《聚合物基復(fù)合材料界面》PPT課件

1、1第4章 聚合物基復(fù)合材料的界面 2 聚合物基復(fù)合材料是由纖維和基體結(jié)合為一個(gè)整體，使復(fù)合材料具備了原組成材料所沒有的性能，并且由于界面的存在，纖維和基體所發(fā)揮的作用，是各自獨(dú)立而又相互依存的。 界面是復(fù)合材料組成的重要組成部分，它的結(jié)構(gòu)與性能，以及粘合強(qiáng)度等因素，直接關(guān)系到復(fù)合材料的性能。所以，復(fù)合材料界面問題的研究有著十分重要的意義。界面研究的意義：3主要內(nèi)容4.1界面的基本概念4.2 界面的形成與作用機(jī)理4.3界面的破壞機(jī)理4.4纖維的表面處理4 了解界面結(jié)構(gòu)對(duì)材料整體性能的影響，必須先表征界面相的化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)，厚度和形貌，粘接強(qiáng)度和殘余應(yīng)力等，從而可以尋找它們與復(fù)合材料性能之間的關(guān)系

2、。 5什么是復(fù)合材料的界面？4.1 界面的基本概念6 許多復(fù)合材料的纖維與基體的粘接性差，為了改善兩者的粘結(jié)性，在兩相的界面上加入一些改性劑，如偶聯(lián)劑等，這樣在纖維、基體之間的界面上，形成一種新的界面，該界面層的結(jié)構(gòu)與性能已不同于原來的兩相界面。7我們所說的界面，并非是一個(gè)沒有厚度的理想幾何面。實(shí)驗(yàn)已證明，兩相交接的區(qū)域是一個(gè)具有相當(dāng)厚度的界面層,即中間相。 PMC界面區(qū)域(interface zone of PMC)示意圖1-外力場；2-樹脂基體；3-基體表面區(qū)；4-相互滲透區(qū)；5-增強(qiáng)劑表面區(qū)；6-增強(qiáng)劑8復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)：i) 非單分子層，其組成、結(jié)構(gòu)形態(tài)、形貌十分復(fù)雜、形式多

3、樣界面區(qū)至少包括： 基體表面層、增強(qiáng)體表面層、基體/增強(qiáng)體界面層三個(gè)部分。 ii )具有一定厚度的界面相（層），其組成、結(jié)構(gòu)、 性能隨厚度方向變化而變化。 iii)界面的比表面積或界面相的體積分?jǐn)?shù)很大（尤其是納米復(fù)合材料）界面效應(yīng)顯著：復(fù)合材料復(fù)合效應(yīng)產(chǎn)生的根源。 iv)界面缺陷形式多樣（包括殘余應(yīng)力）對(duì)復(fù)合材料性能影響十分敏感。9界面效應(yīng)： 物理效應(yīng)，引起各組分之間互相浸潤、擴(kuò)散、相容性、界面自由能結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互穿的變化； 化學(xué)效應(yīng)：導(dǎo)致界面上的化學(xué)反應(yīng)，形成新的界面層結(jié)構(gòu)； 力學(xué)效應(yīng)：引起界面上的應(yīng)力分布。10 界面在復(fù)合材料中的作用是不可忽視的。因此，界面規(guī)律的研究是復(fù)合材料的基礎(chǔ)理論之一。

4、114.2 界面的形成與作用機(jī)理4.2.1 界面的形成 復(fù)合材料體系對(duì)界面要求各不相同，它們的成型加工方法與工藝差別很大，各有特點(diǎn)，使復(fù)合材料界面形成過程十分復(fù)雜，理論上可分為兩個(gè)階段。 （接觸吸附與浸潤交互擴(kuò)散化學(xué)結(jié)合或物理結(jié)合）固化。 化學(xué)結(jié)合可看作是一種特殊的浸潤過程12 在復(fù)合材料的制備過程中，要求組分間能牢固地結(jié)合，并有足夠的強(qiáng)度。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必須要使材料在界面上形成能量最低結(jié)合，通常都存在一個(gè)液體對(duì)固體的相互浸潤。 第一階段： 增強(qiáng)體與基體在一組份為液態(tài)（或粘流態(tài)）時(shí)的接觸與浸潤過程。（界面形成與發(fā)展的關(guān)鍵階段）13 所謂浸潤，即是把不同的液滴放到不同的固體表面上，有時(shí)液滴會(huì)立即

