南京工業(yè)大學(xué)材料表面與界面第六章幾種纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料表面與界面演示文稿

南京工業(yè)大學(xué)材料表面與界面第六章幾種纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料表面與界面演示文稿目前一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)（優(yōu)選）南京工業(yè)大學(xué)材料表面與界面第六章幾種纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料表面與界面目前二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)1.復(fù)合材料按基體分類金屬基復(fù)合材料無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料：陶瓷基、水泥基、玻璃基聚合物基復(fù)合材料熱塑性聚合物基：PP、PE、尼龍、PVC

熱固性聚合物基：不飽和聚酯、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等6.1纖維與樹(shù)脂簡(jiǎn)介目前三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)聚合物（樹(shù)脂）基復(fù)合材料:由玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、晶須、顆粒等與熱固性、熱塑性樹(shù)脂組成的基體組成的復(fù)合材料。

比強(qiáng)度、比模量高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性、阻尼性好。廣泛用于航空、航天、建筑、化工、機(jī)械、電子、體育等。目前四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)2.復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料

1增強(qiáng)纖維：（1）

璃纖維：（2）碳纖維：（3）硼纖維（4）芳綸纖維（Kevler纖維）（5）陶瓷纖維Al2O3

、SiC、Si3N4

、WC、TiC、B4C和石墨等目前五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)1玻璃纖維概述

玻璃纖維增強(qiáng)塑料，俗稱玻璃鋼，有玻璃纖維和基體樹(shù)脂組成。玻璃纖維賦予復(fù)合材料強(qiáng)度和剛度，基體則對(duì)復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切、耐輻射、耐腐蝕、電性能等密切相關(guān)6.2

玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂目前六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)2.玻璃纖維的結(jié)構(gòu)和組成玻璃是由硅氧原子為主組成的不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)間存在空穴，空穴中填充著Na＋，K＋、Ca2＋、Mg2＋等金屬離子。其結(jié)構(gòu)如圖：目前七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)玻纖拉制過(guò)程示意圖浸潤(rùn)劑:

紡織型浸潤(rùn)劑石蠟，必須除去。增強(qiáng)型浸潤(rùn)劑：目前八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)骨架氧化物：二氧化硅、三氧化二硼改性氧化物：氧化鈣、三氧化二鋁等；助熔氧化物：氧化鈉等目前九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)常用玻纖無(wú)堿E玻纖：含堿性氧化物小于0.5％；中堿A玻纖：含堿金屬氧化物11.5~12.5%.目前十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)玻璃纖維的物理性能“凍結(jié)的液體”：各向同性，無(wú)固定熔點(diǎn)，近程有序，遠(yuǎn)程無(wú)序；光滑的圓柱體，直徑5～20μm

密度2.4~2.7g/cm3.；拉伸強(qiáng)度1500～4000MPa，直徑越細(xì)，強(qiáng)度越高。模量7×104，只有鋼鐵的1/3.目前十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)玻璃纖維的化學(xué)性能E玻纖耐水性優(yōu)于A玻纖，A玻纖耐酸性優(yōu)于E玻纖。玻纖直徑越小，化學(xué)穩(wěn)定性越差目前十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)玻纖表面有很強(qiáng)的吸水性吸附的水可是多分子層的目前十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)玻纖不耐堿，在堿作用下玻纖骨架破壞目前十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)1.偶聯(lián)劑偶聯(lián)劑是分子中含有兩種不同性質(zhì)基團(tuán)的化合物其中一種基團(tuán)可與增強(qiáng)材料發(fā)生化學(xué)或物理的作用。另一種基團(tuán)可與基體發(fā)生化學(xué)或物理作用。通過(guò)偶聯(lián)劑的偶聯(lián)作用，使基體與增強(qiáng)材料實(shí)現(xiàn)良好的界面結(jié)合。玻璃纖維表面改性目前十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)1)有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑通式：

RnSiX4-nR為有機(jī)基團(tuán)，X為可水解基團(tuán)，n＝1～4；若n＝1，則通式為：

RSiX3X可以是烷氧基團(tuán)：

CH3O-,CH3CH2O-在偶聯(lián)反應(yīng)過(guò)程程中析放出甲醇或乙醇。目前十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)硅烷偶聯(lián)劑作用機(jī)理（a）X基團(tuán)水解，形成硅醇：XSiR+3H

