復(fù)合材料材料的界面理論

1、復(fù)合材料材料的界面理論第1頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二3.1 概述 在一個(gè)多相體系中，不同相之間存在界面。聚合物基復(fù)合材料一般是由增強(qiáng)纖維與基體樹脂兩相組成的，兩相之間存在著界面，通過界面使纖維與基體樹脂結(jié)合為一個(gè)整體，使復(fù)合材料具備了原組成樹脂所沒有的性能。第2頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二3.2 表面現(xiàn)象和表面張力1.表面現(xiàn)象：發(fā)生在界面上的現(xiàn)象。2.產(chǎn)生表面現(xiàn)象的原因：與物質(zhì)的表面能有關(guān)。 對(duì)顆粒粉碎作功所消耗的部分能量將轉(zhuǎn)變?yōu)閮?chǔ)藏在物質(zhì)表面中的能量稱為表面能。3.表面自由能（自由能）:反映物質(zhì)表面所具有的特殊性質(zhì)，是由于其表面層

2、分子所處狀態(tài)與其內(nèi)部分子所處狀態(tài)不同造成的。第3頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二3.3增強(qiáng)材料的表面性質(zhì)與處理表面性質(zhì) 表面性質(zhì):表面的物理特性、化學(xué)特性和表面自由能。表面性質(zhì)與材料的組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)。 1. 物理持性: 指材料的表面形態(tài)和比表面積。 2. 化學(xué)特性: 指材料表面化學(xué)組成和表面反應(yīng)活性。 增強(qiáng)材料表面的化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)，決定了增強(qiáng)材料表面自由能的大小、潤濕性及化學(xué)反應(yīng)活性。關(guān)系到增強(qiáng)材料是否需進(jìn)行表面處理，其表面是否容易與環(huán)境接觸物反應(yīng)(如與氧、水、有機(jī)物等反應(yīng))，表面與基體材料間是否能形成化學(xué)鍵。 增強(qiáng)纖維內(nèi)部的化學(xué)組成與其表面層的化學(xué)組成不完全相同。

3、第4頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二3. 表面自由能 增強(qiáng)材料與基體能夠粘接在一起的必要條件， （1）是基體與增強(qiáng)材料能緊密接觸， （2）是它們之間能潤濕，后者取決于它們的表面自由能， 即表面張力。 若一種液體能浸潤一種固體(即在固體表面完全鋪開)，則固體的表面張力要大于液體的表面張力。常用的極性基體材料的表面張力在3545達(dá)因厘米-1之間(如聚酯樹脂的表面張力為35達(dá)因厘米-1，雙酚A型環(huán)氧樹脂的表面張力為43達(dá)因厘米-1)，若要求這些基體材料能潤濕增強(qiáng)纖維，則要求增強(qiáng)纖維的表面張力大于45達(dá)因厘米-1。 硼纖維、碳化硅纖維、碳纖維等都有明顯的氧化表面，有利于形成具

4、有高表面自由能(表面張力)的表面。若其表面被污染，一般會(huì)降低其表面能，影響極性基體對(duì)它的濕潤。第5頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二4. 表面性質(zhì)與表面結(jié)構(gòu)的關(guān)系 增強(qiáng)材料的上述三種表面性質(zhì)除了與材料表面層化學(xué)組成有關(guān)外，還同增強(qiáng)材料的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)。 關(guān)于玻璃的結(jié)構(gòu)，有多種學(xué)說。主要是微晶結(jié)構(gòu)學(xué)說和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)說。按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)說的觀點(diǎn)，硅酸鹽玻璃是由一個(gè)三維空間的不規(guī)律的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。連續(xù)網(wǎng)絡(luò)又由許多多面體（如四面體）構(gòu)成。多面體的中心為電荷較多而半徑較小的陽離子所包圍。在玻璃內(nèi)部這些陽離子與周圍的陰離子間的相互作用力，是平衡的。 第6頁，共47頁，2022年，5月2

