5第六章复合材料的性能及表界面.ppt

三、聚合物基复合材料的形态和界面 3.纤维状基筒状结构 4.分散结构 5.镶嵌结构 3.2 流动取向对复合材料形态的影响 1. 加压时复合材料不产生大流动状态下增强剂取向；与受压方向成90。 2. 复合材料发生较大流动时，增强材料沿流动方向取向； 3.3 复合材料的微观形态 1. 共混树脂基体的微观形态 A 单一树脂：均相，加入增强材料常导致韧性下降； B 共混树脂：非均相，第二组分起增韧作用； A 填料表面区域晶体形态为横晶，提高了黏附能力，提高剪切和拉伸强度； B 远离填料区为球晶，断裂伸长率和断裂能低； C 填充复合材料的结晶度下降，结晶尺寸变小，冲击强度提高。 3.4 加工成型条件对制品形态的影响 注塑IPP制品的形态： 表层：与模具接触迅速冷却形成微晶，剪切力作用主要形成串晶；结晶度低； 剪切区：熔体冷却速度慢，流动剪切形成变形的较为完整的球晶结构； 芯层：熔体冷却速度更慢，形成较大的完整球晶结构； 3.5 PMC界面 复合材料的界面结构和性质直接控制或影响着复合材料的性能，因而，复合材料的界面设计或界面状态的改善、表征、控制是复合材料设计的一项重要内容。 填料与树脂的湿润、分散、相互作用 或者形成互穿网络（IPN） 树脂的固化过程 界面的定义： 复合材料的界面并非一个单纯的几何面，而是一个多层结构的过渡区域，界面区是从粉粒填料性质不同的某一点开始至与树脂基体内整体性质相一致的点之间的区域。 界面区性质变化 界面区树脂密度： 填料表面→基体逐渐降低 界面区树脂交联度：非均匀交联结构 填料-交联致密层-交联松散层-树脂基体 化学组成：物理吸附层/化学吸附层/化学共价键结合层； 界面形貌：偶联剂处理后界面层明显增加，界面相容性和黏附性好； 界面作用机理 界面湿润理论 机械黏附与润湿吸附（物理吸附） 化学键理论 基体表面的官能团与填料表面的官能团发生化学反应 减弱界面局部应力作用理论 吸附理论、静电理论、摩擦理论等 3.6 材料和界面的破坏 内聚破坏（基体树脂破坏） 树脂强度界面黏附强度和填充物强度 界面破坏（脱粘破坏） 界面强度树脂和填料强度 填料表层剥离或者轴向劈裂破坏 纤维具有皮芯结构或结晶滑动结构树脂强度大、界面黏附强 3.7 PMC界面改善方法及界面设计 原则：改善浸润性，提高界面粘接强度。 1. 使用偶联剂 偶联剂：也称活性浸润剂，它既与增强用玻璃纤维表面形成化学键，又与基体具有良好的相容性或与基体反应的化学试剂。 常用的偶联剂：有机硅、有机铬、钛酸酯等。 有机硅偶联剂的结构通式为：R-Si-(OR’)3 常用偶联剂及其使用范围 有机硅偶联剂对玻璃纤维的作用机制：偶联剂在玻璃纤维表面上的水解、吸附、自聚及偶联. 2. 增强材料表面活化 通过各种表面处理方法，如表面氧化、等离子处理，可在惰性的碳纤维或玻璃纤维表面上引入活性官能团，例如： -OH、-COOH、 =C=O、-NH2等。 这些官能团一方面与基体中活性基团反应，另一方面也可提高纤维与基体相容性，从而提高强度。 3. 诱导界面结晶 对于热塑性树脂，填料或者纤维表面诱导树脂在界面结晶形成横晶，吸附能力增强，消除内应力和传递应力，提高剪切强度、拉伸强度、和冲击强度。 4. 纳米材料 当小粒子尺寸进入纳米量级(1—100nm)时，其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质。对树脂同时增强增韧。 5. 制成弹性界面相或聚合物包覆刚性粒子 采用韧性弹性体包覆刚性粒子或聚合物包覆刚性粒子，形成“核-壳”粒子，然后与树脂基体混合，形成弹性界面相。具有同时增强增韧效果。 6. 形成互穿网络（IPN） 偶联剂一端与填料相结合，另一端与树脂大分子链缠结形成IPN，提高吸收或分散能量的能力，同时增强增韧。 3.8 界面设计考虑的因素 界面黏结力：适中(强-脆；弱-脱粘/拔出） 柔性界面层-界面应力松弛-消除内应力 化学性能匹配：化学反应强化界面 酸碱性匹配：相互作用强化界面作用 热性能匹配：热膨胀系数、热导率 物理几何形貌匹配：超细化填料或粗化表面可强化界面作用 物理-化学性能匹配 界面工程 3.9 PMC界面表征 聚合物基复合材料界面的表征: 聚合物基复合材料界面层结构主要包括增强材料表面、与基体的反应层或与偶联剂的反应层，以及接近反应层的基体抑制层。 增强材料表面吸附的一些物质也可能残留在界面区或由于不完全浸润而在界面上产生孔隙。 界面区的残余应力。 界面表征的目的： 了解增