性质有关。与不同物质接触时，表面层分子受。与不同物质接触时，表面层分子受到的力场不同，致使表面张力不同。到的力场不同，致使表面张力不同。 /(N m-1)水水 -正庚烷正庚烷 0.0502 苯苯 0.0350 汞汞 0.4153.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力表面张力/ /界面张力的影响因素界面张力的影

22、响因素温度温度 大多数物质大多数物质随温度升高而降低；温度趋近于临界温度时随温度升高而降低；温度趋近于临界温度时，任何物质的，任何物质的皆趋近于零皆趋近于零 少数物质，如少数物质，如CdCd、CuCu及其合金，钢液及某些硅酸盐等液态及其合金，钢液及某些硅酸盐等液态物质的物质的随温度的升高而增加，此反常观象目前还没有一随温度的升高而增加，此反常观象目前还没有一致的解释致的解释 压力、分散度及运动情况对压力、分散度及运动情况对 也有影响也有影响3.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面功表面功因表面层分子受力情况与本体中不同，把分子从内部

23、移到界面，因表面层分子受力情况与本体中不同，把分子从内部移到界面，或增加表面积，就必须克服体系内部分子之间的作用力，对体或增加表面积，就必须克服体系内部分子之间的作用力，对体系做功。系做功。 恒温、恒压和恒组成时，使表面积增加dA所需要对体系作的功，称为表面功。用公式表示为： 式中 为比例系数，它在数值上等于当T，p 及组成恒定的条件下，增加单位表面积时对体系做的功W。W= dA3.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用比表面吉布斯自由能：比表面吉布斯自由能： 温度、压力和组成恒定时，可逆地增加单位表面积时体温度、压力和组成恒定时，可逆地

24、增加单位表面积时体系吉布斯自由能的增量。系吉布斯自由能的增量。 dG= dA3.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面自由能表面自由能恒温、恒压和恒组成时，由于表面变化，环境对体系所做功为恒温、恒压和恒组成时，由于表面变化，环境对体系所做功为W W，则体系表面自由能增加值，则体系表面自由能增加值可见，一定物质，粉碎程度越大，表面积越大，外界面对其所可见，一定物质，粉碎程度越大，表面积越大，外界面对其所作功越多，其表面自由能就越高。作功越多，其表面自由能就越高。比表面自由能：单位表面积的自由能。比表面自由能：单位表面积的自由能。dGdA

25、GW 3.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用比表面自由能与表面张力比表面自由能与表面张力从从“能能”和和“力力”的角度提出了两个概念的角度提出了两个概念一、两者量纲相同一、两者量纲相同22JNmNmmm比表面自由能比表面自由能量纲量纲表面张力表面张力量纲量纲二、两者数值相同二、两者数值相同肥皂膜保持张力平衡：肥皂膜保持张力平衡：2Fl（肥皂膜有两个表面）（肥皂膜有两个表面） 肥皂膜肥皂膜F3.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用界面张力与界面自由能界面张力与界面自由能两相之间的

26、界面层的张力称为两相之间的界面层的张力称为界面张力界面张力两相之间的界面层的自由能称为两相之间的界面层的自由能称为界面自由能。界面自由能。3.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面吸附作用表面吸附作用p 气体、蒸气以及溶液里的溶质被吸着在固体或液体表面气体、蒸气以及溶液里的溶质被吸着在固体或液体表面上的作用。上的作用。p 为放热过程。为放热过程。 固体表面的原子，由于受到不对称的力场的作用，通过固体表面的原子，由于受到不对称的力场的作用，通过吸附气体或液体分子，以减弱这种不对称的力场。氯化钙吸附气体或液体分子，以减弱这种不对称的力场。