OHOSiR+3HXXXOHOH2目前十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)（b）硅醇的硅羥基之間以及硅醇硅羥基與玻纖表面硅羥基之間形成氫鍵。目前十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)（c）硅羥基之間脫水形成-Si-O-Si-鍵。硅烷偶聯(lián)劑與玻纖表面以

Si－O－Si化學(xué)鍵結(jié)合，同時(shí)在玻纖表面縮聚成膜，形成了有機(jī)R基團(tuán)朝外的結(jié)構(gòu)，如圖。目前十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)硅烷偶聯(lián)劑處理玻璃纖維表面的反應(yīng)過(guò)程硅烷偶聯(lián)劑處理玻璃纖維通常經(jīng)歷以下四個(gè)階段：

(1)開(kāi)始時(shí)在偶聯(lián)劑Si上的三個(gè)不穩(wěn)定X一基團(tuán)發(fā)生水解；

(2)縮合成低聚體；

(3)然后這些低聚體與基質(zhì)表面上的-OH形成氫鍵；

(4)最后干燥或固化過(guò)程，與基質(zhì)表面形成共價(jià)鍵和伴隨著少量的水。目前二十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)

界面模型M—O—Si—M—O—Si—M—O—Si—M—O—Si—M—O—Si—M—O—Si—無(wú)機(jī)介質(zhì)——偶聯(lián)劑——高聚物化學(xué)鍵連接界面擴(kuò)散界面層目前二十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)1)基質(zhì)表面區(qū)域反應(yīng)數(shù)目

2)有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑的類型有關(guān)3)玻璃纖維/樹(shù)脂復(fù)合有良好的性能，選擇合理的堿反應(yīng)、互穿網(wǎng)絡(luò)的形成和共價(jià)鍵形成等。偶聯(lián)劑提高樹(shù)脂的粘結(jié)強(qiáng)度與下列因素有關(guān)：潤(rùn)濕性、表面能、邊界層吸附、極性吸附、酸－堿反應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)的形成和共價(jià)鍵等

有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料性能的影響設(shè)計(jì)理想的界面粘結(jié)狀態(tài)要求：（1）估計(jì)纖維和樹(shù)脂各自對(duì)各種偶聯(lián)劑的敏感性。目前二十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)a.偶聯(lián)劑有三個(gè)可水解的基團(tuán)，形成硬度較大的、且親水性較高的界面區(qū)域；b.帶有一個(gè)可水解基團(tuán)的硅烷偶聯(lián)劑可形成較大憎水性的界面區(qū)域；c.帶有二個(gè)可水解基團(tuán)的硅烷偶聯(lián)劑可形成硬度較小的界面區(qū)域（2）控制有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑上可水解的X基團(tuán)的數(shù)目.

RSiX3目前二十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)a.有機(jī)硅烷R-基團(tuán)中帶有極性基團(tuán)（-NH2,-OH,-SH等）處理后的玻璃纖維的表面能高;極性分子有較強(qiáng)的取向作用和色散作用b.R-基團(tuán)帶有不飽和的雙鍵，則處理后的玻璃纖維具有中等地表面能;-電子的移動(dòng)性而呈現(xiàn)出一定的極性c.R-基團(tuán)帶有不含極性的飽和鏈烴則處理后的玻璃纖維具有低的表面能非極性分子只有色散作用，沒(méi)有取向作用和誘導(dǎo)作用

d.帶長(zhǎng)鏈烴基比用帶短鏈烴基的硅烷偶聯(lián)劑處理后的玻璃纖維的表面能較高。

（3）有機(jī)硅烷R-基團(tuán)的影響

RSiX3目前二十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)幾種常用的硅烷偶聯(lián)劑A151乙烯基三乙氧基硅烷A172乙烯基三（β－甲氧乙氧基硅烷）A174、KH570γ－甲基丙烯酸丙酯基三甲氧基硅烷2CH=CCO(CH)Si(OCH)CHO33332目前二十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)A1100（KH550）γ－胺丙基三乙氧基硅烷A1120（KH843）胺乙基胺丙基三甲氧基硅烷A187（KH560）γ－縮水甘油醚丙基三甲氧基硅烷HN(CH)3