5、鋪展開來，遮蓋固體的表面，這一現(xiàn)象稱為“浸潤”。 有時(shí)液滴仍團(tuán)聚成球狀，這一現(xiàn)象稱為“不浸潤”或“浸潤不好”。 液體對(duì)固體的浸潤能力，可以用浸潤角來表示 當(dāng)90時(shí)，稱為浸潤； 當(dāng)90時(shí)，稱為不浸潤； 當(dāng)=0及180時(shí)，則分別為完全浸潤和完全不浸潤。14 1805年Young提出平衡接觸角與固氣、固液和液氣界面自由能有下述關(guān)系： SA=SL+LA cos （4-1） 討論： 若SA SL,則cos 90 ,液體不能浸潤固體。當(dāng)180 時(shí)，表面完全不浸潤，液體呈球狀； 若LA SA- SL時(shí)，則1 cos 0, 90,液體能浸潤固體； 若LA SA- SL時(shí)，則cos 1, 0，這時(shí)液體完全浸潤固

6、體； 若LA SA- SL時(shí),則液體在固體表面完全浸潤（ 0 ）時(shí)仍未達(dá)到平衡而鋪展開來。15 從式（41）可知，改變研究體系的表面張力，就能改變接觸角，即改變系統(tǒng)的潤濕情況。固體表面的潤濕性能與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，改變固體的表面狀態(tài)，即改變其表面張力，就可以達(dá)到改變潤濕情況的目的，如對(duì)增強(qiáng)纖維進(jìn)行表面處理，就可改變纖維與基體材料間的潤濕情況16第二階段： 液態(tài)（或粘流態(tài)）組分的固化過程，即凝固或化學(xué)反應(yīng)。 固化階段受第一階段影響，同時(shí)它也直接決定著所形成的界面層的結(jié)構(gòu)。 以熱固性樹脂的固化過程為例，固化劑所在位置是固化反應(yīng)的中心，固化反應(yīng)從中心以輻射狀向四周擴(kuò)展，最后形成中心密度大、邊緣密度小的非均

7、勻固化結(jié)構(gòu)，密度大的部分稱做膠束或膠粒，密度小的稱做膠絮。 在依靠樹脂本身官能團(tuán)反應(yīng)的固化過程中也出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。17 后處理過程：固-固界面自身完善與平衡的過程 18界面的作用： 使纖維和基體形成一個(gè)整體，通過它傳遞應(yīng)力。如果纖維表面沒有應(yīng)力，而且全部表面都形成了界面，則界面區(qū)傳遞應(yīng)力是均勻的。實(shí)踐證明，應(yīng)力是通過基體與纖維間的粘合鍵傳遞的。若基體與纖維間的濕潤性不好，膠接面不完全，那么應(yīng)力的傳遞面積僅為纖維面積的一部分，所以為使復(fù)合材料內(nèi)部能均勻傳遞應(yīng)力，顯示出優(yōu)良的性能，要求復(fù)合材料的制備過程中形成一個(gè)完整的界面區(qū)。194.2.2 界面的作用機(jī)理 在組成復(fù)合材料的兩相中，一般總有一相以溶

8、液或熔融流動(dòng)狀態(tài)與另一固相相接觸，然后進(jìn)行固化反應(yīng)使兩相結(jié)合在一起，在這個(gè)過程中，兩相間的作用和機(jī)理一直是人們關(guān)心的問題，但至今尚不完全清楚。從已有的研究結(jié)果總結(jié)為以下幾種理論，包括：浸潤吸附理論 化學(xué)鍵理論 擴(kuò)散理論 電子靜電理論 機(jī)械聯(lián)結(jié)理論變形層理論優(yōu)先吸附理論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。實(shí)際的界面現(xiàn)象復(fù)雜的多，需多方面、多角度加以分析。迄今，未能建立一個(gè)統(tǒng)一的界面響應(yīng)理論模型。201）浸潤吸附理論 浸潤吸附理論認(rèn)為，高聚物的黏結(jié)作用可以分為兩個(gè)階段： 第一階段：高聚物大分子借助于宏觀布朗運(yùn)動(dòng)從溶液或熔融體中，移動(dòng)到被粘物表面；再通過微布朗運(yùn)動(dòng)，大分子鏈節(jié)逐漸

