复合材料界面-2剖析.ppt

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复合材料界面-2剖析

* 聚合物的表面改性 聚合物表面改性的方法:电晕放电、火焰处理、化学处理、臭氧氧化、等离子体处理、表面接枝等等; * 复合材料的界面 复合材料的介绍:热固性树脂;增强材料;偶联剂;高性能碳纤维。 * 表8-6 碳纤维表面含氧基团量与处理时间关系 处理时间 羧基量 羰基量 羟基量 酯键量 min % % % % 0 3.4 6.4 16.5 3 10.4 18.8 25.1 6 14.7 20.1 27.3 9 10.5 17.9 21.8 8.0 12 11.3 16.6 22.4 8.3 15 11.9 17.2 22.1 8.5 2)等离子处理效果 * 处理前碳纤维 低温等离子体处理后碳纤维 * 表8-7 碳纤维复合材料的层间剪切强度 项目 未处理纤维 等离子处理纤维 ILSS(MPa) 52.8 100.5 标准差(MPA) 4.7 5.47 离散系数(%) 8.90 5.44 * 图8-8 碳纤维的浸润曲线 1:未处理,2:Ar等离子,3:氧等离子 * 图8-9 碳纤维表面浸润性的退化 * 8.3 复合材料界面理论 8.3.1 浸润性理论 浸润性理论是1963年由Zisman提出的。该理论认为,浸润是形成界面的基本条件之一,两组分如能实现完全浸润,则树脂在高能表面的物理吸附所提供的粘接强度可超过基体的内聚能。 * 浸润理论认为,两相间的结合模式属于机械粘结与润湿吸附。在形成复合材料的两相相互接触过程中,若浸润性差,两相接触的只是一些点,接触面有限。(图8-10(a))若浸润性好,液相可扩展到另一相表面的坑凹中,因而两相接触面积大,结合紧密,产生机械锚合作用。(图8-10(b)) 图8-10 浸润和不浸润的界面 * ●浸润性不是界面粘接的唯一条件。 例如: (1) 氯丙基硅烷的表面张力为48.8mN/m,溴苯基硅烷的表面张力为49.4mN/m,它们的表面张力大,但却对不饱和聚酯无效;而乙烯基硅烷的表面张力只有33.4mN/m,却是对不饱和聚酯有效的偶联剂; (2) 乙基硅烷的表面张力与乙烯基硅烷相似,对不饱和聚酯却是无效的。 (3) 环氧树脂对新鲜的E玻纤表面浸润性好,但粘接性却不好,界面耐水老化性也差,但若用胺丙基硅烷处理E玻纤,对环氧的浸润性下降,但界面的粘接性却提高。 * 8.3.2 化学键理论 化学键理论认为要使两相之间实现有效粘接,两相的表面应含有能相互发生化学反应的活性基团,通过官能团的反应以化学键结合形成界面。若两相之间不能直接进行化学反应,也可通过偶联剂的媒介作用以化学键互相结合。 * 图8-11 界面化学反应 * 化学键理论的成功: 硅烷偶联剂的应用; 碳纤维、有机纤维等的表面处理. 化学键理论的不足: 难以解释某些偶联剂不能与基体反应却有好的处理 效果的现象; 难以解释热应力松弛的现象。 * 8.3.3 过渡层理论 复合材料成形时基体和增强剂的膨胀系数相差较大,成型时产生的内应力可能产生不利因素。为了消除这种内应力,基体和增强剂的界面区应存在着一个过渡层,过渡层起到了应力松弛的作用。 * 变形层理论 界面过渡区应是塑性的“变形层”,由“优先吸附”产生。 在增强纤维表面接枝柔性橡胶层,是“变形层”理论的应用例。 * 拘束层理论 该理论也认为在基体和增强之间存在一个松弛应力的过渡层。但是过度区的结构不是柔性的变形层,而是模量介于基体和增强剂之间的界面层,起到了均匀传递应力的作用 * 拘束层是通过优先吸附形成的,增强剂的模量一般比基体树脂高得多。在复合材料成型过程中,因优先吸附作用,增强剂表面附近的基体堆砌的比本体更加紧密,有较高模量。随着离增强剂表面距离的增大,基体的堆砌渐渐疏松,模量也减小。这样在增

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