5、0日，13點(diǎn)20分，星期二增強(qiáng)材料的表面處理 1.碳纖維的表面處理 表面處理的作用：使復(fù)合材料不僅具有良好的界面粘接力、層間剪切強(qiáng)度，而且其界面的抗水性、斷裂韌性及尺寸穩(wěn)定性均有明顯的改進(jìn)。此外，通過碳纖維表面改性處理，還可制得具有某種特殊功能的復(fù)合材料。 1）氧化法 （1）氣相法(或干法):以空氣、氧氣、臭氧等氧化劑，采用等離子表面氧化或催化氧化法。 （2）液相法（或濕法）：有硝酸、次氯酸鈉加硫酸、重鉻酸鉀加硫酸、高錳酸鉀加硝酸鈉加硫酸氧化劑及電解氧化法等。第7頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二 2）涂層法 (1)有機(jī)聚合物涂層：樹脂涂層、接枝涂層、電沉積與電聚合等。

6、 (2)無機(jī)聚合物涂層：經(jīng)有機(jī)聚合物涂層后碳化、碳?xì)浠衔锘瘜W(xué)氣相沉積、碳化硅或氧化鐵涂層、生長晶須涂層等。 3）凈化法與溶液還原法、真空解吸法、在惰性氣體中熱處理法、氯化鐵等溶液還原法。 根據(jù)纖維和樹脂的結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料性能的不同，使用上述處理方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。第8頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二2.玻璃纖維的表面處理 為了在玻璃纖維抽絲和紡織工序中達(dá)到集束、潤滑和消除靜電吸附等目的，抽絲時(shí)，在單絲上涂了一層紡織型浸潤劑(石蠟乳劑)。 （1） 浸潤劑會(huì)影響復(fù)合材料性能（妨礙了纖維與基體材料的粘接），用前去除浸潤劑， （2）采用偶聯(lián)劑對(duì)纖維表面進(jìn)行處理。偶聯(lián)劑的分子結(jié)構(gòu)中

7、，一般都帶有兩種性質(zhì)不同的極性基團(tuán)，一種基團(tuán)與玻璃纖維結(jié)合，另一種基團(tuán)能與基體樹脂結(jié)合，從而使纖維和基體這兩類性質(zhì)差異很大的材料牢固地連接起來。第9頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二浸潤劑的作用： 1 原絲中的纖維不散亂而能相互粘附在一起； 2 防止纖維間的磨損； 3 原絲相互間不粘結(jié)在一起； 4 便于紡織加工。 常用的浸潤劑：石蠟乳劑（含石蠟、凡士林、硬脂酸）、聚醋酸乙烯酯。 紡織型 增強(qiáng)型注：用含石蠟乳劑的玻璃纖維及其制品，必須在浸膠前除去； 聚醋酸乙烯酯對(duì)玻璃鋼性能影響不大，可不必除去第10頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二 1）表面偶聯(lián)劑

8、的偶聯(lián)機(jī)理 (1)有機(jī)硅烷類偶聯(lián)劑的反應(yīng)機(jī)理 ()有機(jī)硅烷水解，生成硅醇。 ()玻璃纖維表面吸水，生成羥基。第11頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二 ()硅醇與吸水的玻璃纖維表面反應(yīng)，又分三步 第一步：硅酸與吸水的玻璃纖維表面生成氫鍵；第12頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二第二步：低溫干燥(水分蒸發(fā))，硅醇進(jìn)行醚化反應(yīng)；第三步：高溫干燥(水分蒸發(fā))，硅醇與吸水玻璃纖維間進(jìn)行醚化反應(yīng)；第13頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二 偶聯(lián)劑處理后纖維的性能： 1 有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑與玻璃纖維的表面結(jié)合起來了。 有機(jī)硅烷中的R基團(tuán)將與基

