Comp(界面理论3)ok

1、1第三章第三章 复合材料的界面理论和界面控制复合材料的界面理论和界面控制2 1 界面定义：界面定义： 复合材料中，两相（如复合材料中，两相（如纤维状增强体与基体）纤维状增强体与基体）之间某种材料之间某种材料特性特性出现不连续的区域。出现不连续的区域。 2 复合材料中的界面形貌：复合材料中的界面形貌： 复合材料界面不是理想的平面界面复合材料界面不是理想的平面界面, ,而是粗糙界而是粗糙界面。在粗糙界面下要尽量使纤维与基体间的界面面。在粗糙界面下要尽量使纤维与基体间的界面达到达到润湿状态，提高粘接性。润湿状态，提高粘接性。一一. . 复合材料的界面复合材料的界面33.1 润湿性润湿性 润湿性的定义

2、润湿性的定义: : 描述液体在固体表面上自动铺展的程度。描述液体在固体表面上自动铺展的程度。 润湿性的测量润湿性的测量: : 液滴试验模型；液滴试验模型； 接触角测定仪。接触角测定仪。 3 润湿与结合润湿与结合43.2 液滴试验模型液滴试验模型将将增强体增强体制成光滑平板，将制成光滑平板，将基体基体（如热（如热塑性高聚物）切割成立方体置于其上，用塑性高聚物）切割成立方体置于其上，用高频加热，随温度升高，熔化的基体材料高频加热，随温度升高，熔化的基体材料由立方形状逐渐变成圆球、椭圆球、半圆由立方形状逐渐变成圆球、椭圆球、半圆球直至铺展。球直至铺展。 （图）（图）5 润湿条件为：润湿条件为： 1s

3、 s+1v1vsv sv (3-1) ：表面能表面能（表面张力）（表面张力）； v v、l l、s s：分别分别表示表示气体、液体和固体。气体、液体和固体。 由上式可见，降低液由上式可见，降低液/ /固表面能固表面能( (1s1s) )、液、液/ /气表面能气表面能( (1v1v) )或增加固或增加固/ /气表面能气表面能( (svsv) )有助有助于润湿。于润湿。6 完全润湿时：完全润湿时：0（ 为润湿角）为润湿角）; ; 部分润湿时：部分润湿时： 090; 完全不润湿：完全不润湿：180。一般而言一般而言: :润湿性好，润湿角小润湿性好，润湿角小（ 90）；）；润湿性差，润湿角大润湿性差，

4、润湿角大（ 90）。）。73.3 3.3 接触角测定法接触角测定法采用集合平均方程来计算表面张力：采用集合平均方程来计算表面张力：2112111221/dsd/psp)()cos(）（：表示表面能；表示表面能；l l、s s：分别：分别表示表示液体和固体，液体和固体，d d 、p p：分别：分别表示表示表面张力的色散分量和极性分量。表面张力的色散分量和极性分量。 集合平均方程集合平均方程只适用于只适用于高能表面高能表面，一般采用，一般采用调和平均法调和平均法来测量表面张力。来测量表面张力。(3-2)8）（psppspdsddsd)cos(11111141）（psppspdsddsd)cos(2

5、2222241s sd d 、s sp p分别表示固体表面张力的色散分量和极性分分别表示固体表面张力的色散分量和极性分量，下标量，下标1 1和和2 2分别指测试液分别指测试液1 1和和2 2。 d d + +p p (3-5)ds 调和平均法是通过测试两种液体的接触角，来调和平均法是通过测试两种液体的接触角，来计算表面张力：计算表面张力：(3-3)(3-4)9 3.4 润湿性的改善条件润湿性的改善条件 纤维表面处理纤维表面处理 主要增大主要增大纤维纤维的表的表面能面能SVSV。电镀、化学镀、化学气相沉。电镀、化学镀、化学气相沉积积（CVD)等。等。 变更基体成分变更基体成分 对于金属基复合材料