Si(OC2H5)322目前二十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)新型硅烷偶聯(lián)劑a）疊氮硅烷偶聯(lián)劑

N3SO2—RSi（OCH3）3疊氮基的特點(diǎn)是可以與碳?xì)滏I發(fā)生反應(yīng)：目前二十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)c)過(guò)氧化型硅烷偶聯(lián)劑R-O-O-R’－SiX3通過(guò)X基團(tuán)的水解，可在增強(qiáng)材料上引入過(guò)氧基：過(guò)氧基的熱裂解在增強(qiáng)劑表面產(chǎn)生自由基，引發(fā)乙烯基單體聚合，在增強(qiáng)劑表面接枝上聚合物：目前二十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)2有機(jī)鉻偶聯(lián)劑通式：R：CH3－C＝CH2，稱為“沃蘭”。目前二十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)作用機(jī)理目前三十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)3)鈦酸酯類偶聯(lián)劑（a）單烷氧基類鈦酸酯：R一般為異丙基目前三十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)異丙基三異硬脂酰基鈦酸酯（TTS）異丙基三（二辛基磷酸酯）鈦酸酯（TTOP－12）異丙基三（二辛基焦磷酸酯）鈦酸酯（TTOPP－38）目前三十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)單烷氧基鈦酸酯與增強(qiáng)體表面反應(yīng)機(jī)理目前三十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)（b）螯合型鈦酸酯如雙（二辛基焦磷酸酯）氧乙酸酯鈦酸酯（138S）其對(duì)與增強(qiáng)體表面作用的機(jī)理為目前三十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)（c）配位型(RO)4Ti(-X-R’)2目前三十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)聚合物基體簡(jiǎn)介1.不飽和聚酯不飽和聚酯樹(shù)脂是由飽和二元酸(或酸酐)，不飽和二元酸（或酸酐）與多元醇縮聚而成的聚酯在乙烯基單體（如苯乙烯）中的溶液。目前三十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)目前三十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)多元醇交聯(lián)劑目前三十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)多元酸（酸酐）與多元醇縮聚，形成主鏈含有雙鍵的聚酯：目前三十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)在引發(fā)劑的存在下，不飽和聚酯中的雙鍵與苯乙烯發(fā)生自由基共聚反應(yīng)，交聯(lián)成三元網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)過(guò)氧化物引發(fā)劑：

BPO過(guò)氧化甲乙酮過(guò)氧化環(huán)己酮氧化－還原引發(fā)體系：

BPO－N，N-二甲基苯胺過(guò)氧化甲乙酮－環(huán)烷酸鈷過(guò)氧化環(huán)己酮－環(huán)烷酸鈷目前四十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)2.環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂是指分子結(jié)構(gòu)中含有2個(gè)或2個(gè)以上環(huán)氧基的化合物。環(huán)氧基可在分子鏈末端，也可在分子鏈的中間。目前四十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)縮水甘油醚型環(huán)氧樹(shù)脂R-OH＋CH2-CH-CH2→R-O-CH2-CH-CH2

OClOHCl→R-O-CH2-CH-CH2

O目前四十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)3.酚醛樹(shù)脂由酚類和醛類合成的樹(shù)脂。酚類一般是苯酚，醛類主要是甲醛。熱固性酚醛樹(shù)脂：以堿為催化劑，甲醛/苯酚摩爾比大于1，反應(yīng)到一定階段停止，加熱固化。熱塑性酚醛樹(shù)脂：以酸為催化劑，甲醛/苯酚摩爾比小于1，加入六次甲基四胺等固化劑材能固化。目前四十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)先進(jìn)復(fù)合材料的界面鋼鐵材料高強(qiáng)、高模，但密度大，易銹蝕。陶瓷材料耐高溫、高強(qiáng)，但性脆；玻纖增強(qiáng)塑料強(qiáng)度高，比重輕，但模量不足。因此近年來(lái)一直在開(kāi)發(fā)高性能的先進(jìn)復(fù)合材料6.3碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂目前四十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)1高性能增強(qiáng)纖維