9、向被粘體表面的極性基體靠近。沒有溶劑時(shí)，大分子鏈節(jié)只能局部靠近表面，而在壓力作用下或加熱使黏度降低時(shí)，便可與表面靠得很近。 第二階段：發(fā)生吸附作用。當(dāng)被粘體與黏結(jié)劑分子間距0.5nm時(shí)，范德華力開始發(fā)生作用，從而形成偶極偶極鍵、偶極誘導(dǎo)偶極鍵、氫鍵等。 21 此理論認(rèn)為黏結(jié)力決定于次價(jià)鍵力，其根據(jù)是： 同一種黏結(jié)劑可黏接各種不同材料； 一般黏結(jié)劑與被粘體的惰性很大，它們之間發(fā)生化學(xué)作用可能性很小。 Bancroft指出，被粘體對(duì)粘結(jié)劑吸附越強(qiáng)烈，粘結(jié)強(qiáng)度越高。 浸潤性的觀點(diǎn)認(rèn)為：欲使基體能在纖維上鋪展，基體的表面張力必須要小于增強(qiáng)材料或經(jīng)過偶聯(lián)劑處理后的臨界表面張力。 雙酚A環(huán)氧樹脂的表面張力

10、為42.510-5 N/m,聚酯樹脂為3510-5 N/m, ，所以要求玻璃纖維的臨界表面張力對(duì)環(huán)氧樹脂至少是42.510-5 N/m以上, 對(duì)聚酯樹脂應(yīng)在3510-5 N/m以上；否則在界面上將會(huì)引起空隙。 22吸附理論的局限性： 實(shí)驗(yàn)表明，剝離高聚物薄膜時(shí)所需能量達(dá)104108 erg(10-7J)/cm2 ,這大大超過了克服分子間力所需的能量，這表明界面上不僅僅有分子間力的作用； 實(shí)驗(yàn)表明，黏接功取決于黏接層剝離的速率，但分子間力的強(qiáng)弱不應(yīng)取決于兩粘結(jié)表面的分離速率，所以粘接不是僅由分子間力決定的； 該理論是粘接劑與被粘接體的極性基團(tuán)的相互作用為基礎(chǔ)的，因此它不能解釋為什么非極性聚合物間

11、也會(huì)有粘接力。 232）化學(xué)鍵理論(在復(fù)合材料組分之間發(fā)生化學(xué)作用，在界面上形成共價(jià)鍵結(jié)合.)1949年提出化學(xué)鍵理論。 該理論的主要觀點(diǎn)是：偶聯(lián)劑分子應(yīng)至少含有兩種官能團(tuán)，第一種官能團(tuán)在理論上可與增強(qiáng)材料起化學(xué)反應(yīng)，第二種官能團(tuán)在理論上應(yīng)能參與樹脂的固化反應(yīng)，與樹脂分子鏈形成化學(xué)鍵結(jié)合，于是，偶聯(lián)劑分子像“橋”一樣，將增強(qiáng)材料與基體通過共價(jià)鍵牢固地連接在一起了。 例如，使用甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、乙基三氯硅烷和乙烯基烷氧基硅烷及二烯丙基烷氧基硅烷于不飽和聚酯/玻璃纖維體系中。結(jié)果表明含不飽和基硅烷的制品強(qiáng)度比飽和基的高出幾乎2倍，顯著地改善了樹脂/玻璃纖維兩相間的界面黏結(jié)。該理論對(duì)許多

