第四章 復合材料的界面

1、 第四章 復合材料的界面interface of composites 界面是復合材料的三要素之一，其存在和作用對復合材料的性質(zhì)極為重要。特別對于纖維增強復合材料來說，沒有一個有機結(jié)合的界面，纖維增強作用和基體應力轉(zhuǎn)移過程就無從談起。 復合材料的界面復合材料的界面(interface of composites)4.1 概述 1. 基本概念基本概念 復合材料的界面是指基體與增強物之間化學成分有顯著變化的，構(gòu)成彼此結(jié)合的能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。基本概念和界面現(xiàn)象基本概念和界面現(xiàn)象 基本概念：相、界面、表面、界面相（層）、表面張力、界面能基本概念：相、界面、表面、界面相（層）、表面張力、界面能

2、接觸角、粘附功接觸角、粘附功 界面現(xiàn)象界面現(xiàn)象： 表面吸附作用與浸潤表面吸附作用與浸潤 擴散與粘結(jié)（含界面互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)）擴散與粘結(jié)（含界面互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)） 界面上分子間相互作用力（范氏力和化學鍵合力）界面上分子間相互作用力（范氏力和化學鍵合力）2. 界面區(qū)域界面區(qū)域 復合材料中的界面并不是一個單純的幾何面，而是一個多層結(jié)構(gòu)的過度區(qū)域，界面區(qū)是從與增強劑內(nèi)部性質(zhì)不同的某一點開始，直到與樹脂基體內(nèi)整體性質(zhì)相一致的點間的區(qū)域。此區(qū)域的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)都不同于兩相中的任一相. PMC界面區(qū)域界面區(qū)域(interface zone of PMC)示意圖示意圖1-外力場；外力場；2-樹脂基體；樹脂基體；3-基體表

3、面區(qū)；基體表面區(qū)；4-相互滲透區(qū)；相互滲透區(qū)；5-增強劑表面區(qū)；增強劑表面區(qū)；6-增強劑增強劑3.界面效應界面效應 界面是復合材料的特征，可將界面的機能歸納為以下幾種效應。 傳遞效應傳遞效應 界面能傳遞力，即將外力傳遞給增強物，起到基體和增強物之間的橋梁作用。3.界面效應界面效應 阻斷效應阻斷效應 結(jié)合適當?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴展、中斷材料破壞、減緩應力集中的作用。裂紋剝離機理 裂紋到達纖維表面之前，界面受到張應力而發(fā)生剝離。稱之為Cook-Goedon機理。該機理是指裂紋尖端存在的張應力使界面脫粘和剝離，而裂紋到達這一部分時會發(fā)生鈍化 裂紋向界面接近 主裂紋尖端的界面剝離 主裂紋與剝離界面的合體

4、 3.界面效應界面效應 不連續(xù)效應不連續(xù)效應 在界面產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應性、磁性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等。3.界面效應界面效應 散射和吸收效應散射和吸收效應 光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機械沖擊及耐熱沖擊性等。3.界面效應界面效應 誘導效應誘導效應 一種物質(zhì)（通常是增強物）的表面結(jié)構(gòu)使另一種（通常是聚合物基體）與之接觸的物質(zhì)結(jié)構(gòu)由于誘導作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強的彈性、低的膨脹性、耐沖擊性和耐熱性等。3.界面效應界面效應 基體和增強物通過界面結(jié)合在一起，構(gòu)成復合材料整體，界面結(jié)合的狀態(tài)和強度無

5、疑對復合材料的性能有重要影響，因此各種復合材料都要求有合適的界面結(jié)合強度。 由于復合材料界面的結(jié)構(gòu)復雜，作用機理多樣，成型加工方法各異, 加之界面層所占整體材料的比例甚微，故在描述上存在許多問題，實際測量和定量描述就更為困難。3.界面效應4.2 聚合物基復合材料的界面聚合物基復合材料的界面界面的形成界面的形成 (formation of the interface of composites) 聚合物基復合材料的界面形成通?？煞譃閮蓚€階段。 第一個階段是基體與增強材料的接觸與浸潤過程。 界面形成界面形成 第二階段是聚合物的固化過程。l固化過程中聚合物通過物理的變化或化學變化(如交聯(lián))，使基體固

6、化，形成固定的界面層。l固化階段受第一階段的影響，并決定最終形成界面層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。 1.界面形成界面形成(formation of the interface of composites) 溫度作用溫度作用的固化過程會使與纖維表面接觸的部分首先固化，并逐漸向基體內(nèi)發(fā)展。 靠近纖維界面層處的基體密度較大，遠離界面的基體密度較低，而且易于導致纖維邊界為起點向四周輻射的結(jié)構(gòu)。1.界面形成界面形成(formation of the interface of composites)l以固化劑作用固化劑作用的固化過程，聚合物樹脂則是借助于固化劑和本身的官能團的反應來完成固化的。l固化劑就成為固化反應的中

7、心。固化由此中心向四周擴展，形成中心密度大，外圍密度小的非均勻固化結(jié)構(gòu)。密度大的部分稱為膠束或膠粒，密度小的稱為膠絮。 2. 界面作用機理(The Interface Theories)l每一理論只能部分解釋某些現(xiàn)象或某些結(jié)果。都有一定每一理論只能部分解釋某些現(xiàn)象或某些結(jié)果。都有一定局限性。局限性。l實際的界面現(xiàn)象復雜的多，需多方面、多角度加以分析。實際的界面現(xiàn)象復雜的多，需多方面、多角度加以分析。l迄今，未能建立一個統(tǒng)一的界面響應理論模型。迄今，未能建立一個統(tǒng)一的界面響應理論模型。2. 界面作用機理 (The Interface Theories)(1) 界面浸潤理論 1963年Zisman首先提出這個理論. 其主要論點是填充劑被液體樹脂良好浸潤是極其重要的.2. 界面作用機理 (The Interface T