9、體樹脂反應(yīng)，改變了玻璃纖維表面原來的性質(zhì)，使之具有憎水而親基體樹脂的性質(zhì)。 2 X基團(tuán)：有機(jī)硅烷中的X基團(tuán)不同，將影響到偶聯(lián)劑水解和相互間聚合的速度，以及與玻璃纖維間的偶聯(lián)效果。目前采用較多的是X基團(tuán)為甲氧基或乙氧基的有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑。其水解速度比較緩慢，水解析出的甲醇和乙醇無腐蝕性，所生成的硅醇比較穩(wěn)定可在水介質(zhì)條件下同玻璃纖維表面進(jìn)行反應(yīng)。 3 有機(jī)硅烷所帶的另一個(gè)基團(tuán)R，將與基體樹脂反應(yīng)，不同的R基團(tuán)，適用于不同類型的樹脂。 第14頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二(2)有機(jī)絡(luò)合物類偶聯(lián)劑的偶聯(lián)機(jī)理 另一大類偶聯(lián)劑是有機(jī)絡(luò)合物。它們是有機(jī)酸與氯化鉻的絡(luò)合物。該類偶聯(lián)

10、劑在無水條件下結(jié)構(gòu)式為： 應(yīng)用較多的是甲基丙烯酸氯化鉻鹽；即“沃蘭”(Vo1an)，其結(jié)構(gòu)式為：第15頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二 沃蘭對(duì)玻璃纖維表面的處理機(jī)理如下： ()沃蘭水解第16頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二()玻璃纖維表面吸水，生成羥基。()沃蘭與吸水的玻璃纖維表面反應(yīng)可分兩步：第一步：沃蘭之間及沃蘭與玻璃纖維表面間形成氫鍵：第17頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二 第二步：干燥（脫水)，沃蘭之間及沃蘭與玻璃纖維表面間縮合醚化反應(yīng)； 沃蘭的R基團(tuán)(CH3-C=CH2)及CrOH(CrCl)將與基體樹脂反

11、應(yīng)。第18頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二2）表面偶聯(lián)劑的處理效果 改進(jìn)了纖維及其復(fù)合材料耐水、電絕緣及老化等性能，顯著地提高了玻璃纖維濕態(tài)性能。 玻璃纖維復(fù)合材料的各項(xiàng)性能均有改進(jìn)，表明偶聯(lián)劑既保護(hù)了玻璃纖維的表面，又增強(qiáng)了纖維與樹脂界面的粘結(jié)，防止了水分和其它有害介質(zhì)的浸蝕。 第19頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二3）常用的偶聯(lián)劑 (1)耐高溫型偶聯(lián)劑 如適用于聚苯并咪唑（PBI）和聚酰亞胺(PI)玻璃纖維復(fù)合材料的偶聯(lián)劑，是一類帶有苯環(huán)芳香族硅烷，這類偶聯(lián)劑都含有穩(wěn)定的苯環(huán)和能與樹脂反應(yīng)的官能團(tuán)。 (2)過氧化物型偶聯(lián)劑 既是偶聯(lián)劑又是

12、引發(fā)劑、增粘劑。加熱時(shí)，由于熱裂解而產(chǎn)生自由基，通過自由基反應(yīng)可以和有機(jī)物或無機(jī)物起化學(xué)鍵合作用。 除上述偶聯(lián)劑外，新型偶聯(lián)劑還有陽離子型、鈦酸酯型、鋁酸酯型和稀土類等。第20頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二3.4 聚合物基復(fù)合材料的界面 聚合物基復(fù)合材料界面的形成大體分為兩個(gè)階段： 1、基體與增強(qiáng)材料的接觸與潤濕過程。 2、聚合物的固化過程。復(fù)合材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的類型 由于各種組分的性質(zhì)、狀態(tài)和形態(tài)的不同，可以制造出不同復(fù)合結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。復(fù)合結(jié)構(gòu)按其織態(tài)結(jié)構(gòu)一般可分以下五個(gè)類型： 1.網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是指在復(fù)合材料組分中，一相是三維連續(xù)，另一相為二維連續(xù)的或者兩相都