12、未使用偶聯(lián)劑或雖然使用了偶聯(lián)劑但理論上不能形成化學(xué)鍵的復(fù)合體系，它是無能為力的。243）擴(kuò)散理論(在復(fù)合材料組分之間發(fā)生原子或分子間的擴(kuò)散或反應(yīng)，從而形成反應(yīng)結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合。) Barodkuu提出了高聚物高聚物粘結(jié)作用的擴(kuò)散理論，其觀點(diǎn)是：高聚物之間的粘結(jié)作用與其自粘作用（同種分子間的擴(kuò)散）一樣，也是高聚物分子鏈及鏈段的相互擴(kuò)散（不同種分子）引起的，由此而產(chǎn)生強(qiáng)大的粘接力。 該理論的出發(fā)點(diǎn)是基于高聚物的最根本特征：大分子鏈結(jié)構(gòu)及柔順性。 兩相高聚物分子的相互擴(kuò)散實(shí)際是相互溶解，相互溶解能力的大小由溶解度參數(shù)決定，溶解度參數(shù)越相近，二者越容易互溶。 偶聯(lián)劑的使用使這一理論在纖維復(fù)合材料領(lǐng)域中得

13、到應(yīng)用。近年來所提出的相互貫穿網(wǎng)絡(luò)理論實(shí)際上是化學(xué)鍵理論和擴(kuò)散理論在某種程度上的結(jié)合。254）電子靜電理論(當(dāng)復(fù)合材料不同組分表面帶有異性電荷時(shí)，將發(fā)生靜電吸引。) 根據(jù)：當(dāng)兩種電介質(zhì)相接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生接觸起電現(xiàn)象。另外，在一定條件下，當(dāng)從被粘物表面剝離粘接劑薄膜時(shí)，由于放電和發(fā)射電子而產(chǎn)生特殊聲響和發(fā)光現(xiàn)象。 靜電理論認(rèn)為：粘接劑被粘體可以看成一個(gè)電容器；二者各為一極板，相互接觸而使電容器充電，形成雙電層。 于是，粘接破壞就相當(dāng)于電容器被分開，粘接功就相當(dāng)于電容器分開時(shí)要抵抗的靜電引力。 局限性：不能圓滿解釋屬性相近的聚合物也能牢固粘接的事實(shí)，根據(jù)該理論，非極性聚合物之間是不能粘接的，但實(shí)際上

14、，這類粘接具有高的粘接強(qiáng)度。265）機(jī)械聯(lián)結(jié)理論 機(jī)械粘接理論認(rèn)為：粘接劑與被粘體的粘接存粹基于機(jī)械作用，首先液態(tài)粘接劑滲入被粘體的空隙內(nèi)，然后在一定條件下粘接劑凝固或固化而被機(jī)械地“鑲嵌”在孔隙中，于是便產(chǎn)生了猶如螺栓、釘子、鉤子那樣的機(jī)械結(jié)合力。 由此可見，機(jī)械結(jié)合力主要取決于材料的幾何因素。事實(shí)上，機(jī)械理論是與其他粘接理論的協(xié)同作用的理論，沒有一個(gè)粘接系統(tǒng)是只由機(jī)械作用而形成的。276）變形層理論 聚合物復(fù)合材料固化時(shí)，聚合物將產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，而且基體與纖維的熱膨脹系數(shù)相差較大，因此在固化過程中，纖維與基體界面上就會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，這種附加應(yīng)力會(huì)使界面破壞，導(dǎo)致復(fù)合材料的性能下降。 在外載荷

15、作用產(chǎn)生的應(yīng)力，在復(fù)合材料中的分布也是不均勻的。因?yàn)閺挠^察復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)可知，纖維與樹脂的界面不是平滑的，結(jié)果在界面上某些部位集中了比平均應(yīng)力高的應(yīng)力。這種應(yīng)力集中將首先使纖維與基體間的化學(xué)鍵斷裂，使復(fù)合材料內(nèi)部形成微裂紋，這樣也會(huì)使復(fù)合材料的性能下降。28 Hoper從層壓件的疲勞性能研究中發(fā)現(xiàn)，表面有一層偶聯(lián)劑涂層，疲勞性能得到了很大的改善。29 增強(qiáng)材料經(jīng)處理劑處理后，能減緩上述幾種應(yīng)力的作用，因此一些研究者對(duì)界面的形成及其作用提出了幾種理論。 一種理論認(rèn)為，處理劑在界面形成了一層塑性 層，它能松弛界面的應(yīng)力，減小界面應(yīng)力的作用，這種理論稱為“變形層理論”； 另一種理論認(rèn)為，處理劑是

