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第六章复合材料的界面(4学时)上一章第一节研究复合材料界面的重要性第二节高聚物复合材料界面的形成及作用机理第三节填充、增强材料的表面处理第四节复合材料界面分析技术Chapter6InterfaceofPolymerMatrixLearningObjectives1.理解复合材料界面的形成和作用机理；2.了解填充、增强材料的表面处理方法；3.掌握复合材料的界面分析技术；第一节研究复合材料界面的重要性一、界面：由于复合材料是由两种或两种以上的化学性质或物理相不同的材料组成的，所以除了材料的本体性质、表面性质外，还有由于不同材料之间相互接触所产生的共有的接触面，也就是界面。二、重要性：•1.无论是金属材料、陶瓷材料还是高聚物构成的复合材料，其界面是在热、力学以及化学等环境条件下形成的体系，具有十分复杂的结构，因而对复合材料的影响也是巨大；•2.高聚物许多有价值的功能，都是通过其表面与外在环境的接触面形成的界面来作贡献的；•3.材料的性质的优劣在很大程度上取决于界面相互作用的结果;•4.界面层成为复合材料组成的一部分，它的组成、结构与性能，是由填充、增强材料与基体材料的组成及它们间的反应性能所决定的，因此在复合前必须对填充、增强材料的表面进行研究及改性。三、复合材料界面的设计原则第二节高聚物复合材料界面的形成及作用机理一、界面层的形成1.增强材料与高聚物间界面的形成首先要求增强材料与基体之间能够浸润和接触，是界面形成的第一阶段;2.能否浸润，这主要取决于它们的表面自由能，即表面张力，表面张力是物质的主要表面性能之一;3.表面分子所特有的位能，就称为表面能或表面自由能;4.外界为增加表面积所消耗的功就叫做表面功。5.表面张力的计算：6.增强材料与基体材料之间界面形成的第二阶段就是增强材料要与基体材料间通过相互作用而使界面固定下来，形成固定的界面层;7.界面层是由于复合材料中增强材料表面与基体材料表面的相互作用而形成的，或者说界面层是由增强材料与基体材料之间的界面以及增强材料和基体材料的表面薄层构成;8.界面层的作用是使基体材料与增强材料形成一个整体，并通过它传递应力。二、界面层的作用机理1.化学键理论•化学链理论认为增强材料与基体材料之间必须形成化学键才能使粘结界面产生良好的粘结强度，形成界面。2.弱边界层理论边界层内存在有低强度区城，别称为弱边界层;在聚合物基体内部，形成弱边界层的原因可能是由以下的因素造成的.(1)是由于聚合过程中所带入的杂质;(2)是聚合过程中末完全转化的低相对分子质量物质；(3)是加入的各种助剂的影响；(4)是在商品贮存及运输过程中不慎带入的杂质等。3.物理(浸润)吸附理论•基体树脂与增强材料之间的结合主要是取决于次价力的作用，粘结作用的优劣决定于相互之间的浸润性;4.机械粘结理论机械粘结的关键是被粘物体的表面必须有大量的槽沟、多孔穴，粘合剂经过流动、挤压、浸渗而填入到这些孔穴内，固化后就在孔穴中紧密地结合起来，表现出较高的粘合强度。第三节填充、增强材料的表面处理•高聚物复合材料是由填充或增强材料与基体树脂两相组成的，两相之间存在着界面，并通过界面的作用使两种不同种类的材料结合在一起，使复合材料具备了原单一组成材料所不能体现出来的性能;•一些常用的填充、增强材料的表面处理理论及具体实施的方法:一、玻璃纤维的表面处理•玻璃纤维的主要成分是硅酸盐，与高聚物的界面粘合性不好，因此常常要采用有机硅烷偶联剂与有机铬合物偶联剂对玻璃纤维的表面进行处理；•由于通过这两种不同的基团的反应，能够把两种不同性质的材料连接起来，因此称为偶联剂。（一）表面的处理机理：1.首先为硅烷偶联剂水解：2.硅醇之间进行缩合反应，形成低聚体;3.吸水玻璃纤维的表面与硅醇之间形成氢键：(4)最后干燥脱水，玻璃纤维表面与硅酵之间形成共价键;（二）表面处理的方法：A.在玻璃纤维清洁的表面涂敷硅烷偶联剂；B.在玻璃纤维纺丝的过程中就用硅烷偶联剂进行处理；C.在玻璃纤维增强高聚物成型时，把偶联剂直接掺混到基体当中去。（三）偶联剂的作用机理二、碳纤维的表面处理1.氧化法•氧化法主要有气相氧化法、液相氧化法、阳极氧化法;2.沉积法•沉积法是指在高温及还原性气氛中，使烃类、金属卤化物等以碳、碳化物的形式在碳纤维表面形成沉积膜或生长晶须，从而可对碳纤维表面进行改性;3.电沉积与电聚合法电沉积法就是利用电化学的方法使聚合物层均匀而致密地覆盖在碳纤维的表面上;电聚合的方法是以碳纤维作为电极，以一些单体溶解在溶剂中为电解液。4.等离子体处理法：等离子体是一种全部或者部分电离了的气体状态物质，含有原子、分子、离子亚稳态和激发态，并且电子、正离子与负离子的含量大致相等，因而称为等离子体。•等离子体共有三种:即高温(热)等离子体、低温(冷)等离子体、混合等离子体。三、粉末填料的表面处理1.单烷氧基脂肪酸型2.单烷氧基焦磷酸酯型3.螯合型4.配位体型作业题：1.举例说明界面层的作用机理；2.说明复合材料界面分析技术研究方法特点。第四节复合材料界面分析技术一、红外光谱研究1.高聚物界面的红外光谱的表示方法：透射光谱法，表面研磨法，内反射光谱法，漫反射光谱法、反射-吸收光谱法等；2.红外光谱运用举例：二、电子显微镜法1.电子显微镜的分类：A.透射电子显微镜(TEM):•(1)试样要求：试样必须是对电子有高透明度的材料，为使电子束透过，样品的厚度在0.2um以下，最好是0.05um为宜；•(2)使用TEM可研究聚合物合金内部的结构和分散状态；交联聚合物的网络、交联程度和交联密度以及聚合•物的结晶形态等。B.扫描电子显微镜(SEM):(1)磨平，抛光，镀金，观察;(2)研究高聚物复合材料，包括纤维增强复合材料以及高聚物与金属粘合的复合材料等，可以通过观察复合材料破坏表面的形貌来评价纤维与树脂、金属与高聚物界面的粘结性能，以及结构和力学性能之间的关系;返回