13、是三維連續(xù)的。第21頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二2.層狀結(jié)構(gòu) 兩組分均為二維連續(xù)相。所形成的材料在垂直于增強(qiáng)相和平行于增強(qiáng)相的方向上，其力學(xué)等性質(zhì)是不同的，特別是層間剪切強(qiáng)度低。3.單向結(jié)構(gòu) 纖維單向增強(qiáng)及筒狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。4.分散狀結(jié)構(gòu) 以不連續(xù)相的粒狀或短纖維為填料(增強(qiáng)材料)的復(fù)合材料。在這種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料中，聚合物為三維連續(xù)相，增強(qiáng)材料為不連續(xù)相。5.鑲嵌結(jié)構(gòu) 分段鑲嵌的結(jié)構(gòu)，是由各種粉狀物質(zhì)通過高溫?zé)Y(jié)而形成不同相而結(jié)合形成的。第22頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二3.4.2 復(fù)合材料的復(fù)合效果 1.組分效果 是在已知組分的物

14、理、力學(xué)性能的情況下，不考慮組分的形狀、取向、尺寸等狀態(tài)復(fù)雜的變量影響，而只把組成(體積分?jǐn)?shù)、重量分?jǐn)?shù)等)作為變量來考慮所產(chǎn)生的效果。組分效果又分為兩種情況，即加和效果和相補(bǔ)效果。2.結(jié)構(gòu)效果 指復(fù)合物性能僅用組分性質(zhì)及組成作為Y的函數(shù)描述時(shí)，必須考慮連續(xù)相和分散相的結(jié)構(gòu)形狀、取向(定向)、尺寸等因素。結(jié)構(gòu)效果又可分為形狀效果、取向效果和尺寸效果三類。 3.界面效果 由于界面的存在顯示出復(fù)合材料的各種性能。并由于界面結(jié)構(gòu)的變化而引起復(fù)合材料性能的變化。第23頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二聚合物基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu) 1.樹脂抑制層與界面區(qū) 1）樹脂抑制層 在復(fù)合材料中

15、，越接近增強(qiáng)材料的表面，微膠束排列得越有序。在增強(qiáng)材料表面形成的樹脂微膠束有序?qū)臃Q為“樹脂抑制層”。 2）界面區(qū) 界面區(qū)：由基體和增強(qiáng)材料的界面再加上基體和增強(qiáng)材料表面的薄層構(gòu)成。 有時(shí)界面區(qū)還應(yīng)包括偶聯(lián)劑生成的偶合化合物，它是與增強(qiáng)材料的表面層、樹脂基體的表面層結(jié)合為一個(gè)整體的。 從微觀角度，界面區(qū)可被看作是由表面原子及亞表面原子構(gòu)成的?；w和增強(qiáng)材料表面原子間的距離，取決了原子間的化學(xué)親合力、原子和基團(tuán)的大小，以及復(fù)合材料制成后界面上產(chǎn)生的收縮量。第24頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二 界面區(qū)的作用：是使基體與增強(qiáng)材料形成一個(gè)整體，通過它傳遞應(yīng)力。 如果增強(qiáng)材料表

16、面沒有應(yīng)力集中，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。若基體與增強(qiáng)材料間的潤濕性不好，膠接面不完全，應(yīng)力的傳遞面積僅為增強(qiáng)材料總面積的一部分。所以，為使復(fù)合材料內(nèi)部能均勻地傳遞應(yīng)力，顯示出優(yōu)良的性能，要求在復(fù)合材料的制備過程中形成一個(gè)完整的界面區(qū)。第25頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二2.界面結(jié)構(gòu) 1）粉狀填料復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu) 根據(jù)填料的表面能Ea和樹脂基體的內(nèi)聚能密度Ed的相對(duì)大小，可把填料分為活性填料和非活性填料。 EaEd 為活性填料 EaEd 為非活性填料 當(dāng)填料是活性填料時(shí)，則在界面力的作用下界面區(qū)形成“致密層”。在“致密層”附近形成“松散層