16、界面的組成部分，這部分是介于高模量增強(qiáng)材料和低模量基體材料之間的中等模量物質(zhì)，能起到均勻傳遞應(yīng)力，從而減弱界面應(yīng)力的作用，這種理論稱為“抑制層理論”。 還有一種理論稱為“減弱界面局部應(yīng)力作用理論”，觀 點(diǎn)比較新，現(xiàn)在將這種理論介紹如下：30 該理論認(rèn)為：處于基體與增強(qiáng)材料界面間的處理劑，提供了一種具有“自愈能力”的化學(xué)鍵，這種化學(xué)鍵在外載荷作用下，處于不斷形成與斷裂的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。 低分子物（一種是水）的原來侵蝕，將使界面的化學(xué)鍵斷裂，在應(yīng)力作用下，處理劑能沿增強(qiáng)材料的表面滑移，滑移到新的位置后，已經(jīng)斷裂的鍵又能重新結(jié)成新的鍵，使基體與增強(qiáng)材料之間仍保持一定的粘結(jié)強(qiáng)度。這個(gè)變化過程的同時(shí)使應(yīng)力

17、松弛，從而減弱了界面上某些點(diǎn)的應(yīng)力集中，這種界面上化學(xué)鍵斷裂與再生的動(dòng)平衡，不僅阻止了水等低分子物的破壞作用，而且由于這些低分子物的存在，起到了松弛界面局部應(yīng)力的作用。31 這種理論的依據(jù)是：經(jīng)水解后的處理劑（硅醇）在接近覆蓋水膜的親水增強(qiáng)材料表面時(shí)，由于它也具有生成強(qiáng)力氫鍵的能力，所以具有足以同水爭奪與增強(qiáng)材料表面作用的機(jī)會(huì)，結(jié)果同增強(qiáng)材料的表面的羥基鍵合，這一過程存在著兩個(gè)可逆反應(yīng)。HOSiOHROH+OHMHHORHOSiOHOHHOH+MHORHOSiOHOM+OHHHHO32HOSiOHROH+OHMHHORHOSiOHOHHOH+MHORHOSiOHOM+OHH233偶聯(lián)劑的功能：

18、（a）有機(jī)硅烷水解形成硅醇；（b）硅醇的羥基與玻璃表面之間的氫鍵合；（c）結(jié)在玻璃表面的聚硅氧烷；（d）與聚合物 反應(yīng)的官能R基團(tuán)34 硅烷處理劑的R集團(tuán)與基體作用后，會(huì)生成兩種穩(wěn)定的膜：剛性膜和柔性膜，他們成了基體的一部分。 剛性膜如圖4-3：35 只要界面是剛性或可移動(dòng)的，在水的存在下，處理劑與增強(qiáng)材料表面生成的鍵水解后，生成的游離硅醇保留在界面上，最終能恢復(fù)原來的鍵，或與相鄰的增強(qiáng)材料表面上的基團(tuán)(活性點(diǎn))形成一個(gè)新鍵，所以處理劑與增強(qiáng)材料表面向化學(xué)鍵的形成與破壞是處于可逆的動(dòng)平衡狀態(tài)。只要處理劑與基體間形成的剛性硬膜保持完整性，那么在應(yīng)力的作用下，處理劑與增強(qiáng)材料間的化學(xué)鍵破壞后，在相

19、鄰的部位又會(huì)重新形成。這種動(dòng)態(tài)平衡的總的效果，使基體與增強(qiáng)材料間的教結(jié)保持完整而且起到了減弱應(yīng)力的作用，這一效果是在較大的范圍內(nèi)才能看到的。36 上述理論還可通過復(fù)合材料受酸、堿及水的作用后性能的對(duì)比得到證實(shí)。酸或堿都是硅氧鍵(-Si-O-）水解的有效催化劑，若基體通過處理劑與增強(qiáng)材料間形成的鍵(硅氧鍵-Si-O- ），是不能可逆變化的耐久的共價(jià)鍵，則復(fù)合材料的力學(xué)性能在酸或堿的作用下的降低，應(yīng)比在水中下降的快。但實(shí)驗(yàn)證明，用硅烷處理劑處理后的增強(qiáng)材料制成的復(fù)合材料，在pH分別為2、4、6、8及10的酸或堿液中煮沸24h后，其彎曲強(qiáng)度并沒有比經(jīng)水作用后的有異常的降低，可見處理劑與增強(qiáng)材料表面間