1)碳纖維高強(qiáng)度、高模量、耐高溫和低比重的“三高一低的特性。碳纖維具有耐高溫2000℃以上，仍能保持強(qiáng)度的唯一材料，高比強(qiáng)度、高比模量、熱膨脹系數(shù)最小、尺寸外急定性好、耐于化學(xué)腐蝕，并有導(dǎo)熱和導(dǎo)電等系列的綜合性能，故碳纖維及共復(fù)合材料在航空、航天等尖端技術(shù)領(lǐng)域具有特別重要意義金剛石的熔點(diǎn)是3550℃,石墨的熔點(diǎn)是3652℃～3697℃(升華)碳纖維的分類按原料分類：

聚丙烯腈（PAN）系碳纖維

瀝青系碳纖維粘膠系碳纖維其他有機(jī)纖維系碳纖維

石墨炸彈內(nèi)部碳纖維絲可造成電網(wǎng)破壞

碳纖維增強(qiáng)塑料

目前四十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)按性能分類高強(qiáng)度碳纖維（HS）高模量碳纖維（HM）普通碳纖維石墨纖維目前四十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)（左）石墨纖維二維結(jié)構(gòu)模型（右）高強(qiáng)度碳纖維三維結(jié)構(gòu)模型目前四十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)碳纖維的制備

圖碳纖維制備過(guò)程示意圖目前四十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)碳纖維制備過(guò)程中可能的反應(yīng)目前四十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)碳纖維的性能物理性能密度：1.5～2.0熱膨脹系數(shù)：小，平行纖維方向有小的負(fù)值摩擦系數(shù)小，具有潤(rùn)滑性具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱性。碳纖維紅外電熱線是一種節(jié)能型電熱線

碳纖維導(dǎo)電混凝土

目前五十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)力學(xué)性能石墨理論強(qiáng)度180GPa，碳纖維3GPa，最高不超過(guò)10GPa。模量：200～400GPa強(qiáng)度和模量與纖維熱處理溫度有關(guān)。目前五十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)碳纖維的耐化學(xué)腐蝕性吸水率低耐酸、耐堿、耐化學(xué)藥品優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，在惰性氣氛中1000～2000℃強(qiáng)度也不下降。目前五十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)碳纖維的缺點(diǎn)脆性，斷裂延伸率低。斷裂前沒(méi)有前兆。復(fù)合材料界面結(jié)合差高溫下易氧化碳纖維與基體作用力弱目前五十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)碳纖維的表面處理表面處理的作用：消除表面雜質(zhì)。增大比表面積；增大表面能，提高對(duì)基體樹(shù)脂的潤(rùn)濕性；引進(jìn)反應(yīng)性官能團(tuán)，與基體形成化學(xué)鍵；形成界面過(guò)渡區(qū)。目前五十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)（1）表面清潔處理在惰性氣氛中加熱到一定溫度保溫，清除纖維表面吸附的水分和雜質(zhì)。目前五十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)

高溫清潔處理CFRP的性能表面處理比表面積表面特性短梁剪切強(qiáng)度（m2/g)MPa

未處理0.87中性，表面污染

28.1

N2，1200℃2.3中性，清潔73.5硝酸回流8h5.7酸性，清潔71.2目前五十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)2）表面氧化處理a)氣相氧化處理加熱下用空氣、氧氣、臭氧、二氧化碳及等離子等處理碳纖維，使纖維表面產(chǎn)生含氧基團(tuán)。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，反應(yīng)時(shí)間短，易連續(xù)化；缺點(diǎn)：反應(yīng)難控制，重復(fù)性差，纖維損傷大。加入少量金屬雜質(zhì)，如銅、鉛等，可控制催化氧化，防止過(guò)度刻蝕纖維。目前五十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)（b）液相氧化法用液態(tài)氧化劑進(jìn)行氧化；采用含氧酸溶液氧化法如：HN03、NaClO3+H2SO4、K2Cr207+H2S04、KMn04+NaN03+H2S04、Nal04等優(yōu)點(diǎn)：氧化效果好，對(duì)纖維損傷??；缺點(diǎn)：處理時(shí)間長(zhǎng)，難連續(xù)化，有廢酸處理問(wèn)題。目前五十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)硝酸對(duì)碳纖維進(jìn)行氧化處理