17、”，對(duì)于非活性填料，則僅有“松散層”存在?？砂呀缑娼Y(jié)構(gòu)示意描述如下： 活性填料：基體松散層致密層活性填料 非活性填料：基體松散層非活性填料第26頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二2）連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu) 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材科的結(jié)構(gòu)與粉狀填料復(fù)合材料不同。 連續(xù)纖維增強(qiáng)為二個(gè)連續(xù)相的復(fù)合， 粉狀填料為一個(gè)連續(xù)相和一個(gè)分散相的復(fù)合。第27頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二3.界面作用機(jī)理 1）化學(xué)鍵理論 基體表面上的官能團(tuán)與纖維表面上的官能團(tuán)起化學(xué)反應(yīng)，因此在基體與纖維間產(chǎn)生化學(xué)鍵的結(jié)合，形成界面。如：偶聯(lián)劑的應(yīng)用而得到證實(shí)，故也稱“偶聯(lián)”

18、理論。 化學(xué)鍵理論一直比較廣泛地被用來解釋偶聯(lián)劑的作用。它對(duì)指導(dǎo)選擇偶聯(lián)劑有一定的實(shí)際意義。但是，化學(xué)鍵理論不能解釋為什么有的偶聯(lián)劑官能團(tuán)不能與樹脂反應(yīng)，卻仍有較好的處理效果。第28頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二2）浸潤理論 兩相間的結(jié)合模式屬于機(jī)械粘接與潤濕吸附。物理吸附主要是范德華力的作用，使兩相間進(jìn)行粘附。兩組分間如能實(shí)現(xiàn)完全浸潤，則樹脂在高能表面的物理吸附所提供的粘接強(qiáng)度，將大大超過樹脂的內(nèi)聚強(qiáng)度。 要獲得好的表面浸潤，基體起初必須是低粘度，且其表面張力低于無機(jī)物表面臨界表面張力。一般無機(jī)物固體表面具有很高的臨界表面張力。但很多親水無機(jī)物在大氣中與濕氣平衡時(shí)

19、，都被吸附水所覆蓋，這將影響樹脂對(duì)表面的浸潤。第29頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二3）減弱界面局部應(yīng)力作用理論 當(dāng)聚合物基復(fù)合材料固化時(shí)，聚合物基體產(chǎn)生收縮。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)合材料性能下降。此外，由外載荷作用產(chǎn)生的應(yīng)力，在復(fù)合材料中的分布也是不均勻的，因從復(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)導(dǎo)致復(fù)合材料的性能下降。 第30

20、頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二 增強(qiáng)材料經(jīng)偶聯(lián)劑處理后，能減緩上述幾種應(yīng)力的作用。對(duì)界面的形成及其作用提出了幾種理論： 1、偶聯(lián)劑在界面上形成了一層塑性層，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”； 2、偶聯(lián)劑是界面區(qū)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”。第31頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二4）摩擦理論 基體與增強(qiáng)材料間界面的形成(粘接)完全是由于摩擦作用。兩者間的摩擦系數(shù)決定了復(fù)合材料的強(qiáng)度。偶聯(lián)劑的作用在于增

21、加了兩相間的摩擦系數(shù)，使復(fù)合材料的強(qiáng)度提高。 對(duì)于水等低分子物浸入后，復(fù)合材料的強(qiáng)度下降，但干燥后強(qiáng)度又能部分恢復(fù)的現(xiàn)象，這是由于水浸入界面后，基體與增強(qiáng)材料間的摩擦系數(shù)減小，界面?zhèn)鬟f應(yīng)力的能力減弱，故強(qiáng)度降低，而干燥后界面內(nèi)的水減少，基體與增強(qiáng)材料間的摩擦系數(shù)增大，傳遞應(yīng)力的能力增加，故強(qiáng)度部分地恢復(fù)。 第32頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二3.4.4 復(fù)合材料界面的研究方法 1.浸潤性的測定 若基體能完全潤濕被粘附的固體表面，則基體與被粘附固體間的粘附強(qiáng)度將超過基體的內(nèi)聚強(qiáng)度。 1）靜態(tài)法測定接觸角 靜態(tài)法測定接觸角，通常多用于測定玻璃纖維與液態(tài)樹脂間的接觸角。測