20、形成的鍵，是能夠可逆變化的共價(jià)鍵。37柔性膜 上述理論對(duì)聚合物生成柔性膜時(shí)不適用。因?yàn)榫酆衔锱c處理劑生成柔性膜，與增強(qiáng)材料間形成的鍵水解后會(huì)收縮，不能再生成新鍵，因而水會(huì)在增強(qiáng)材料表面漫開，使基體與增強(qiáng)材料間的動(dòng)結(jié)完全破壞。柔性膜與增強(qiáng)材料表面間的粘接如 圖4-4所示。387）優(yōu)先吸附理論 樹脂膠液中，各組分在玻璃纖維上的吸附能力各不相同，有先有后，纖維表面優(yōu)先吸附基體體系中的助劑，如胺類固化環(huán)氧樹脂時(shí)，纖維表面優(yōu)先吸附胺，使界面層基體內(nèi)分布為一梯度，最后導(dǎo)致界面層結(jié)構(gòu)與性能也具有梯度變化，這樣有利于消除應(yīng)力，改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。39 為了解釋界面粘合過程，提出了多種界面粘接理論，每一種理

21、論都有一定的事實(shí)根據(jù)，但又與另一些事實(shí)發(fā)生矛盾。各種理論只能說明界面粘合現(xiàn)象某一方面的問題，但不能說明現(xiàn)象的本質(zhì)和過程的全部。雖然理論有多種，但人們對(duì)粘合現(xiàn)象的了解仍很膚淺，尚未抓住本質(zhì)，為了深入揭示粘合現(xiàn)象的本質(zhì)，應(yīng)該對(duì)各種理論進(jìn)行綜合分析，取其精華，概況提煉成一個(gè)較為完整的理論，以便更好地解釋所有的界面粘接過程和機(jī)理。404.3.1 影響界面的粘合強(qiáng)度的因素1） 纖維表面晶體大小及比表面積 碳纖維表面晶體增大，碳纖維石墨化程度上升，模量增高，導(dǎo)致表面更光滑、更惰性，它與樹脂黏附性和反應(yīng)性變的更差，所以界面粘合強(qiáng)度下降。 4.3 界面的破壞機(jī)理 纖維的比表面積大、粘合的物理界面大、粘合強(qiáng)度高

22、。41但以上兩點(diǎn)并不絕對(duì)！ 因?yàn)椴煌睦w維以及不同的表面處理其孔徑分布和表面反應(yīng)基體及其濃度是各異的。同時(shí)，不同的基體體系相對(duì)分子質(zhì)量大小、黏度大小，它與表面反應(yīng)基團(tuán)的反應(yīng)能力也不一樣，所以，應(yīng)具體問題具體分析。422）浸潤性 界面的粘合強(qiáng)度隨浸潤性增加而增加。 如果完全浸潤，樹脂在界面上物理吸附所產(chǎn)生的粘合強(qiáng)度是很大的，但實(shí)際上由于纖維表面上吸附有氣體及其他污物，不能完全浸潤，故吸附的氣體及污物沒有被排擠走，留在界面成為空隙，使材料的空隙率上升，層剪強(qiáng)度下降；433）界面反應(yīng)性 界面粘合強(qiáng)度隨界面反應(yīng)性的增加而增大。 比如用硅烷偶聯(lián)劑改性玻璃纖維表面，復(fù)合材料性能得到改善。 因此，制備復(fù)合材

