第三章 复合材料的界面状态分析.ppt

1、复合材料的界面效应及界面的研究对象 表面及界面的化学基础 浸润动力学 增强体的表面特性及对复合材料界面结合的影响,第三章 复合材料的界面状态解析,3.1复合材料的界面效应及界面的研究对象,一、复合材料的界面效应,1、界面的类型,2、复合材料界面的特点,具有一定的厚度 性能在厚度方向上有一定的梯度变化 随环境条件变化而改变,3、复合材料的界面效应,分割效应 不连续效应 散射和吸收效应 感应效应,研究对象：界面设计和对界面的控制,二、复合材料界面的研究对象,复合材料的界面形成,粘结破坏模型,物质以气、固、液三种相态存在，三种相态相互接触可以产生五种界面：,称为固体表面,称为液体表面,3.2 表面及

2、界面的化学基础,一、表面张力、表面自由能（表面吉布斯函数）及比表面能,1、表面与界面,物质的分散度常用比表面积来表示。,比表面积,单位体积的物质所具有的表面积。（或者单位质量的物质所具有的表面积）,：,2、比表面积,表示物质的分散（或粉碎）程度。,注：对多孔性物质，其表面积应包括外表面积和孔洞的表面积（与外部相通的）。因此，在处理分散度很高的物质时，如不考虑其界面的特殊性，将会导致错误的结论。,物质表面层中的分子与本体中的分子二者所处的力场是不同的。以与饱和蒸汽相接触的液体表面分子与内部分子受力情况为例：,3、界面张力、表面自由能、比表面能,（1）界面张力、表面自由能、比表面能,注：若为一个面

3、则为,，引起液体表面收缩的单位长度上的力，,，称为表面张力。,单位为,若使图中液膜的面积增大dA，则需抵抗力F使金属丝向右移动dX距离而作非体积功：,表示使液体增加单位面积所需作的（非体积）功，,，称为比表面能。,单位为,由于恒T.p下，可逆非体积功等于吉布斯函变,等于系统增加单位面积时所增加的吉布斯函数，,故又称为表面吉布斯函数（表面自由能）。,表面张力与物质结构、性质有关 物质的表面张力与它相接触的另一相物质有关 表面张力随温度升高而下降,（2）影响表面张力大小的因素,二、表面吸附作用,1、吸附的定义,一种物质的原子或分子附着在另一物质表面上的现象（或物质在相的界面上，浓度发生自动变化的现

4、象）。,吸附剂：具有吸附能力的固体物质 吸附质：被吸附的物质,物理吸附与化学吸附的区别及特点：,2、吸附的分类及特征,将1cm2的AB界面分离为A、B两个界面时所做的功。,AB两表面的粘附功：,（2）内聚能, 粘附功越大，分开越难。,物质单位表面积上的能量,三、粘附功及浸润现象,1、粘附功与内聚能,（1）粘附功,当一液滴在固体表面上不完全展开时，在气、液、固三相会合点，液-固界面的水平线与气-液界面切线之间通过液体内部的夹角，称为接触角。,固体表面的润湿程度可以由液体分子对其表面的作用力大小来表征。,原来的固-气界面被新的固-液界面置换的过程。,2、润湿与接触角,（1）润湿,（2）接触角（）,

5、固体表面张力,力图把液体分子拉向左方，以覆,液-固界面张力,力图把液体分子拉向右方，以,液体表面张力,力图把液体分子拉向液体的切线,盖更多的气-固界面,缩小液-固界面,方向，以缩小气-液界面。,当三力平衡时，处于平衡态，则有，,即,杨氏方程,浸润功：,固-液界面的粘附功。,Dupre公式。,即,讨论：,讨论：,粗糙表面的粗糙程度用粗糙度系数R来表示,粗糙表面的表观接触角,材料理想平面对液体的接触角,四、不均匀表面的接触角,1、粗糙度,讨论：,2、复合表面,对于由两种各占表面,和,分数的小片组成的,复合表面有：,3、对于筛孔物质,为外表面分数，,为筛孔分数,由此可知，,为0，而,即为,故,五、接

6、触角的滞后,液体对固体的浸润随运动状态不同而不同，可以显示出不同的接触角数值。,水滴在玻璃表面的滴淌,前进接触角,较大的接触角,后退接触角,较小的接触角,接触角的滞后效应,玻璃纤维在液态树脂中的浸润状态,影响接触角滞后的因素：,污染,固体表面的粗糙度,表面的化学不均匀性,六、固体表面的临界表面张力Zisman关系式,Zisman关系式,时的,前进角,，是固体的特征量。,润湿热,固体的表面能,液-固界面能,七、浸润热效应,八、界面的相容性与粘接,越小，,正值越大，,越负，相容性愈好，,易于粘结。,越小，同时,越小（即分子量越大）的高分子，,相容性越差，反之越好。,3.3 浸润动力学,一、浸润的速

7、率过程,1、Poiseuille方程和Rideal-Washburn方程,当压力很大时,Poiseuille方程,液体自然渗透（P=0）时，,Rideal-Washburn方程,毛细浸润:当液体接触毛细管时，液体注入毛细管，这类浸润称为毛细浸润。,2、浸润速率表达式,（1）毛细浸润（浸渍浸润）,（2）浸润速率表达式,浸润功：,浸润前为,浸润后为,界面张力变化：,讨论：,上两式即为浸润张力、液体粘度的浸润表达式。,在加压出现滞后于平衡浸润和缺胶时，应同时考虑粘结的硬化过程，剥离力与接触时间的关系。福三尺实验为：,不同硅烷偶联剂对环氧固化剂热效应的影响,二、界面特性对复合粘结体系性能的影响,1、偶

8、联剂处理时偶联剂官能团的特性作用,钛酸酯偶联剂在增强体表面是线性的结合，硅烷偶联剂在增强体表面是刚性网络架结合，如图所示：,2、偶联剂分子结构及偶联剂结构的影响,剪切速率对不同偶联剂分子结构及偶联剂结构对粘结体系流变性能的影响。,复合材料中，增强体的表面特性是影响复合材料界面特性和材料总体特性的重要因素。,3.4 增强体的表面特性及对复合材料界 面结合的影响,一、增强体表面物理特性与界面结合,1、增强体表面物理特性的内容,（1）比表面积及多孔性,增强体的巨大比表面积是导致复合材料中巨大的界面存在并引起界面效应的根本所在。,表面光滑度不同，影响不同，比表面积大，利于粘结；光滑，利于树脂浸透，不利于粘结。,几种纤维增强体的物理特性,颗粒材料,极性基体极性增强体有较强的界面结合。有较强的界面结合强度及复合材料强度,增强体的表面均一性增强体表面的活性点分布的均一性。均一性好，表面处理剂分布均匀，复合材料的弱点减少。,结晶特性(结晶程度及分布)晶体越小，表面积愈大，对基体结合有利。,2、增强体表面的极性、均一性、结晶特性及表面能,结晶增强体表面能高，利于与基体形成较强的粘结面。（比表面积大，大，比表面能大）,填料的比表面能,活性填料与非活性填料：,基体的内聚能密度CED,二、增强体表面的化学特性与界面结合,1、玻璃纤维的表面化学组成、结构及反应性,（1）E-玻璃