22、量儀器主要是各種角度測定儀，也可以用其它物理方法進(jìn)行測定。 2）動(dòng)態(tài)浸潤速率的測定 基本原理：是纖維束(試樣)底面上所受的壓力，等于纖維束浸潤樹脂部分所受的浮力，此壓力作用下致使樹脂滲進(jìn)單向排列的纖維束間隙中去，樹脂的滲進(jìn)速度取決于纖維與樹脂間的浸潤性和浸潤速率。第33頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二3）表面反應(yīng)性的測定 通?？梢圆捎萌芤何椒▉硌芯刻祭w維的處理前后反應(yīng)性的變化。如用亞甲基蘭作為吸附質(zhì)，用分光光度法分析吸附前后溶液濃度的變化，在某溫度下進(jìn)行等溫吸附試驗(yàn)，得到吸附等溫值，并按Langmin直線方程處理，求得最大吸附量作為纖維表面反應(yīng)性的表征。吸附量的公式

23、如下： 式中：X吸附量，摩爾/克；C起始的溶液濃度，摩爾/升；C吸附平衡后的溶液濃度，摩爾/升；V吸附溶液的體積，升； W纖維的重量，克。第34頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二2.顯微鏡觀察法 直觀研究復(fù)合材料表面和界面的方法，主要用于對(duì)纖維的表面形態(tài)、復(fù)合材料斷面的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)進(jìn)行觀察。這種方法又可分為掃描電子顯微鏡觀察和光學(xué)顯微鏡觀察兩種。 通過掃描電鏡可觀察到復(fù)合材料的破壞斷面狀態(tài)。3.紅外光譜法與拉曼光譜法 通過紅外光譜分析來研究表面和界面的方法?？梢粤私馕镔|(zhì)在增強(qiáng)材料表面是發(fā)生了物理吸附還是化學(xué)吸附。 拉曼光譜法是利用氬激光激發(fā)的拉曼光譜來研究表面和界面，它可

24、用于研究偶聯(lián)劑與玻璃纖維間的粘接。第35頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二4.能譜儀法 用于纖維表面偶聯(lián)劑處理前后的研究、用于界面的研究?？闪私獾浇缑骈g有否化學(xué)鍵存在，偶聯(lián)劑的作用機(jī)理也進(jìn)一步得到證實(shí)。 確切判斷粘接破壞發(fā)生的部位，因而可以很好地研究界面的破壞機(jī)理，以及改進(jìn)界面狀況以提高復(fù)合材料的性能。5.X射線衍射法 利用公式2dsin（為X射線波長，d為晶體間距，為布拉格角）測定由于纖維變形而引起布拉格角的變化。可研究增強(qiáng)材料與基體之間的粘接強(qiáng)度。 第36頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二(六)界面力測定法 研究增強(qiáng)材料與基體間的界面強(qiáng)度。

25、1）光彈技術(shù) 測定出基體與增強(qiáng)材料間界面上的應(yīng)力。 將復(fù)合材料放入水中，利用光彈技術(shù)可觀察到： A 由于界面上存在附加應(yīng)力(如存在收縮應(yīng)力)而表現(xiàn)出來的 光學(xué)各向異性。 B 經(jīng)過偶聯(lián)劑處理，或未經(jīng)偶聯(lián)劑處理的增強(qiáng)材料，與基體 間界面的粘接強(qiáng)度不同，阻止水對(duì)界面破壞的能力不同。第37頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二2）單絲拔脫試驗(yàn)法 單絲拔脫：將增強(qiáng)材料的單絲或細(xì)棒垂直埋入基體的澆注圓片中，然后將單絲或細(xì)棒從基體中拔出，測定出它們之間界面的剪切強(qiáng)度。 研究界面的方法，還有放射性示蹤法、應(yīng)力腐蝕法等。第38頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二3.5