23、料時(shí)，要盡可能多地向界面引入反應(yīng)基團(tuán)，增加界面化學(xué)鍵合比例，這樣有利于提高復(fù)合材料性能。444）殘余應(yīng)力對(duì)界面粘合強(qiáng)度的影響 在復(fù)合材料未受外力時(shí)，界面上仍存在應(yīng)力或應(yīng)力分布，這就是“殘余應(yīng)力”。 殘余應(yīng)力來源： 增強(qiáng)相與基體相熱膨脹系數(shù)不匹配 成型過程中，由高溫-室溫化學(xué)和物理變化引起的各組元體積收縮的不同。復(fù)合材料熱應(yīng)力產(chǎn)生示意圖可示意熱應(yīng)力產(chǎn)生的過程：45 由于界面存在內(nèi)應(yīng)力，因此試件破壞所需的外力就相應(yīng)下降，那么粘合強(qiáng)度跟殘余應(yīng)力的關(guān)系？464.3.2界面破壞機(jī)理破壞機(jī)理： 復(fù)合材料的破壞機(jī)理要從纖維、基體及界面在載荷作用和介質(zhì)作用下的變化來進(jìn)行研究，其中，了解界面破壞的機(jī)理是很重要的

24、，因?yàn)槔w維和基體是通過界面構(gòu)成一個(gè)復(fù)合整體的。裂紋擴(kuò)展引起界面的破壞介質(zhì)引起界面的破壞47（1）破壞的來源基體內(nèi)、增強(qiáng)體內(nèi)和界面上均存在微裂紋、氣孔、內(nèi)應(yīng)力在力場或外界環(huán)境（如介質(zhì)、水）微裂紋和缺陷按本身的規(guī)律發(fā)展，并消散能量裂紋擴(kuò)展引起界面的破壞48 （2）破壞形式5種基本破壞形式i)基體斷裂ii) 纖維斷裂iii) 纖維脫粘iv)纖維拔出(摩擦功)v) 裂紋擴(kuò)展與偏轉(zhuǎn)5種形式綜合體現(xiàn)復(fù)合材料的破壞與失效復(fù)合材料的破壞機(jī)制則是上述5種基本破壞形式的組合與綜合體現(xiàn)的結(jié)果4950界面脫粘纖維斷裂51界面脫粘52 大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明水是通過擴(kuò)散過程而進(jìn)入界面，進(jìn)入的途徑有三條： 一是從樹脂的宏觀微

25、裂縫處進(jìn)入，這種宏觀微裂縫是樹脂固化過程中所產(chǎn)生的化學(xué)應(yīng)力和熱應(yīng)力引起的； 二是樹脂內(nèi)存在的雜質(zhì)，尤其是水溶性無機(jī)物雜質(zhì)，遇到水時(shí)，因滲透壓的作用形成高壓區(qū)，這些高壓區(qū)將產(chǎn)生微裂紋，水繼續(xù)沿微裂縫浸入； 三是通過工藝過程中在復(fù)合材料內(nèi)部形成的氣泡，這些氣泡在應(yīng)力作用下破壞，形成互相串通的通道，水很容易沿通道達(dá)到很深的部位。1）水的浸入4.3.3 水對(duì)復(fù)合材料及界面的破壞作用介質(zhì)引起界面的破壞53到達(dá)纖維 水分子的體積很小，極性又大，所以它很容易進(jìn)入界面。清潔的玻璃纖維表面吸附水的能力很強(qiáng)，并且纖維表面由于水分子間的作用力，可通過已吸附的水膜傳遞，所以玻璃纖維表面對(duì)水的吸附是多層吸附，形成較厚的

26、水膜(其厚度約為水分子直徑的100倍)。玻璃纖維表面對(duì)水的吸附過程異常迅速。在相對(duì)濕度為60 70條件下，只需2 3s即可完成吸附。 纖維越細(xì)時(shí)，比表面積越大，吸附的水越多。 被吸附在玻璃纖維表面的水異常牢固，加熱到110150時(shí)，只能排除l/2被吸附的水，加熱到150350時(shí)，也只能排除34被吸附的水。 54 玻璃纖維復(fù)合材料表面上吸附的水，浸入界面后，發(fā)生水與玻璃纖維及樹脂間的化學(xué)變化，引起界面粘接破壞，致使復(fù)合材料破壞。552）水對(duì)玻璃纖維表面的化學(xué)腐蝕作用 當(dāng)水進(jìn)入復(fù)合材料達(dá)到玻璃纖維表面時(shí)，使玻璃纖維表面的堿金屬溶于其中，水溶液變成堿性，加速了表面的腐蝕破壞，最后導(dǎo)致玻璃纖維的二氧化硅骨架的解體，纖維強(qiáng)度下降，復(fù)合材料性能減退。這種