演示文稿纖維增強材料

（優(yōu)選）纖維增強材料目前一頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點1玻璃纖維

玻璃纖維（GF:GlassFiber），

GF于1893年在美國研制成功，并于1938年在美國實現(xiàn)工業(yè)化。自從1946年GF/環(huán)氧樹脂復合材料成功的應用于固體火箭發(fā)動機的殼體，由于軍事工業(yè)的需求，GF及其復合材料在50年代以后得到了迅猛發(fā)展，目前有30多個國家生產(chǎn)GF，品種有4000－5000種。我國于1958年開始生產(chǎn)GF，發(fā)展速度很快，目前產(chǎn)量居世界第5位。但產(chǎn)品等級比較低，對某些高性能的GF目前還不能自主生產(chǎn)。目前二頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點玻璃纖維單絲玻璃纖維單絲的掃描電鏡照片目前三頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點玻璃纖維卷目前四頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點短切玻璃纖維目前五頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點玻璃纖維繩目前六頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點玻璃纖維帶目前七頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點玻璃纖維布目前八頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點

一、玻璃纖維的組成玻璃的組成：普通玻璃：SiO2、CaO、Na2O鉀玻璃：SiO2、CaO、K2O硼酸鹽玻璃：SiO2、B2O3（熱穩(wěn)定性好，機械強度高，耐腐蝕）一般SiO2含量高就叫硅酸鹽玻璃，B2O3含量高就叫硼酸鹽玻璃1.1GF的組成硅酸鹽玻璃目前九頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點1.2GF的分類有堿GF：堿性氧化物（K2O，Na2O）含量大于12％:A-GF無堿GF：堿性氧化物含量小于2％:E-GFGF一、按含堿量分中堿GF：堿性氧化物含量6％－12％低堿GF：堿性氧化物含量2％－6％注意：堿性氧化物（助熔氧化物）越多，玻璃纖維的熔點越低，越容易制備，但纖維的強度降低，易吸潮耐酸腐蝕價格便宜強度高，耐熱性能好，電氣性能好，在復合材料中應用多性能差，一般不用于增強材料目前十頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點1.2GF的分類高強GF：StrenghthGF（S-GF）高模GF：ModulsGF(M-GF)GF二、按纖維特性分低介GF：DielectircGF(D-GF)耐腐蝕GF：CorrosionGF(C-GF)注意：GF纖維的特性是由纖維的組成和結(jié)構決定的。耐堿GF：Alkali-resistanceGF(AR-GF)>4GPa>100GPaε<4.0,Tanδ<0.003目前十一頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點

纖維類別性能A-GFC-GFD-GFE-GFS-GFM-GF拉伸強度，GPa3.13.12.53.44.583.5彈性模量，GPa7374557185110延伸率，%3.63.375.2密度，g/cm32.462.462.142.52.52.89玻璃纖維品種性能一覽表目前十二頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點1.2GF的分類粗纖維：直徑大于30μm高級纖維：直徑3－9μmGF三、按纖維直徑初級纖維：直徑20－30μm中級纖維：直徑10－20μm注意：一般直徑小于4μm叫超細纖維纖維直徑越小，拉伸強度越高目前十三頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點1.3GF的性能1.外觀與密度玻璃纖維是光滑的圓柱體，橫斷面幾乎是完整的圓形。玻璃纖維的密度為2.4－2.7g/cm3一般有堿GF：3

無堿GF：3

密度比金屬小很大，與鋁密度相近一、物理性能目前十四頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點一、物理性能2.玻璃纖維的拉伸強度玻璃纖維的主要特點是拉伸強度高，一般2－5GPa，而一般塊狀玻璃的拉伸強度為。主要原因：（1）微裂紋理論。玻璃和玻璃纖維存在數(shù)量不一，尺寸不同的微裂紋，受外力時，微裂紋處易產(chǎn)生應力集中，首先產(chǎn)生破壞。GF由于經(jīng)過高溫熔融，均化減少了微裂紋產(chǎn)生的幾率。而且GF斷面少，故微裂紋存在的幾率少。（2）“凍結(jié)”高溫結(jié)構理論。玻璃纖維成型過程中，由于冷卻速度快，熔態(tài)的玻璃結(jié)構被凍結(jié)起來。從而使GF中結(jié)晶、多晶轉(zhuǎn)變及微觀分層較塊狀玻璃少很多，因此強度高。目前十五頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點一、物理性能（3）分子取向假說。在GF成型過程中，由于拉絲機的牽引作用，使GF分子產(chǎn)生定向排列，從而提高了GF的強度。目前十六頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點影響GF拉伸強度的因素：（1）纖維長度與直徑直徑：4μm7μm11μm3－3.8GPa1.7－長度：5mm20mm90mm1.5GPa1.2GPa0.86GPa一、物理性能纖維直徑越粗，長度越長，拉伸強度越低。目前十七頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點影響GF拉伸強度的因素：（2）存放時間和負荷時間