硝酸濃度越大，表面生成的羧基濃度越高，硝酸濃度應(yīng)在60%以上。圖硝酸處理碳纖維（WYB85/12）表面羧基濃度的變化目前五十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)圖硝酸處理時(shí)間與表面氧化物濃度的關(guān)系目前六十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)表處理介質(zhì)對(duì)處理效果的影響

介質(zhì)ILSS(MPa)

高錳酸鉀10.38

濃硫酸10.98

過(guò)硫酸銨14.10

鉻酸>15

未處理5～6目前六十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)（c）陽(yáng)極氧化法以碳纖維為陽(yáng)極，用電解產(chǎn)生的新生氧對(duì)碳纖維進(jìn)行氧化。操作簡(jiǎn)便，易控制，可連續(xù)化，已工業(yè)化；有活性衰退現(xiàn)象；目前六十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)表面放電生成新生態(tài)氧繼而使其氧化，生成羥基、羧基等含氧官能團(tuán)。同時(shí)碳纖維也會(huì)受到一定程度的刻蝕。電解質(zhì)種類不同，氧化刻蝕的歷程也不同目前六十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)表陽(yáng)極氧化對(duì)CFRP層間剪切強(qiáng)度的影響

電解液處理時(shí)間層間剪切強(qiáng)度（min)

（MPa)

－053.3HNO3185.1NaOH2.592.1目前六十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)3）低溫等離子處理對(duì)纖維損傷??；處理效果好；無(wú)三廢問(wèn)題；須高真空，難連續(xù)化。目前六十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)低溫等離子處理1)通過(guò)等離子的UV輻射使纖維在紡絲過(guò)程中形成的表面弱結(jié)合層交聯(lián),從而提高PE表面內(nèi)聚強(qiáng)度。2)等離子處理使纖維表面產(chǎn)生了羥基，羧基，酯鍵和羰基等活性基團(tuán)，有利于纖維基體樹(shù)脂的化學(xué)結(jié)合。3)等離子處理可提高纖維的表面能，有利于基體樹(shù)脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)。4)處理后纖維表面形成溝槽，表面粗糙度提高，有利于基體的機(jī)械錨合。目前六十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)表碳纖維表面含氧基團(tuán)量與處理時(shí)間關(guān)系處理時(shí)間羧基量羰基量羥基量酯鍵量

min％％％％

03.46.416.5310.418.825.1614.720.127.3910.517.921.88.01211.316.622.48.31511.917.222.18.5目前六十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)產(chǎn)生各種含氧的活性官能團(tuán)，如羧基(一C00H)、羥基(一OH)、羰基(C＝0)、、醚基(一O—)、內(nèi)酯基等碳纖維經(jīng)過(guò)氧化處理化學(xué)效應(yīng)物理效應(yīng)改變碳纖維表面的表面積結(jié)晶大小表面形態(tài)和表面能碳纖維經(jīng)過(guò)氧化處理后，使其表面出現(xiàn)化學(xué)效應(yīng)和物理效應(yīng)目前六十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)碳纖維表面的含氧活性基團(tuán)可以被進(jìn)一步接枝上具有不同性能的高聚合物

