重点掌握树脂基复合材料界面的破坏机理.pptx

4、复合体系的界面结合特性本章要点：1、掌握复合材料界面的形成过程；2、掌握树脂基复合材料的润湿理论、化学键理论、优先吸附理论、防水层理论，了解可逆水解理论和摩擦理论；3、重点掌握树脂基复合材料界面的破坏机理；4、重点掌握复合材料界面的优化设计；5、掌握界面分析技术。4、复合体系的界面结合特性本章将介绍复合材料的结合特性。4.1复合材料界面形成过程复合材料中，增强体与基体间最终界面的获得，一般分为两个阶段：1、基体与增强体在一种组分为液态（或粘流态）时发生接触或润湿的过程，或是两种组分在一定条件下均呈液态（或粘流态）的分散、接触及润湿过程；也可以是两种固态组分在分散情况下以一定的条件发生物理及化学变化形成结合并看作为一种特殊润湿过程。这种润湿过程是增强体与基体形成紧密的接触而导致界面良好结合的必要条件。2、液态（粘流态）组分的固化过程。要形成复合材料增强体与基体间稳定的界面结合，不论是何种材料（金属、非金属、聚合物）均必须通过物理或化学的固化过程（凝固或化学反应固化）。这两个过程往往是连续的，有时几乎是同时进行的，对于在固态下制备的非金属基或金属基复合材料，往往难以区分这两个过程。4.2树脂基复合材料的界面结构及界面理论4.2.1树脂基复合材料的界面结构热固性树脂基体的固化反应是如何进行的？4.2.2树脂基复合材料的界面结合理论4.2.2.1润湿理论指出：要使树脂对增强体紧密接触，就必须使树脂对增强体表面很好地浸润。前提条件：液态树脂的表面张力必须低于增强体的临界表面张力。结合方式：属于机械结合与润湿吸附。优点：解释了增强体表面粗化、表面积增加有利于提高与基体树脂界面结合力的事实。不足：a、不能解释施用偶联剂后使树脂基复合材料界面粘结强度提高的现象。b、证明偶联剂在玻璃纤维/树脂界面上的偶联效果一定有部分（或者是主要的）不是由界面的物理吸附所提供，而是存在着更为本质的因素在起作用。4.2.2.2化学键理论认为：基体树脂表面的活性官能团与增强体表面的官能团能起化学反应。因此树脂基体与增强体之间形成化学键的结合，界面的结合力是主价键力的作用。偶联剂正是实现这种化学键结合的架桥剂。成功之处：在偶联剂应用于玻璃纤维复合材料中得到很好应用，也被界面研究的实验所证实。偶联剂在界面所起的作用：用Br2破坏偶联剂双键，制品强度下降。局限性：a、聚合物不具备活性基团；b、不具备与树脂反应的基团。总结：对于复合体系的界面现象和结构的解释，不能单纯以一种化学偶联或单纯以一种物理化学现象来解释。若润湿理论和化学键理论都存在时，认为化学偶联作用应是主要的，然后提高浸润性，则效果最佳。4.2.2.3优先吸附理论提出背景：解释化学键不能解释的现象。当玻璃纤维被偶联剂覆盖后，偶联剂对树脂中的某些组分“优先吸附”，这样，改变了树脂对玻璃表面的浸润性。认为：界面上可能发生增强体表面优先吸附树脂中的某些组分，这些组分与树脂有良好的相容性，可以大大改善树脂对增强体的浸润；同时，由于优先吸附作用，在界面上可以形成所谓的“柔性层”，此“柔性层”极可能是一种欠固化的树脂层，它是“可塑的”，可以起到松弛界面上应力集中的作用，故可以防止界面粘脱。4.2.2.4防水层理论提出背景：解释玻纤经偶联剂处理后，湿态强度大大改善的现象。认为：清洁的玻璃表面是亲水的，而经偶联剂处理并覆盖的表面变成疏水表面，该表面可以防止水的侵蚀，从而改善复合材料湿态强度。不足：理论与实际有出入。4.2.2.5可逆水解理论亦称为可形变层理论、减轻界面局部应力理论。认为：在玻璃纤维增强的复合材料中，偶联剂不是阻止水分进入界面，而是当有水存在时，偶联剂与水在玻璃表面上竞争结合。1、产生排斥作用；4.2.2.6摩擦理论认为：树脂与增强体之间的粘结完全基于摩擦作用，增强体与树脂之间的摩擦系数决定了复合材料的强度。偶联剂的重要作用在于增加了树脂基体与增强体之间的摩擦系数。作业：15、简述复合材料界面的形成过程。16、解释润湿理论所包含的内容，并指出其成功之处与不足之处。17、解释化学键理论与优先吸附理论，并指出其成功之处与不足之处。4.3非树脂基复合材料的基体及界面结构4.3.1晶态非树脂基基体的结构特性对金属基及无机非金属基复合材料，界面往往是指增强体与基体接触区间中化学成分有显著变化、彼此构成结合、能传递载荷作用的区域。4.3.1.1晶格的周期性图4.3晶胞结构4.3.1.2周期性图4.4晶体的晶面4.3.1.3对称性和方向性4.3.1.4晶体的结合力晶体材料是靠晶体的结合力使晶粒相互凝聚在一起而形成整体的。这种晶体结合力有离子结合、共价结合、金属结合和范德华结合。4.3.1.5晶面角守恒特性、各向异性与解理面4.3.1.6固体的熔点在恒压下对晶体加热时，晶体温度升高但状态不变，到达熔点温度时，晶体温度保持不变