隨著存放時間的延長，GF的強度下降。玻纖的老化現(xiàn)象）這是由于水對纖維浸蝕的結(jié)果。

隨著負荷時間的增加，GF的強度下降。當環(huán)境濕度高時更明顯一、物理性能目前十八頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點影響GF拉伸強度的因素：（3）化學組成一、物理性能纖維的強度與玻璃的化學成分關系密切。通常含堿量越高，強度越低。高強度玻璃纖維強度明顯地高于無堿玻璃纖維。目前十九頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點3.玻璃纖維的彈性模量玻璃纖維的彈性模量大約70GPa，與鋁相當，只有普通鋼的三分之一，致使復合材料的剛度較低。加入BeO、MgO能提高玻璃纖維的彈性模量。玻璃纖維是彈性材料，其應力－應變曲線是一條直線。斷裂伸長率3％左右。一、物理性能目前二十頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點4.玻璃纖維的耐磨性和耐扭折性玻璃纖維的耐磨性與耐折性都很差——玻璃纖維的一大缺點水份在摩擦和扭折時，在微裂紋中擴展引起的。必須做適當?shù)谋砻嫣幚?。如用陽離子活性劑處理表面后耐磨性提高200倍。一、物理性能目前二十一頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點5.玻璃纖維的熱性能導熱性。玻璃纖維的導熱性差，常溫下導熱系數(shù)：0.7～20W/m.℃

且隨溫度變化小，是優(yōu)良的隔熱材料，但受潮時導熱系數(shù)增大。耐熱性。玻璃纖維的耐熱性較高，軟化點：550-850℃。一般含堿量越少，軟化溫度越高。E－GF軟化點：845℃，A－GF：550℃

熱處理引起強度下降。熱處理溫度越高，時間越長，強度下降越多

一、物理性能原因：熱處理后微裂紋增多，強度下降

熱處理后在纖維表面形成微晶目前二十二頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點5.玻璃纖維的電性能與光性能玻璃纖維的導電性主要取決于化學組成。堿金屬離子最容易遷移，因此玻璃纖維成分中堿金屬離子越多，其電絕緣性越差。一、物理性能玻璃是優(yōu)良的透光材料，其透光率在95％以上，但制成玻纖后其透光性大大下降但具有一定的透光性。玻纖的透光率一般在18～60％之間透明的玻璃纖維復合材料以做各種采光材料，制成導光管成為光導纖維等目前二十三頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點玻纖的化學穩(wěn)定性是指它對水、水蒸氣、酸、堿、化學試劑等的抵抗能力，它在很大程度上決定了纖維的使用范圍。二、化學性能玻璃具有很好的化學穩(wěn)定性，耐酸堿、耐有機溶劑。玻纖的化學穩(wěn)定性較好，但比玻璃差很多。因為玻纖的比表面積比玻璃大很多，如1g,2mm厚的玻璃的表面積5.1cm2，拉成5μm的玻纖，其表面積為3100cm2，是玻璃的608倍。目前二十四頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點二、化學性能影響GF化學性能的因素：（1）纖維直徑對化學穩(wěn)定性的影響直徑越細，比表面積越大，化學穩(wěn)定性越差。（2）溫度對化學穩(wěn)定性的影響實驗表明：溫度愈高，介質(zhì)對玻纖破壞的速度愈快。在10～100℃之間，每提高10℃，腐蝕性提高50%；在100℃以上時，隨溫度提高，腐蝕速度更快。目前二十五頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點二、化學性能影響GF化學性能的因素：（3）化學成分對化學穩(wěn)定性的影響①提高SiO2、Al2O3的含量，和加入ZrO2、TiO2能提高耐酸性。②提高SiO2含量，并加入ZrO2，CaO，MgO能提高耐堿性。③提高SiO2、