27、氯化钙和硅胶用于吸潮，即是固体吸附气体的例子。和硅胶用于吸潮，即是固体吸附气体的例子。3.3.1表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面张力、表面功、比表面自由能、表面吸附作用表面吸附作用表面吸附作用 化学吸附和物理吸附的比较化学吸附和物理吸附的比较性性 质质 物理吸附物理吸附 化学吸附化学吸附 吸附作用力吸附作用力 范德华力范德华力 化学键力化学键力吸附热吸附热 小小大大吸附层数吸附层数 多分子层多分子层 单分子层单分子层 吸附选择性吸附选择性 无无 有有 吸附稳定性吸附稳定性 不稳定，易解吸不稳定，易解吸 较稳定，难解吸较稳定，难解吸 吸附速率吸附速率 快，不需活化能快，不需活化能

28、 慢，需活化能慢，需活化能吸附温度吸附温度 低低 高高3.3.2 粘附功和内聚功粘附功和内聚功 粘附功粘附功：将：将1c1c的的ABAB界面分离为界面分离为A A、B B两个面时所需的功，两个面时所需的功，表示为表示为W WABABA BABA BW是液体能否润湿固体的一种量度。粘附功越大，液体越能润是液体能否润湿固体的一种量度。粘附功越大，液体越能润湿固体，液湿固体，液- -固结合得越牢。固结合得越牢。3.3.2 粘附功和内聚功粘附功和内聚功 内聚功内聚功：将单一物质：将单一物质A A分离为分离为A A、B B两个面时所需的功，表示为两个面时所需的功，表示为W WAAAA2A AAW内聚功3

29、.3.3润湿（润湿（wetting）、润湿功、润湿热）、润湿功、润湿热液液- -固界面存在润湿过程固界面存在润湿过程 复合材料要求组分间牢固结合，具有足够强度，液体需复合材料要求组分间牢固结合，具有足够强度，液体需能润湿固体材料。能润湿固体材料。润湿与不润湿润湿与不润湿水滴到干净的玻璃板上，水能铺展开来；汞滴到玻璃板上，水滴到干净的玻璃板上，水能铺展开来；汞滴到玻璃板上，汞滴则呈小球状。汞滴则呈小球状。3.3.3润湿（润湿（wetting）、润湿功、润湿热）、润湿功、润湿热润湿的类型润湿的类型 润湿是润湿是液体从固体表面置换气体的过程液体从固体表面置换气体的过程。最常见的润湿。最常见的润湿现象

30、是一种液体从固体表面置换空气，如水在玻璃表面置现象是一种液体从固体表面置换空气，如水在玻璃表面置换空气而展开。换空气而展开。 1930年年Osterhof和和Bartell把润湿现象分成把润湿现象分成沾湿、浸湿沾湿、浸湿和铺展和铺展三种类型。三种类型。 3.3.3润湿（润湿（wetting）、润湿功、润湿热）、润湿功、润湿热润湿的类型润湿的类型 -沾湿沾湿 SvL沾湿过程沾湿过程沾湿引起体系自由能的变化沾湿引起体系自由能的变化为：为： 式中，式中，LV，SV和和SL分别为分别为单位面积固一液、固一气和单位面积固一液、固一气和液一气的界面自由能。液一气的界面自由能。 3.3.3润湿（润湿（wet

31、ting）、润湿功、润湿热）、润湿功、润湿热润湿的类型润湿的类型 -沾湿沾湿 沾湿实质是液体在固体表面上的粘附沾湿实质是液体在固体表面上的粘附，沾湿的粘，沾湿的粘附功附功Wa为为 可知可知SL越小，则越小，则Wa越大，液体越易沾湿固体。若越大，液体越易沾湿固体。若Wa0， 则（则（G）TP0，沾湿过程可自发进行。固，沾湿过程可自发进行。固一液界面张力总是小于它们各自的表面张力之和，一液界面张力总是小于它们各自的表面张力之和，这说明固一液接触时，其粘附功总是大于零。因此这说明固一液接触时，其粘附功总是大于零。因此，不，不管对什么液体和固体沾湿过程总是可自发进行管对什么液体和固体沾湿过程总是可自发

