第四章高分子基复合材料的形态和界面.ppt

4.3 加工成型条件对制品形态的影响 注塑制品的形态： 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 表层 另外，料筒温度、注射压力、模具温度、充模时间对表层和芯层厚度都有较大影响。 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 1 2 3 4 5 聚合物基体 基体表面层 相互渗透区 填料表面区 填料 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 材料 宏观 破坏 方式 纤维破坏 基体微观开裂 纤维与基体脱离（脱胶） 层合复合中铺层间分离（分层） 4.6 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 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。 Chapter10 Nanomaterials 纳米材料的特性 1、纳米效应：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应 2、特殊的光学性质—颜色 3、超微纳米颗粒的不稳定性 4、纳米微粒的熔点降低 5、表面与界面效应：纳米微粒尺寸小，表面大，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面急剧变大，引起表面原子数迅速增加。 6、宏观量子隧道效应 ：量子隧道效应是量子力学中的微观粒子所有的特性，即在电子能量低于它要穿过的势垒高度的时候，由于电子具有波动性而具有穿过势垒的几率。 4. 纳米材料 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。 Chapter10 Nanomaterials * 界面工程 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。 4.7 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 界面表征的目的： 了解增强材料表面的组成、结构及物理性质、化学性质、基体与增强材料表面的作用、偶联剂与增强材料及基体的作用、界面层性质、界面粘接强度的大小、残余应力的大小与作用等。 界面表征的手段与方法： 宏观表征：显色法/pH测定；微电泳法测等电点；扭辫分析;反气相色谱法；接触角法 微观表征：电子显微镜（SEM、TEM），X射线光电子能谱（ESCA、AES）、红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（RAMAN）、色谱等，进行界面层的化学结构表征。 1.2 纳米微粒表面修饰的方法 (1)表面覆盖修饰：利用表面活性剂使高分子化合物、无机物、有机物等新物质覆盖于微粒表面，以达到表面改性的目的。 (2)局部化学修饰：利用化学反应赋予粒子表面新的功能基，使其产生新的性能。 (3)机械化学修饰：通过粉碎、磨碎、摩擦等方法增强粒子的表面活性，这种活性使分子晶格发生位移，内能增大，从而使粒子温度升高、熔解或热分解，在机械力或磁力作用下活性的微粒表面与其他物质发生反应、附着，达到表面改性的目的