Al2O3的含量，加入ZrO2、TiO2耐水性增加。玻纖的化學穩(wěn)定性主要取決于其成分中的二氧化硅及堿金屬氧化物的含量。

前者加強其穩(wěn)定性，后者則相反。因為堿金屬硅酸鹽在水的作用下發(fā)生水解，堿金屬氧化物含量越高，耐水性越差。。目前二十六頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點

碳纖維（CF：CarbonFiber），是由有機纖維經(jīng)固相反應轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳。含碳量95%左右的稱為碳纖維；含碳量99%左右的稱為石墨纖維。2.碳纖維碳纖維最突出的優(yōu)點是：強度高、模量高、密度??；（“輕而強”

“輕而硬”）耐高溫，可在2000℃使用，3000℃非氧化氣氛中不熔不軟；熱膨脹系數(shù)小，約等于零；具有吸收雷達波特性；熱導率高，導電性好；耐酸，能耐濃鹽酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等介質(zhì)浸蝕；摩擦系數(shù)小并具潤滑性；目前二十七頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點目前二十八頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點目前二十九頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點目前三十頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點一、國外CF的發(fā)展歷程碳纖維是在上世紀50年代末期發(fā)展起來。美蘇軍事競賽最激烈的時期，特點是“太空競賽”、“超常規(guī)武器”。碳纖維的出現(xiàn)解決了很多尖端武器的技術難點：載人飛船的推力結(jié)構，用CF復材后使重心前移，解決了飛船的穩(wěn)定性導彈穩(wěn)定裙用CF復材后使重心前移，解決了彈體的穩(wěn)定性，提高了命中精度導彈的鼻錐采用C/C復合材料，燒蝕率低且均勻，提高了命中率。宇宙飛行器天線的最佳材料，耐溫度驟變制造隱身武器的最佳材料目前三十一頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點一、國外CF的發(fā)展歷程1.1879年，愛迪生將棉纖維、竹纖維碳化后做燈絲。1959年，美國UCC（UnionCarbideCorperation，聯(lián)合碳化物公司）以人造絲為原料制造了碳纖維——粘膠基CF1962年，日本大阪技術研究所的進騰昭男博士，以聚丙烯腈（Polyacryonitirle,PAN）為原料制備了碳纖維——PAN基CF1964年，英國皇家研究院的Watt等人改進了PAN-CF的制備工藝，得到高強高模CF1965年，日本群馬大學的大谷杉朗以石油化工的副產(chǎn)品瀝青為原料制備了碳纖維——瀝青基CF強度低，力學性能差，碳收率低價格便宜，產(chǎn)品性能較低，原料調(diào)制復雜工藝簡單，性能好，占CF產(chǎn)量的90％目前三十二頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點一、國外CF的發(fā)展歷程一、國外CF的發(fā)展歷程PAN－CF起源于日本，日本也是世界上最大的CF生產(chǎn)國，產(chǎn)量占全世界的60％左右。美、英、德、法、印度、以色列、南斯拉夫、韓國、中國都可以生產(chǎn)CF。PAN－CF產(chǎn)量31565t/a，其中小絲束占73.4%，大絲束占26.6%。小絲束（Smalltow）：1K,3K,6K,12K,24K——航空級（Aerospace）大絲束（Largetow）；48K,60K,120K,360K,480K——工業(yè)級（Commercial）目前，小絲束CF由日本東麗、東邦、三菱公司壟斷（占75.5%）大絲束CF由美國福塔菲爾公司（Fortafil

）、卓爾泰克（Zohek）等 公司壟斷，福塔菲爾公司（占41.7%）目前三十三頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點一、國外CF的發(fā)展歷程一、國外CF的發(fā)展歷程

型號性能T200T300T400T500T800T1000MSJ拉伸強度(GPa)1.23.54.24.65.57.053.62彈性模量(GPa)48230———294640日本碳纖維主要型號和性能目前三十四頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點二、國內(nèi)CF的發(fā)展歷程