目前六十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)（2）使纖維／樹(shù)脂復(fù)合材料不僅具備較高的層間剪切強(qiáng)度，而且大大提高其抗沖擊韌性及抗水性能（3）借助選擇接枝-主聚物大分子的組分和鏈的構(gòu)型，可以提高復(fù)合材料的其它機(jī)械性能(抗彎強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度)或防止碳纖維復(fù)合材料燃燒破壞時(shí)發(fā)生飄散的碳纖維碎片所造成的公害。(1)碳纖維氧化表面處后其表面形成的-COOH或-OH含氧基團(tuán)可進(jìn)一步與含有OH、一COOH、NH2等官能閉的化合物進(jìn)行(縮聚反應(yīng)、加成．偶極一偶極反應(yīng)等)接枝反應(yīng)4）引入的彈性鏈段可以減弱界面應(yīng)力。目前七十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)4)表面涂層法a）涂層可保護(hù)纖維免受損傷，提高纖維的集束性，有利于發(fā)揮纖維的強(qiáng)度；b）涂層可改變纖維表面性能，提高纖維對(duì)基體樹(shù)脂的浸潤(rùn)性；c）涂層中若有反應(yīng)性官能團(tuán)則有助于纖維表面與基體樹(shù)脂的化學(xué)結(jié)合；d）涂層可保護(hù)表面處理后纖維表面活性的消失

有機(jī)物涂層：電聚合涂層、等離子體接技聚合涂層及化學(xué)接枝反應(yīng)等；無(wú)機(jī)物涂層：采用溶液-還原法形成碳涂層、化學(xué)氣相沉積法形成碳、FeC或SiC涂層、或形成SiC晶須目前七十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)表碳纖維表面涂層的處理效果涂層物σc(MPa)ILSS(MPa)Wa(mJ/m2)未涂層30.59.7091CF＋E51環(huán)氧4013.04109聚乙烯醇縮丁醛3512.74101AG80＋甲基醚唑459.4299剪切強(qiáng)度ILSS提高35％目前七十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)表面沉積無(wú)機(jī)物（CVD）CVD過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)：熱分解：CH4C+2H2氫還原：

SiCl4

＋2H2Si＋4HCl加熱表面沉積碳生長(zhǎng)硅晶體目前七十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)

以碳纖維為陽(yáng)極或陰極，在電解質(zhì)溶液中使乙烯基單體聚合在碳纖維表面上電解液：10％丙烯酸加0.1M的硫酸溶液

電聚合水洗烘干浸膠纏繞碳纖維5)電聚合處理目前七十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面模型交聯(lián)密度是PU-I>pu>PU—M

Polyurethane目前七十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)6.4有機(jī)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂目前七十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)Kevlar纖維的“皮-芯”結(jié)構(gòu)模型圖皮層是剛性大分子鏈伸直呈現(xiàn)為棒狀，緊密排列，沿軸向成纖維狀結(jié)構(gòu)；芯部沿軸向較松散排列的串晶聚集體組成。目前七十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)UHMWPE、UHMPE、

UHSPE相對(duì)分子質(zhì)量：（1～5）×106高度結(jié)晶、高度取向目前七十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)有機(jī)纖維不足之處表面惰性，表面能低；復(fù)合材料界面結(jié)合差，層間剪切強(qiáng)度低。目前七十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)1)芳綸纖維等離子處理

表Kevlar纖維等離子處理效果處理氣氛接觸角（度）表面能（J/m2)

表面元素含量（％）ILSS

水乙二醇σsCNOMPa未處理70.047.234.0587.6910.521.7846.0空氣，60s64.640.836.0780.8617.241.9053.9空氣，600s56.832.043.7672.2923.584.1357.7空氣＋丙烯腈57.733.543.0171.1321.137.69－空氣＋丙烯酰胺58.533.842.4880.519.3310.281.2目前八十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)芳綸表面涂層聚氨酯彈性體Kevlar纖維彈性體異氰酸酯目前八十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)

等離子處理時(shí)間對(duì)UHMWPE纖維ILSS的影響處理時(shí)間（min）ILSS（MPa）

116.0316.3417.4518.1815.3目前八十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)

等離子處理前后

UHMWPE/環(huán)氧復(fù)合材料的性能未處理等離子處理纖維含量（％）5651

彎曲強(qiáng)度（MPa）146234

彎曲模量（MPa）2028

單絲拔出強(qiáng)度（MPa）0.542.56目前八十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)2)表面接枝