6、，对于金属基复合材料，纯纯金属表面能高，难于润湿纤维。如进金属表面能高，难于润湿纤维。如进行合金化，降低金属表面能行合金化，降低金属表面能lsls10 改变温度改变温度 一般而言，温度升高可增一般而言，温度升高可增进润湿性，但要考虑温度升高会对材料带来进润湿性，但要考虑温度升高会对材料带来的损坏，氧化等。的损坏，氧化等。 增加液体压力增加液体压力 增加外压，有利于克增加外压，有利于克服或降低纤维间的毛细管压力，使液体容易服或降低纤维间的毛细管压力，使液体容易渗入纤维束。渗入纤维束。11 改变加工气氛改变加工气氛 由于由于1v1v、svsv随气体的性随气体的性质不同而变化，通过质不同而变化，通过

7、改变加工气氛可以控制固体改变加工气氛可以控制固体与液体之间的与液体之间的润湿润湿状况。状况。 例子：例子：如银表面不含氧的表面能为如银表面不含氧的表面能为1.2Jm-2，含含10%氧气时氧气时为为0.4Jm-2 。此时，此时，银很容易银很容易润湿用润湿用镍涂层镍涂层Al2O3的晶须。的晶须。123.5 复合材料中纤维与基体复合材料中纤维与基体 的界面相容性的界面相容性 3.5.1 物理相容性物理相容性 纤维与基体的纤维与基体的润湿性润湿性 液态基体要很好液态基体要很好地润湿地润湿纤维，以保证复合材料界面结合力纤维，以保证复合材料界面结合力强，充分发挥其传递载荷功能。强，充分发挥其传递载荷功能。

8、 热残余应力热残余应力 复合材料复合材料各各组份间的热组份间的热膨胀系数不同，会产生结构内应力，产生微膨胀系数不同，会产生结构内应力，产生微裂纹，使复合材料承载功能下降。裂纹，使复合材料承载功能下降。13常用纤维及基体的常用纤维及基体的热膨胀系数（热膨胀系数（1010-6-6/） SiC Al2O3 C(轴向轴向) B Si3N4 Al Mg Ti Ni46 8.3 -1 6.3 3.6 24.525.8 26 9.614.1 5.517.5143.5.2 化学相容性化学相容性这里包括两个方面：这里包括两个方面： 高温时，高温时，复合材料复合材料各各组分处于热力组分处于热力学平衡且两相反应动力

9、学十分缓慢。学平衡且两相反应动力学十分缓慢。 基材和增强材料的基材和增强材料的润湿性、粘接性。润湿性、粘接性。 基体材料的表面改性基体材料的表面改性: : 增强材料的表面改性增强材料的表面改性: :（下面章节讲）（下面章节讲）153.6 基体材料的表面改性基体材料的表面改性3.6.1 高聚物高聚物的表面改性的表面改性聚烷烃聚烷烃 通常用铬酸液、硫酸铵对通常用铬酸液、硫酸铵对PE、PP的表面进行的表面进行改性改性- -氧化处理，提高活性，有利于粘结。氧化处理，提高活性，有利于粘结。聚酯与聚醚聚酯与聚醚 通常用铬酸处理聚醚，烷基锆、胺和碱化处理通常用铬酸处理聚醚，烷基锆、胺和碱化处理聚酯。聚酯。16含氟高聚物含氟高聚物 通常用钠萘四氢呋喃溶液处理聚四氟乙烯、聚通常用钠萘四氢呋喃溶液处理聚四氟乙烯、聚三氟乙烯三氟乙烯等等，提高其提高其润湿性和粘结性润湿性和粘结性。橡胶橡胶 丁苯和丁腈橡胶丁苯和丁腈橡胶粘结性差，粘结性差，用甲醇擦洗用甲醇擦洗、金钢金钢砂打磨砂打磨其其表表面面，再用浓硫酸、氢氧化钠溶液浸泡，再用浓硫酸、氢氧化钠溶液浸泡、冲洗冲洗和和烘干。烘干。17高聚物高聚物表面表面其他其他改性方法改性方法光化学改性光化学改性 紫外光照射，改善其紫外光照射，改善其润湿性润湿性和粘结性。如和粘结性。如用用184nm