由于碳纖維在軍事工業(yè)中的巨大應用價值，國外對碳纖維的制備技術對我國一直施行高度的技術封鎖，碳纖維，95％依賴進口。我國從20世紀60年代末70年代初開始研制碳纖維。并在1975年列入了國家重點攻關項目。1976中科院山西煤炭化學所建成一條粘膠基碳纖維生產(chǎn)線，產(chǎn)量2t/a。性能基本達到T200水平（高強Ⅰ型）?！傲濉逼陂g提出研制高強Ⅱ型（相當于T300），至今未成功。80年代，吉林化工廠（碳素廠）從日本引進一套T300生產(chǎn)線。年產(chǎn)量300t/a，但實際產(chǎn)量100t/a。目前三十五頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點國內(nèi)主要研究與生產(chǎn)單位上海交通大學北京化工大學湖南大學山西煤炭化學研究所北京航空材料研究院沈陽飛行設計研究所全國特種合成纖維研究中心二、國內(nèi)CF的發(fā)展歷程目前三十六頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點2.2碳纖維的結(jié)構與性能碳單質(zhì)金剛石石墨無色堅硬晶體黑色柔軟光滑無定形四面體結(jié)晶片層一.碳纖維的結(jié)構目前三十七頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點金剛石微觀結(jié)構目前三十八頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點石墨微觀結(jié)構目前三十九頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點碳纖維微觀結(jié)構碳纖維微觀結(jié)構：亂層石墨結(jié)構碳的亂層石墨結(jié)構與石墨晶體有相似之處：兩者的層平面部是由六元芳環(huán)組成。亂層石墨結(jié)構有雜原子和缺陷存在。亂層石墨結(jié)構的層與層之間碳原于沒有規(guī)則的固定位置，缺乏三維有序。層間距（?）較石墨晶體大目前四十頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點碳纖維微觀結(jié)構目前四十一頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點碳纖維微觀結(jié)構石墨結(jié)構亂層石墨結(jié)構目前四十二頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點碳纖維微觀結(jié)構碳單質(zhì)一級結(jié)構石墨片層有微晶組成原纖維（直徑50nm，長度數(shù)百納米）二級結(jié)構三級結(jié)構石墨微晶（幾個或幾十個石墨片層）目前四十三頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點二.碳纖維的性能密度低力學性能極高斷裂伸長率低導電性好（半導體，石墨纖維是導體）耐腐蝕性極好耐輻射性極好耐疲勞性好熱性能極好耐高溫性惰性氣氛超好氧化性氣氛400℃導熱性很好，各向異性熱膨脹系數(shù)很小，各向異性目前四十四頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點

主鏈由芳香環(huán)和酰胺基構成的線性大分子，且至少85%的酰胺直接鍵合在芳香環(huán)上的聚合物叫芳香族聚酰胺，由其紡成的纖維叫芳香族聚酰胺纖維，簡稱芳綸纖維。應用最廣泛的芳綸纖維是聚對苯二甲酰對苯二胺纖維，簡稱“PPTA”，由美國杜邦公司發(fā)明和實現(xiàn)工業(yè)化，商品名為“Kevlar”，在我國俗稱“芳綸1414”或“芳綸14”。3芳綸纖維目前四十五頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點Kevlar是由DuPont公司于20世紀70年代開發(fā)成功，主要有Kevlar49和Kevlar29兩個品種。主要生產(chǎn)國有：美國，荷蘭（Twaron）和俄羅斯（Terlon）。目前性能最好的芳綸纖維是俄羅斯的Armoc纖維，拉伸強度可達5.5GPa。我國于1981和1985年分別研制出芳綸1414（K-49）和芳綸14（K-29）歷史目前四十六頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點目前四十七頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點3.1Kevlar纖維的結(jié)構與性能1.結(jié)構Kevlar纖維的結(jié)構示意圖

纖維軸向目前四十八頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點1.結(jié)構1.主鏈中含有大量苯環(huán)，具有線性剛直鏈構型高強高模2.易形成分子間氫鍵規(guī)整性好，易取向，結(jié)晶性好3.分子間氫鍵較弱橫向強度低，抗壓抗剪能力差目前四十九頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點2.性能外觀：黃色的圓柱體密度：1.44g/cm3拉伸強度3.62GPa,ARmoc,5.5GPa彈性模量133.8GPa；斷裂伸長率2.5%；沖擊強度高；耐腐蝕，強酸、強堿除外；不耐紫外線耐熱性能好，300℃以下短期使用性能不變，427℃發(fā)生碳化空氣中長期使用溫度為160℃以下目前五十頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點3.2其他主要芳綸纖維1.ARMOS纖維Armos纖維的結(jié)構單元35％目前五十一頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點3.2其他主要芳綸纖維2.Technora纖維目前五十二頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點纖維品種密度(g/cm3)抗張強度(GPa)抗張模量(GPa)斷裂伸長率(%)降解溫度(℃)標準回潮率(%)Kevlar1.453.31792.55504.5Armos1.434.5-5.5130-1603.5-4.0550-6003.0-3.5Technora1.393.1734.65002.0三種主要芳綸纖維性能比較目前五十三頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點4其他高性能纖維目前五十四頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點4.1超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維