化學(xué)接枝芳綸在二甲亞砜溶劑中與NaH形成離子化物，再與RX反應(yīng)目前八十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：輻照與接枝過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，操作比較簡(jiǎn)便。缺點(diǎn)：體系在發(fā)生接枝聚合的同時(shí)也會(huì)發(fā)生單體的均聚反應(yīng)，降低了接枝效率，而且生成的均聚物粘附在基材上，去除困難。3)輻照處理目前八十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)設(shè)計(jì)纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料主要考慮的因素：1）復(fù)合材料樹(shù)脂基體的斷裂伸長(zhǎng)率應(yīng)為纖維斷裂伸長(zhǎng)率的2—3倍為宜2）纖維和樹(shù)脂復(fù)合過(guò)程界面的充分接觸和浸潤(rùn)，以及復(fù)合材料的界面效應(yīng)不僅與纖維表面狀態(tài)特征有關(guān)，而且與樹(shù)脂本身的特性密切相關(guān)（3）樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)(線型的或交聯(lián)的、無(wú)定形的或結(jié)晶型的、混雜樹(shù)脂基體如物理共混或互穿高聚物網(wǎng)絡(luò)工PN或熱塑性一熱固性樹(shù)脂的半互穿高聚物網(wǎng)絡(luò)SIPN等)和力學(xué)性能(抗張強(qiáng)度和模量及延伸率等)及熱性能(熱膨脹系數(shù)及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熔融粘度等)都將影響復(fù)合材料的界面的性能和破壞機(jī)理。目前八十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛性與纖維方向密切相關(guān)。纖維無(wú)規(guī)排列時(shí)，能獲得基本各向同性的復(fù)合材料。均一方向的纖維使材料具有明顯的各向異性。纖維采用正交編織，相互垂直的方向均具有好的性能。纖維采用三維編織，可獲得各方向力學(xué)性能均優(yōu)的材料。

纖維在基體中的不同分布方式目前八十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)6.5纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料陶瓷材料耐熱、耐磨、耐蝕、抗氧化，但韌性低、難加工。在陶瓷材料中加入纖維增強(qiáng)，能大幅度提高強(qiáng)度，改善韌性，并提高使用溫度。陶瓷中增韌纖維受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料韌性越好。C/C復(fù)合材料Si/Si復(fù)合材料目前八十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)陶瓷基復(fù)合材料:

由碳纖維、碳化硅纖維、晶須、金屬絲與陶瓷基體組成的復(fù)合材料。耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、耐磨，但存在嚴(yán)重的脆性。纖維、晶須、金屬絲與陶瓷基體的復(fù)合，在于改善陶瓷材料的韌性。用于發(fā)動(dòng)機(jī)、高性能燃?xì)廨啓C(jī)，提高熱機(jī)效率。陶瓷刀具。6.5纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的界面

目前八十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)增強(qiáng)纖維氧化物系列：Al2O3非氧化物：SiCSi3N4WCTiCB4C碳纖維金屬纖維：WMoTa合金絲等基體玻璃及玻璃陶瓷基體（鈣呂硅酸鹽；硼硅酸鹽等氧化物基體（氧化鋁、氧化鋯等）非氧化物（SiC、Si3N4等）目前九十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(ａ)和單相陶瓷(ｂ)的應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料斷裂過(guò)程示意圖陶瓷基復(fù)合材料的破壞過(guò)程大致可分為三個(gè)階段:1.第一個(gè)階段為ＯＡ段。在此階段，應(yīng)力水平較低,復(fù)合材料處于線彈性狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到Ａ點(diǎn)時(shí)，由于基體所受應(yīng)力超過(guò)基體極限強(qiáng)度,基體出現(xiàn)裂紋,使復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線開(kāi)始與線性偏離。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料增韌增強(qiáng)機(jī)制目前九十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)2.第二個(gè)階段為ＡＢ段。隨著應(yīng)力的提高,基體裂紋越來(lái)越大。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到Ｂ點(diǎn)后,復(fù)合材料內(nèi)纖維開(kāi)始斷裂,Ｂ點(diǎn)應(yīng)力即為復(fù)合材料的極限強(qiáng)度。3.第三個(gè)階段為ＢＣ段。此階段對(duì)應(yīng)于纖維脫粘、纖維斷裂和纖維拔出等過(guò)程，基體開(kāi)裂、基體裂紋逐漸向纖維與基體間界面擴(kuò)展、應(yīng)力在基體中的傳播、界面的形變、纖維脫粘、纖維斷裂和纖維拔出等復(fù)雜過(guò)程吸收大量外在能量，從而達(dá)到增韌增強(qiáng)目的。目前九十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)