32、进行的的。3.3.3润湿（润湿（wetting）、润湿功、润湿热）、润湿功、润湿热润湿的类型润湿的类型 -浸湿浸湿 SVL浸湿功浸湿功 等温、等压条件下，将具有单位表面积的固体可逆地浸入液体中所作的最大功称为浸湿功，它是液体在固体表面取代气体能力的一种量度。 只有浸湿功大于或等于零，液体才能浸湿固体。在浸湿过程中，消失了单位面积的气、固表面，产生了单位面积的液、固界面，所以浸湿功等于该变化过程表面自由能变化值的负值。il sg-si()0WGW 能浸湿。3.3.3润湿（润湿（wetting）、润湿功、润湿热）、润湿功、润湿热润湿的类型润湿的类型 -浸湿浸湿 浸湿过程引起的体系自由能的变化为浸湿

33、过程引起的体系自由能的变化为 如果用浸湿功如果用浸湿功Wi来表示，来表示， 若若Wi0，则，则G0，过程可自发进行，过程可自发进行。浸湿与粘湿过程不同。浸湿与粘湿过程不同，不是所有液体和固体均可自发浸湿，不是所有液体和固体均可自发浸湿，而只有固体的表面而只有固体的表面自由能比固一液的界面自由能大时浸湿过程才能自发进行自由能比固一液的界面自由能大时浸湿过程才能自发进行。 SVSLGSLSViGW3.3.3润湿（润湿（wetting）、润湿功、润湿热）、润湿功、润湿热润湿的类型润湿的类型 -浸湿浸湿 浸润的热效应浸润的热效应u将洁净固体表面浸入液体，通常有热释出，即浸润热将洁净固体表面浸入液体，通

34、常有热释出，即浸润热q q浸润浸润，可表示为：，可表示为：q q浸润浸润=E=Es s- -E Eslslu浸润热可以用量热法测定。只要测定洁净固体或固体粉末浸润热可以用量热法测定。只要测定洁净固体或固体粉末浸入被研究的液体时放出的热量即可。浸入被研究的液体时放出的热量即可。u浸润热的大小与固体表面的物理化学性能，即结构、极性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、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面现象有关。界面现象有关。3.3.3润湿（润湿（wetting）、润湿功、润湿热）、润湿功、润湿热润湿的类型润湿的类型

35、-铺展铺展 SVL液体在固体表面的铺展液体在固体表面的铺展置一液滴于一固体表面。恒温恒压置一液滴于一固体表面。恒温恒压下，若此液滴在固体表面上自动展下，若此液滴在固体表面上自动展开形成液膜，则称此过程为铺展润开形成液膜，则称此过程为铺展润湿。体系自由能的变化为：湿。体系自由能的变化为： SVLVSLG2iSVLVSLLVacWWWWcWc是液体的内聚功。是液体的内聚功。液体对固体的液体对固体的粘附功大于液体的内聚功，液体可粘附功大于液体的内聚功，液体可在固体表面自发展开在固体表面自发展开3.3.3润湿（润湿（wetting）、润湿功、润湿热）、润湿功、润湿热润湿的类型润湿的类型 -铺展铺展 注

36、意注意:上述条件均是指在上述条件均是指在无外力作用无外力作用下液体自动润湿固体下液体自动润湿固体表面的条件。有了这些热力学条件，可从理论上判断一表面的条件。有了这些热力学条件，可从理论上判断一个润湿过程是否能够自发进行。但实际上却远非那么容个润湿过程是否能够自发进行。但实际上却远非那么容易，上面所讨论的判断条件，均需固体的表面自由能和易，上面所讨论的判断条件，均需固体的表面自由能和固一液界面自由能，而这些参数目前尚无合适的测定方固一液界面自由能，而这些参数目前尚无合适的测定方法，因而定量地运用上面的判断条件是有困难的。法，因而定量地运用上面的判断条件是有困难的。3.3.4 接触角接触角(con