超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維（UltraHighMolecularWeightPolyethylene,UHMW-PE）是由超高分子量的PE制備（分子量>106）。{CH2－CH2]n1975荷蘭DSM（DutchStateMines）公司研制成功，1979年獲得專利，1990年才有第一條小型生產(chǎn)線。目前，主要生產(chǎn)國有荷蘭，日本和美國目前，中國成為第四個能獨立生產(chǎn)UHMW－PE的國家目前五十五頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點UHMW-PE主要應用武器裝甲、防彈背心、航空航天材料目前五十六頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點1.性能特點外觀：白色密度很低：0.97g/cm3拉伸強度高：3.5GPa,比強度3.6GPa,K-492.5Gpa彈性模量高：116GPa，比模量119.6GPa，K-49,92.5斷裂伸長率高：3.4%；耐磨性極高：具有自潤滑性，耐磨性是已知聚合物中最高吸水率低：小于0.01%介電性能好：ε＝2.25,tanδ=2×10－4耐熱性能差，熔點135℃，且高溫易蠕變，使用溫度低于100℃目前五十七頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點4.2PBO纖維

聚對苯基苯并二惡唑（polybenzoxazole）纖維，稱為PBO纖維。屬于雜環(huán)類纖維。“纖維之王”，“超級纖維”

1998年由日本東洋紡織公司（Toyobo）開發(fā)成功，牌號為Zylon

目前只有極少數(shù)國家有生產(chǎn)PBO纖維的技術。我國正處于PBO纖維開發(fā)的初級階段，但我國已將PBO纖維的開發(fā)和研制列為國家重點863高科技項目。研制單位：哈爾濱工業(yè)大學，東華大學，華東理工大學

目前五十八頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點1.PBO纖維結(jié)構與性能結(jié)構全芳雜環(huán)高分子。重復單元結(jié)構中只存在苯環(huán)兩側(cè)的兩個單鍵，不能 內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所以為剛性棒狀分子，能夠形成溶致液晶。分子結(jié)構中無弱鍵目前五十九頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點外觀：金黃色密度：1.56g/cm3拉伸強度4.8-6.2GPa彈性模量可達150-340GPa熱分解溫度為670C，高溫下不熔融延伸率為2.4%，吸濕率

1%，蠕變小，耐磨性極好其分子是由苯環(huán)和苯并二惡唑相兩界相連接，形成了大共軛鍵，其導電率處于半導體的范圍，使得這種纖維可能具有吸波性能。1.PBO纖維結(jié)構與性能性能目前六十頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點4.3硼纖維硼纖維的表面形貌硼纖維的斷口形貌目前六十一頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點直徑：100140m；抗張強度：3.5GPa彈性模量：390GPa；密度：2.68g/cm3

硼纖維抗氧化和高溫性能較差，在400C時可保持室溫強度的80%；在高于500C的氧化氣氛中幾分鐘其強度就迅速下降；在650C時將失去所有的性能。同時其成本也較高，成本下降的潛力也不大。表面具有活性，不需表面處理1.硼纖維性能目前六十二頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點晶須：Whisker，貓的胡子數(shù)百年前：銀晶須（大英博物館陳列）1948年：銅晶須（貝爾研究所發(fā)現(xiàn)，引起電路短路）1975年前后，美、日兩國分別獨立地發(fā)現(xiàn)了用稻殼制造碳化硅晶須（SiCw），能夠大大降低成本并適于批量生產(chǎn)。引起了材料科學工作者對晶須的關注。促進了晶須在工業(yè)實用化方面的發(fā)展。最近二十多年：推測出晶須為接近單晶結(jié)構，而具有非常高的強度與彈性模量，從而可用于復合材料4.4其他增強體晶須目前六十三頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點晶須晶須：SiC晶須，鈦酸鉀晶須，石墨晶須，硼酸鋁晶須等主要用于增強陶瓷和金屬基復合材料。目前六十四頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點4復合材料界面目前六十五頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點4.1復合材料界面理論目前六十六頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點一、認識界面