1)界面的粘結(jié)形式

2)界面的作用

3)界面性能的改善2.陶瓷基復(fù)合材料的界面目前九十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)

對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料來(lái)講，界面的粘結(jié)形式主要有兩種：

(1)機(jī)械粘結(jié)

(2)化學(xué)粘結(jié)1)界面的粘結(jié)形式目前九十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)由于陶瓷基復(fù)合材料往往是在高溫條件下制備，而且往往在高溫環(huán)境中工作，因此增強(qiáng)體與陶瓷之間容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)粘結(jié)的界面層或反應(yīng)層。若基體與增強(qiáng)體之間不發(fā)生反應(yīng)或控制它們之間發(fā)生反應(yīng)，那么當(dāng)從高溫冷卻下來(lái)時(shí)，陶瓷的收縮大于增強(qiáng)體，由于收縮而產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力r

與界面剪應(yīng)力有關(guān)：目前九十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)＝r式中，是摩擦系數(shù)，一般為0.1~0.6。此外，基體在高溫時(shí)呈現(xiàn)為液體(或粘性體)，它也可滲入或浸入纖維表面的縫隙等缺陷處，冷卻后形成機(jī)械結(jié)合。目前九十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)

實(shí)際上，高溫下原子的活性增大，原子的擴(kuò)散速度較室溫大的多，由于增強(qiáng)體與陶瓷基體的原子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。

此時(shí)，增強(qiáng)體與基體之間的界面是具有一定厚度的界面反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。例如Al2O3/SiO2系中會(huì)發(fā)生反應(yīng)形成強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)合。目前九十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)2、界面的作用對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料來(lái)講，界面粘結(jié)性能影響陶瓷基體和復(fù)合材料的斷裂行為。對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料的界面來(lái)說(shuō)，一方面應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷，并具有高的橫向強(qiáng)度；目前九十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)另一方面，陶瓷基復(fù)合材料的界面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個(gè)最佳的界面強(qiáng)度。目前九十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)

強(qiáng)的界面粘結(jié)往往導(dǎo)致脆性破壞，如下圖(a)所示，裂紋可以在復(fù)合材料的任一部位形成，并迅速擴(kuò)展至復(fù)合材料的橫截面，導(dǎo)致平面斷裂。纖維基體(a)強(qiáng)界面結(jié)合目前一百頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)平面斷裂主要是由于纖維的彈性模量不是大大高于基體，因此在斷裂過(guò)程中，強(qiáng)的界面結(jié)合不產(chǎn)生額外的能量消耗。目前一百零一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)若界面結(jié)合較弱，當(dāng)基體中的裂紋擴(kuò)展至纖維時(shí)，將導(dǎo)致界面脫粘，其后裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)、裂紋搭橋、纖維斷裂以致最后纖維拔出(圖b)。(b)弱界面結(jié)合目前一百零二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)a不良結(jié)合b結(jié)合適中c結(jié)合稍強(qiáng)d結(jié)合過(guò)強(qiáng)C/AlMMC不同結(jié)合狀態(tài)下的斷口形貌

目前一百零三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)

裂紋的偏轉(zhuǎn)、搭橋、斷裂以致最后纖維拔出等，這些過(guò)程都要吸收能量，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性，避免了突然的脆性失效。目前一百零四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)3、界面性能的改善為獲得最佳的界面結(jié)合強(qiáng)度，我們常常希望完全避免界面間的化學(xué)反應(yīng)或盡量降低界面間的化學(xué)反應(yīng)程度和范圍。目前一百零五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中，除選擇纖維和基體在加工和使用期間能形成穩(wěn)定的熱力學(xué)界面外，最常用的方法就是在與基體復(fù)合之前，往增強(qiáng)材料表面上沉積一層薄的涂層。目前一百零六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于一點(diǎn)

C和B