37、tact angle) 判断液体对固体的润湿能力。判断液体对固体的润湿能力。定义：在气、液、固三相交界点，气定义：在气、液、固三相交界点，气- -液通过液体内部与气液通过液体内部与气- -固界面张力之间的夹角，用固界面张力之间的夹角，用表示。表示。lsgANM s-l s-g l-g l 直观的看，直观的看，若若909090，液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面；，液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面；lsgANM s-l s-g l-g 3.3.4 接触角接触角(contact angle) YoungYoung公式：接触角与表面张力之间的关系公式：接触角与表面张力之间的关系lsgANM s-l s

38、-v l-v 润湿平衡时润湿平衡时llcos0cosslsvvvsvsl或3.3.4 接触角接触角(contact angle) 由Young公式得到：cossllvsv(1)svsl时，时，90，不，不润湿润湿；(2)lv(sv- sl)，090，润湿润湿；(3)sv- sl lv，0，铺展铺展。3.3.4 接触角接触角(contact angle) 接触角是可测的，有了接触角的数值，代入润湿过程判断条件式，即可得：接触角是可测的，有了接触角的数值，代入润湿过程判断条件式，即可得： 粘湿：粘湿： 浸湿：浸湿： 铺展：铺展： 0)cos1 (LVaGW01800Wa0cosLViGW0900W

39、i(cos1)LVWG 其中，其中，=0。根据上面三式，通过液体在固体表面上的接触角即可判断液体根据上面三式，通过液体在固体表面上的接触角即可判断液体对固体的润湿性能。对固体的润湿性能。3.3.4 接触角接触角(contact angle) 可以看出，对同一对液体和固体，在不同的润湿过程中，其可以看出，对同一对液体和固体，在不同的润湿过程中，其润湿条件是不同的。对于浸湿过程，润湿条件是不同的。对于浸湿过程，=90可作为润湿和可作为润湿和不润湿的界限；不润湿的界限；90，则不润湿。，则不润湿。在解决实际的润湿问题时，应首先分清它是哪一类型，然后在解决实际的润湿问题时，应首先分清它是哪一类型，然后

40、才可对其进行正确的判断。如下页图所示的润湿过程，从整才可对其进行正确的判断。如下页图所示的润湿过程，从整个过程看，它是一浸湿过程。但实际上它却经历了三个过程个过程看，它是一浸湿过程。但实际上它却经历了三个过程：（：（a）到（）到（b）为沾湿，（）为沾湿，（b）到（）到（c）为浸湿，（）为浸湿，（c）到（）到（d）为铺展。）为铺展。 3.3.4 接触角接触角(contact angle) SVLS固体进入液体过程固体进入液体过程沾湿沾湿铺展铺展浸湿浸湿3.3.4 接触角接触角(contact angle) 3.3.4 接触角接触角(contact angle) 例：水能润湿洁净玻璃，而水银则不能

41、。现将一根毛细玻璃管例：水能润湿洁净玻璃，而水银则不能。现将一根毛细玻璃管插入水中，管内液面将插入水中，管内液面将 上升上升 ；当毛细管插入水银时，管；当毛细管插入水银时，管内液面将内液面将 下降下降 。 3.3.4 接触角接触角(contact angle) 不均匀表面的接触角不均匀表面的接触角 材料实际面积材料实际面积A A真实真实与表观面积投影面积与表观面积投影面积A A投影投影之比，称为粗之比，称为粗糙度系数糙度系数R R，并有：，并有：A A真实真实=RA=RA投影投影 对于粗糙表面，可以表达为：对于粗糙表面，可以表达为：coscosR R= =RcosRcos真实真实 对于由两种各