物理化學認為不同相共存體系在各相之間存在界面：氣—液，液－液，氣—固，固－固，液－固其中：氣—液，氣—固界面稱為表面。由此可見物理化學中界面是一個沒有幾何厚度的曲面復合材料科學中的界面是一個多層結(jié)構的過渡區(qū)域，有一定厚度的界面層，約幾個納米到幾個微米。目前六十七頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點基體Matrix增強體Reinforcement界面Interface復合材料的組成目前六十八頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點

復合材料的界面是指基體相與增強相之間化學成分有顯著變化的、構成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。復合材料界面1、外力場2、基體3、基體表面區(qū)4、相互滲透區(qū)5、增強劑表面區(qū)6、增強劑目前六十九頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點復合材料界面特點非單分子層。其組成、結(jié)構形態(tài)、形貌十分復雜、形式多樣界面區(qū)至少包括：基體表面層、增強體表面層、基體/增強體界面層三個部分。具有一定厚度。其組成、結(jié)構、性能隨厚度方向變化而變化，具有“梯度”材料性能特征。界面的比表面積或界面相的體積分數(shù)很大（尤其是納米復合材料）界面效應顯著：復合材料復合效應產(chǎn)生的根源使界面缺陷形式多樣（包括殘余應力），對復合材料性能影響十分敏感目前七十頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點復合材料界面研究歷程1942年，科學家們就注意到復合材料中的界面問題1963年，科學家們開始了界面理論和界面形成機理的探討目前，已經(jīng)發(fā)展成一門學科，擁有自己的專門期刊：

CompositesInterface目前七十一頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點

液體能在固體表面鋪展開就叫浸潤，反之就叫不浸潤，或浸潤不良。

能否浸潤要看固體與液體間的分子作用力與液體自身分子間作用力的大小。浸潤程度用接觸角θ表示。二、復合材料的界面形成理論

1、界面潤濕理論目前七十二頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點

當＞90°，液體不潤濕固體；=180°,固體表面完全不能被液體潤濕；當＜90°，液體潤濕固體；

=0°，液體完全平鋪在固體表面。接觸角隨溫度、保持時間等條件變化。

1、界面潤濕理論Lcos=S-SL目前七十三頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點

浸潤性僅僅表示了液體與固體發(fā)生接觸時的情況，而并不能表示界面的粘結(jié)性能。一種體系的兩個組元可能有極好的浸潤性，但它們之間的結(jié)合可能很弱，如范德華物理鍵合。因此潤濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。

界面潤濕理論是基于液態(tài)樹脂對纖維表面的浸潤親和，即物理和化學吸附作用。

浸潤不良會在界面上產(chǎn)生空隙，導致界面缺陷和應力集中，使界面強度下降。良好的或完全浸潤可使界面強度大大提高，甚至優(yōu)于基體本身的內(nèi)聚強度。

1、界面潤濕理論目前七十四頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點當兩個表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將發(fā)生機械互鎖。

盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中有相當多的孔穴，粘稠的液體是無法流入的。無法流入液體的孔不僅造成界面脫粘的缺陷，而且也形成了應力集中點。2、機械作用理論：目前七十五頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點

當復合材料不同組分表面帶有異性電荷時，將發(fā)生靜電吸引。僅在原子尺度量級內(nèi)靜電作用力才有效。表面靜電吸引結(jié)合示意圖

3、靜電理論目前七十六頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點

在復合材料組分之間發(fā)生化學作用，在界面上形成共價鍵結(jié)合。在理論上可獲得最強的界面粘結(jié)能（210-220J/mol）。表面結(jié)合化學鍵示意圖

