复合材料的界面理论教学课件PPT.ppt

每一理论只能部分解释某些现象或某些结果。都有一定局限性。实际的界面现象复杂的多，需多方面、多角度加以分析。迄今，未能建立一个统一的界面响应理论模型。 要获得好的表面浸润，基体起初必须是低粘度，且其表面张力低于无机物表面临界表面张力。一般无机物固体表面具有很高的临界表面张力。但很多亲水无机物在大气中与湿气平衡时，都被吸附水所覆盖，这将影响树脂对表面的浸润。 次价键是氢键和范德华力的总称。一般比主价键（金属键、离子键、共价键）低几个数量级。 在增强纤维表面接枝柔性橡胶层，是“变形层”理论的应用例 树脂胶液中，各组分在纤维上的吸附能力各不相同，有先有后，纤维表面优先吸附基体体系中的助剂。 元素扩散常发生在金属基和陶瓷基聚合材料中。相互扩散促进了界面去元素之间的反应，对金属基复合材料，这种情况并不有利，因为常常会形成不希望出现的化合物。 有时增强体溶入基体，形成强度更高的基体材料，补偿增强体强度的损失。 随着反应温度和时间的增加，反应层厚度增大，高温时在很短时间内就可以达到足以引起破坏的厚度。 多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度的界面反应。 在界面反应温度区冷却速度应尽可能快，低于反应温度后减小冷却速度，以避免造成大的残余应力，影响材料性能。 界面控制里均提到对增强体的表面处理。 沃兰的R官能团可与基体树脂发生反应，从而使纤维与基体通过偶联剂的桥梁作用结合在一起。 常用的纤维表面偶联剂如表4-2。 玻璃纤维制备过程中需要涂浸润剂，将处理剂直接加在浸润剂中。 比气相氧化温和, 一般对碳纤维不产生过度的凹坑和裂解,在一定条件下含氧基团数量较气相氧化多。 电聚合法是近年来发展起来的碳纤维表面改性的一项新技术， 随着等离子体处理时间的增加，碳纤维表面-C-C-结构的含量表现出逐渐下降的趋势，而最终恒定在45%左右；同时，其表面极性基团的含量表现出逐渐增加的趋势，在不同处理时间下其表面的-C-N-、-C-O-、-C=O、-O-C=O等基团的含量均比未处理时要高，进而使纤维与基体的界面形成牢固的化学结合力。 由原子力显微镜照片可见，未经等离子体处理的碳纤维表面较为光滑，纤维表面仅有少量较浅的沟槽； 经过等离子体处理后，碳纤维表面的沟槽数量增加，并且沟槽的深度变深，增加了纤维表面与树脂基体的接触面积，有利于提高复合材料界面的粘结性能。 未经等离子体处理的碳纤维复合材料断口中，纤维与基体树脂间存在明显缝隙，纤维表面粘有的树脂较少，表面较为光洁，破坏多发生在界面上。 经过等离子体处理后的碳纤维复合材料经层间剪切破坏后，纤维与树脂基体间结合紧密，纤维表面粘附的树脂较多，而且纤维被树脂紧密地包裹住，说明纤维表面与树脂基体的粘结性较好，破坏较少发生在界面上而是发生在树脂基体和纤维本体中。 溶液还原与净化法和涂覆偶联剂法请同学们自学。 采用含有异氰酸基的增强聚合物处理；采用带活性基团的柔性稀溶液进行表面涂层 超高分子量聚乙烯纤维表面无任何极性基团，很难与基体形成良好的界面结合。常用的方法为等离子体处理法。 增强纤维经表面处理后产生了什么官能团，用红外光谱几乎不可能得到结果，因红外光谱的灵敏度十分有限。但是如果纤维表面产生了高聚物的接枝聚合，这时用红外光谱则很有效。 * 碳纤维的表面改性机理 1、表面粗糙度 增加表面粗糙度有利于碳纤维与基体树脂的机械粘合。 2、石墨微晶大小 微晶越小，活性碳原子的数目就越多，越有利于纤维与树脂的粘合。 3、碳纤维表面官能团种类与数量 官能团如 —OH、—NH2 、—COOH等 经表面处理后，碳纤维表面石墨微晶变细，不饱和碳原子数目增加，极性基团增多，这些都有利于复合材料性能改善。 * 1、氧化法 ①气相氧化法 方法：将碳纤维直接在氧化剂气氛中加热到一定温度（一般400-600℃）并保持一定时间。 原理：通过氧化碳纤维表面，从而引入极性基团，并给予适宜的粗糙度，来提高复合材料界面的粘接强度和材料的力学性能。 介质：使用的氧化剂为空气、氧气、臭氧等含氧气体。 氧化处理后，碳纤维表面积增大，官能基团增多，可以提高复合材料界面的粘接强度和材料的力学性能。 改变氧化剂种类、处理温度和时间，可改变碳纤维的氧化程度。 最早采用的碳纤维表面处理方法 * 石墨纤维的表面处理 优点：设备简单、反应时间短，容易和CF生产线衔接起来，无污染，可连续处理。 缺点：反应程度难以控制。易使纤维纵深氧化，使CF拉伸强度损伤大。 处理时应避免过度氧化 * ②液相氧化法 原理：主要是去掉碳纤维表面的弱界面层，引入各种极性官能团而提高复合材料的界面粘接性能。 方法：将碳纤维置于一定温度的氧化剂中保温一定时间后洗涤即可。 氧化剂：浓硝酸（最常用）、磷酸、次氯酸钠、KMnO4/H2SO4等。 液相氧化处理对改善碳纤维/树脂复合材料的层间剪切强度很