42、占表面对于由两种各占表面 f f1 1和和f f2 2分数的小片组成的复合分数的小片组成的复合表表面面可得：可得：112212coslvsvsls vs lff1122coscoscoscff或：3.3.4 接触角接触角(contact angle) 接触角的滞后接触角的滞后 液体对固体表面的浸润中，前进和后退时表现的接触角是液体对固体表面的浸润中，前进和后退时表现的接触角是不一样的。通常较大的角为前进角不一样的。通常较大的角为前进角，较小的接触角称，较小的接触角称为后退角为后退角r r，两者的差值称为接触角的滞后效应。，两者的差值称为接触角的滞后效应。玻璃纤维在树脂中的浸润状态前进时的稳态平

43、衡时后退时的稳态水滴在玻璃表面的滴淌玻璃表面3.3.5固体界面的临界表面张力固体界面的临界表面张力 表面张力是固体表面的一个重要参数，是固体表面现象发生表面张力是固体表面的一个重要参数，是固体表面现象发生的依据。对于复合材料而言，牢固的界面结合是很重要的的依据。对于复合材料而言，牢固的界面结合是很重要的，与增强体，与增强体或功能体或功能体) )与基体间良好的浸润有关。与基体间良好的浸润有关。ZismanZisman等发现对于同系的液体，等发现对于同系的液体，coscos( (前进角）通常是前进角）通常是l的的单调函数：单调函数： a b a b 为常数，为常数， 为同系液体的表面张力，为同系液

44、体的表面张力， 为临界表面张为临界表面张力。临界表面张力为固体的特征值。力。临界表面张力为固体的特征值。热力学上，热力学上，增强体的表面张力必须大于液增强体的表面张力必须大于液- -固界面张力才能形固界面张力才能形成良好的浸润成良好的浸润。cos1llc a-b3.3.5固体界面的临界表面张力固体界面的临界表面张力外推法可测临界表面张力外推法可测临界表面张力c每一条直线外推至每一条直线外推至为零时得出一定为零时得出一定的的l l值值, , ZismanZisman将将其称为临界表面张其称为临界表面张力。力。 不同系列的液体外不同系列的液体外推所得的值大致相推所得的值大致相同，固此认为同，固此认

45、为c c是是指定固体的特征量指定固体的特征量各种同系液体在各种同系液体在TeflonTeflon上的接触角的上的接触角的ZismanZisman图图3.3.5固体界面的临界表面张力固体界面的临界表面张力液液-固间粘附功（固间粘附功（W） 粘附功：把单位粘附界面拉开所需的功。以拉开固粘附功：把单位粘附界面拉开所需的功。以拉开固-液界面液界面为例，当拉开固为例，当拉开固-液界面后，相当于消失了固液界面后，相当于消失了固-液界面，但与液界面，但与此同时又新增了固此同时又新增了固-气和液气和液-气两种界面，而这三种不同界面气两种界面，而这三种不同界面上都有着各自的表面（界面）能。上都有着各自的表面（界

46、面）能。衡量液固间的粘附程度衡量液固间的粘附程度。 3.3.5固体界面的临界表面张力固体界面的临界表面张力LSLVSVV粘附功和界面张力粘附功和界面张力 由下图可见，粘附功应等于新形由下图可见，粘附功应等于新形成表面的表面能成表面的表面能SV和和LV以及消失以及消失的固液界面的界面能的固液界面的界面能SL之差：之差： SLLVSVW 粘附功的大小，标志着固粘附功的大小，标志着固-液两相结液两相结合的牢固程度，粘附功越大，说明将合的牢固程度，粘附功越大，说明将液体从固体表面拉开，需要耗费的能液体从固体表面拉开，需要耗费的能量越大，即互相结合牢固；相反，粘量越大，即互相结合牢固；相反，粘附功越小，