4、化學鍵理論目前七十七頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點

在復合材料組分之間發(fā)生原子或分子間的擴散或反應，從而形成反應結(jié)合或擴散結(jié)合。界面反應結(jié)合或擴散結(jié)合示意圖

5、界面反應或界面擴散理論目前七十八頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點

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：（1）傳遞效應：界面可將復合材料體系中基體承受的外力傳遞給增強相，起到基體和增強相之間的橋梁作用。（2）阻斷效應：基體和增強相之間結(jié)合力適當?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴展、減緩應力集中的作用。（3）不連續(xù)效應：在界面上產(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、耐熱性和磁場尺寸穩(wěn)定性等。三、復合材料界面效應目前七十九頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點

（4）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、耐機械沖擊性等。（5）誘導效應：一種物質(zhì)（通常是增強劑）的表面結(jié)構使另一種（通常是聚合物基體）與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構由于誘導作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強彈性、低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。

★界面效應是任何一種單一材料所沒有的特性，它對復合材料具有重要的作用。

三、復合材料界面效應目前八十頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點四、界面的結(jié)合狀態(tài)和強度界面的結(jié)合狀態(tài)和強度對復合材料的性能有重要影響。對于每一種復合材料都要求有合適的界面結(jié)合強度。界面結(jié)合較差的復合材料大多呈剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應力松弛等現(xiàn)象。界面結(jié)合過強的復合材料則呈脆性斷裂，也降低了復合材料的整體性能。界面最佳態(tài)的衡量是當受力發(fā)生開裂時，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)域化而不進一步界面脫粘；即這時的復合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。目前八十一頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點a是玻纖增強PP的沖擊試樣的斷口掃描電鏡照片，（a）是加入MPP相容劑的玻纖增強體系，(a）中玻璃纖維與基體的結(jié)合較好，纖維拔出較少.目前八十二頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點（b）是未加相容劑的玻纖增強體系。從中可以看出，而（b）中有大量的玻纖從基體中拔出，證明與基體的粘接性較差，因而體系的力學性能不高。目前八十三頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點5.復合材料界面破壞機制

基體內(nèi)、增強體內(nèi)和界面層上均存在微裂紋、氣孔、內(nèi)應力在力場或外界環(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

（1）破壞的來源目前八十四頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點

（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)裂紋擴展與偏轉(zhuǎn)5種形式————→綜合體現(xiàn)復合材料的破壞與失效

復合材料的破壞機制則是上述5種基本破壞形式的組合與綜合體現(xiàn)的結(jié)果。5.復合材料界面破壞機制目前八十五頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點2增強材料表面改性目前八十六頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點

⑴表面處理的目的

改進纖維與基體之間的界面結(jié)構，改善兩者的復合性能。

⑵表面處理方法

物理方法：偶聯(lián)劑；

化學方法：表面化學反應、plasma等離子體。表面處理目前八十七頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點2.1

GF的表面處理1.GF表面處理的意義

玻璃鋼的性能不僅與所使用的增強材料、基體樹脂有關，而且很大程度上還與增強材料和合成樹脂的界面結(jié)合好壞有關。

表面處理就是在GF表面被覆一種叫表面活性劑的特殊物質(zhì)，使GF與基體樹脂牢固的粘結(jié)在一起，以達到提高玻璃鋼性能的目的。這種表面活性劑又稱作“偶聯(lián)劑”或“架橋劑”。

GF及織物經(jīng)過適當?shù)谋砻嫣幚砗?，不僅改進了玻璃纖維的耐磨、防水、電磁絕緣等性能，而且對玻璃鋼的強度，特別是濕態(tài)下的強度提高有顯著效果。目前八十八頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點2.浸潤劑

－浸潤劑的作用

使多根單絲集中成股；

增加原紗的耐磨性和提高拉伸保護；

保護纖維免受大氣和水分的侵蝕作用。

－紡織型浸潤劑

為了滿足紡織工序的要求。

主要成分：石蠟和油劑，影響GF與樹脂的粘結(jié)。因此，在做CM時，必須進行表面處理。

－增強型浸潤劑

在一定粘度上能滿足拉絲工藝要求，而且對纖維和樹脂粘結(jié)影響不大。因此，在做CM時，不必除去。2.1GF的表面處理目前八十九頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點3.表面處理劑（偶聯(lián)劑）

偶聯(lián)劑是一種含有兩部分性質(zhì)不同的基團的化合物。其中一種官能團能很好的與GF表面結(jié)合（一般是物理吸附）；另一種官能團能很好的與基體樹脂結(jié)合（可以是物理的，也可以是化學的，如共聚等）。