26、聚合物基復(fù)合材料界面的破壞3.5.1 界面粘接強(qiáng)度和斷裂的表面形態(tài) 纖維-樹脂基體間界面的存在，賦予纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的完整性。復(fù)合材料斷裂時(shí)，不僅斷裂力學(xué)行為與界面有關(guān)，而且復(fù)合材料斷裂表面形態(tài)與界面的粘接強(qiáng)度有關(guān)。粘接好的界面，纖維上粘附有樹脂；而粘接不好的界面，其斷面上拔出來的纖維是光禿而不粘附有樹脂。 纖維-樹脂間界面粘接行為。由于界面粘接作用，受力前在纖維或樹脂中無應(yīng)變。受力后，樹脂中產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)變，纖維通過界面粘接而“抓住”樹脂施加影響。第39頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二 纖維中載荷的變化（圖3-8）。載荷通過界面上的一種切變機(jī)理傳遞到纖維上。纖維端部切

27、應(yīng)力最大，并在離開端部一定距離后衰減到零。而纖維端部的張應(yīng)力為零它朝纖維的中部逐漸增大。纖維長徑比越大，它所承受的平均應(yīng)力也越大，模量的增加也越大。在纖維端部存在高切變應(yīng)力，可認(rèn)為是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因。 界面粘接的好壞與斷裂表面形貌（圖3-9）。單向復(fù)合材料平行于纖維承受拉伸載荷且有強(qiáng)粘接的斷裂表面，顯示出整個(gè)表面平滑和高的靜態(tài)強(qiáng)度，有缺口敏感的傾向。而有中等粘接強(qiáng)度的試樣，呈現(xiàn)不規(guī)則的斷面，并有纖維拔出。如果粘接很不好的界面，則斷面明顯地不規(guī)則，并有纖維拔出，斷面的另一面有孔洞。第40頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二3.5.3 界面的破壞 復(fù)合材料的破壞機(jī)理，要從增

28、強(qiáng)材料、基體、及其界面在載荷作用和介質(zhì)作用下的變化來進(jìn)行研究。 1.界面破壞和界面微裂紋發(fā)展過程的能量變化 在復(fù)合材料中，無論是在基體、增強(qiáng)材料還是在界面中，均有微裂紋存在，它們?cè)谕饬蚱渌蛩刈饔孟?，都?huì)按照自身的一定規(guī)律擴(kuò)展，最終導(dǎo)致復(fù)合材料的破壞。第41頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二 當(dāng)微裂紋受外界因素(載荷或其它條件)作用時(shí)，其擴(kuò)展的過程將是逐漸貫穿基體，最后達(dá)到纖維表面。隨著裂紋的擴(kuò)展，將逐漸消耗能量。由于能量的消耗，裂紋的擴(kuò)展速度將減慢，對(duì)于垂直于纖維表面的裂紋峰，還由于能量的消耗將減緩它對(duì)纖維的沖擊。假定在此過程中沒有能量的消耗，則絕大部分能量都集中在

29、裂紋峰上，裂紋峰沖擊纖維時(shí)，就可能穿透纖維，導(dǎo)致纖維及整個(gè)復(fù)合材料的破壞，這種破壞具有脆性破壞特征。通過提高碳纖維和環(huán)氧樹脂的粘接強(qiáng)度，就能觀察到這種脆性破壞。另外，也可觀察到有些聚酯及環(huán)氧樹脂復(fù)合材料破壞時(shí)，不是脆性破壞，而是逐漸破壞的過程。第42頁，共47頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)20分，星期二 在界面上，基體與增強(qiáng)材料間形成的鍵可分為兩類，一類是物理鍵，即范德華力，鍵強(qiáng)約為6千卡/摩爾；一類是化學(xué)鍵，鍵強(qiáng)約為30千卡/摩爾，能量流散時(shí)，消耗于化學(xué)鍵的破壞能量較大。界面上化學(xué)鍵的分布與排列可以是集中的，也可以是分散的，甚至是混亂的。如果界面上的化學(xué)健是集中的，當(dāng)裂紋擴(kuò)展時(shí)，能量流散較