47、则越易分离。附功越小，则越易分离。3.3.6 界面的相容性与粘接界面的相容性与粘接 相容性是根据混合时的相容性是根据混合时的G G来确定。来确定。G G0 0，相容；，相容；G G0 0不相容。不相容。G G用混合熵用混合熵S S和混合热和混合热H H来表达：来表达：GHT S H H越小，越小， S S正值越大，则正值越大，则G G越易为负值，相容性越好。越易为负值，相容性越好。对于多相高分子体系，对于多相高分子体系，S S的贡献非常小，的贡献非常小，H H越小，越小，G G也也就越小，相容性参数越接近，越能增加粘结力。就越小，相容性参数越接近，越能增加粘结力。3.3.6 界面的相容性与粘接

48、界面的相容性与粘接对于分子间由较强的极性键或氢键结合时，对于分子间由较强的极性键或氢键结合时，H一般小于一般小于或接近于零。而当分子间由较弱的分子力结合时，则或接近于零。而当分子间由较弱的分子力结合时，则H通常是正值并可用下式确定：通常是正值并可用下式确定： 式中式中Vm为系统的全体积；为系统的全体积；1、2分别为分别为1、2两成分的体积两成分的体积分率；分率；1、2分别是分别是1、2两成分的相溶性参数。上式表明两成分的相溶性参数。上式表明，当，当1=2时，时，H=0。 22121)(mVH3.3.6 界面的相容性与粘接界面的相容性与粘接粘附面的界面张力粘附面的界面张力SL界面张力的大小反映界

49、面的热力学稳定性。界面张力的大小反映界面的热力学稳定性。SL越小，粘越小，粘附界面越稳定，粘附力也越大。同时从式附界面越稳定，粘附力也越大。同时从式可见，可见，SL愈小则愈小则cos就大。粘附地方的剪断强度与就大。粘附地方的剪断强度与SL的的倒数成比例。倒数成比例。cossllvs v3.3.6 界面的相容性与粘接界面的相容性与粘接 综上所述，良好粘附的表面化学条件应是：综上所述，良好粘附的表面化学条件应是： 1）被粘附体的临界表面张力）被粘附体的临界表面张力C要大，以保证良好润湿。要大，以保证良好润湿。 2）粘附功要大，以保证牢固粘附。）粘附功要大，以保证牢固粘附。 3）粘附面的界面张力）粘

50、附面的界面张力SL要小，以保证粘附界面的热力学稳要小，以保证粘附界面的热力学稳定。定。 4）粘附剂与被粘附体间相溶性要好，以保证粘附界面的良）粘附剂与被粘附体间相溶性要好，以保证粘附界面的良好键合和保持强度。为此润湿热要低。好键合和保持强度。为此润湿热要低。3.4.1 浸润的速度过程浸润的速度过程 设设r r为被粘物被渗透的毛细管半径、为被粘物被渗透的毛细管半径、为液态粘结剂的为液态粘结剂的粘度、粘度、 为液体在为液体在t t时间内沿毛细管前进的距离，当施加压时间内沿毛细管前进的距离，当施加压力力P P较大时，则可由较大时，则可由PoiseuillePoiseuille式表示：式表示：224c

51、osP4lrrt 当液体自然渗透或压力很小时，可认为当液体自然渗透或压力很小时，可认为P P0 0，此时则，此时则有有RidealRideal-Washburn-Washburn式表示：式表示：24cos4lrt3.4.2 界面特性对复合粘接体系性能的影响界面特性对复合粘接体系性能的影响u 偶联剂处理时偶联剂官能团的特性作用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，在粘结剂复合固化过程中，可以引起偶联剂官能团的特性，在粘结剂复合固化过程中，可以引起体系固化速度的改变。体系固化速度的改变。不同硅烷偶联剂对环氧固化体系热效应的影响不同硅烷偶联剂对环氧固化体系热效应的影响硅烷的有机官能团硅烷的有机官能团固化剂固化剂Z/Z/T(T() )氨乙基哌嗪固化剂氨乙基哌嗪固化剂T(T() )未处理未处理胺基胺基二