通過表面處理劑把兩種性質(zhì)截然不同的材料聯(lián)合起來，形成一個統(tǒng)一的整體。2.1GF的表面處理目前九十頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點4.幾種常見的GF偶聯(lián)劑

①有機鉻：最有名的稱“沃蘭（Volan）”。

甲基丙烯酸氯化鉻絡合物

適應樹脂：酚醛、聚酯、環(huán)氧、PE、PMMA等。2.1GF的表面處理目前九十一頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點②有機硅處理劑

通式：RnSiX4-n

③有機鈦酸酯

R—O—Ti[—O—X—R’—(Y)n]32.1GF的表面處理目前九十二頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點5.GF表面處理方法

－后處理法

在制作玻璃鋼前，先將GF表面的紡織型浸潤劑去除后再浸處理劑溶液。

特點：投資大，工藝復雜。

－前處理法

在拉絲過程中的浸潤劑中加入GF的表面處理劑，即增強型浸潤劑。

特點：工藝簡單，不浪費。

－遷移法

將化學處理劑直接加入到樹脂膠液中。在浸膠時，處理劑就“遷移”到GF表面。2.1GF的表面處理目前九十三頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點2.2

CF的表面處理表面處理的目的：提高CF與基體樹脂的界面粘合強度

表面處理的途徑：

a.清除表面雜質(zhì)

b.在纖維表面形成微孔或刻蝕溝槽，增加表面能

c.引入具有極性或反應性官能團以及形成能與樹脂起作用的 中間層。目前九十四頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點1.表面清潔法

CF表面的雜質(zhì)來源：在預氧化、炭化過程中，纖維孔隙中殘留的有機熱解產(chǎn)物以及沾染環(huán)境雜質(zhì)。

方法：將CF在惰性氣體保護下，加熱到一定的高溫（如1000℃），并保持一段時間，從而達到清除吸附水、凈化其表面的目的。經(jīng)凈化后，一般來講，CF與基體的結(jié)合強度可提高將近一倍。2.2

CF的表面處理目前九十五頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點2.氣化氧化法

機理：用氣體對CF表面進行氧化，使基體表面積增大，活性官能團增多，所制CF復合材料剪切強度提高，而抗拉強度基本不變。

（1）空氣氧化

管式爐中進行，反應溫度350－600℃，時間據(jù)CF種類和要求而定。

優(yōu)點：設備簡單，反應時間短，易于CF生產(chǎn)線銜接進行連續(xù)處理，無污染。

缺點：反應難控制，易使纖維縱深氧化，使CF強度損失嚴重。但加入適量的SO2或鹵素、鹵代氫能防止CF過渡氧化。2.2

CF的表面處理目前九十六頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點

（2）O2或O3

一般混合使用。

（3）CO2作氧化劑

如：溫度900－1300℃，時間3－240秒，纖維重量損失0.5－7％。處理后復合材料的剪切強度可從21MPa提高到70MPa，而單絲的抗拉強度基本未變。2.氣化氧化法目前九十七頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點3.液相處理法

作用機理：表面刻蝕作用。在纖維表面形成微孔或刻蝕溝槽，同時引入官能團。

優(yōu)點：反應易控制，只氧化纖維表面，而氣相處理法易滲透深處，操作方法多為間歇操作，處理時間長。

缺點：有廢酸廢液產(chǎn)生，環(huán)境污染。

2.2

CF的表面處理目前九十八頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點(1)酸處理：

用酸處理后，使纖維表面氧化，可取得與樹脂有較好的界面粘合效果，最常用的酸為硝酸。

例如：粘膠基CF在60％的濃硝酸處理時，其表面積和官能團均增加，官能團主要是－COOH，因此與樹脂的粘結(jié)性能增加。除硝酸外，還可用H2SO4作表面處理，效果也比較好，CM剪切強度改善較為多。3.液相處理法目前九十九頁\總數(shù)一百零九頁\編于三點(2)其它液相氧化劑處理

堿性溶液

NaClO次氯酸鈉

KMnO4

高錳酸鉀

K2Cr2O7

重鉻酸鉀

效果最好的除了硫酸以外，在堿性溶液中NaClO是一種有效的表面處理劑，但其作用比硫酸來得緩慢。

例如：15％NaClO/40%H2SO4處理10分鐘，使CF剪切強度從30M