复合材料原理第3章

基体材料的性能及含量
增强材料的性能、含量 及分布情况
复合材料基本性能
界面结合情况
？
如何体现？
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3．5．1 增强体表面的物理特性与界面结合
比表面积
物理特性
多孔性 极性 结构均一性
结晶特性
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3.5.1.1 比表面积
纤维种类
密度 （g/cm3）
玻璃纤维 硼纤维 碳化硅纤维 Thornel 50
而式 Wsl sv sl lv 称为Dupre公式。
θ角称为液相与固相之间的接触角，其确切定义为在气、液、 固三相交界处的气-液界面与固—液界面之间的夹角。 由Dupre式可知， 当θ＝0时，界面的粘附功最大：
Wsl.m ax 2 lv
当θ＝180时：
Wsl.min 0
由此可知，接触角可以衡量液体对固体的浸润效果。
WAA 2
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3.3.3.2 接触角 浸润现象 定义：固液接触后，体系的吉布斯自由能降低，就称为浸润。
分类
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设液滴发生微小位移时，使 覆盖固体的面积改变了△A，如图， 伴随的表面自由能变化△G是：
G ( sl sv ) lv cos( )
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复合材料界面的研究历程
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复合材料的界面层，除了在性能和结构上不同于相 邻两组分相外，还具有如下特点： (1)具有一定的厚度； (2)性能在厚度方向上有一定的梯度变化； (3)随环境条件变化而改变 。
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复合材料界面效应的分类
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3.2 复合材料界面的研究对象
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表面处理物质 I
增强体 F
当θ真实<90°，当R值增大的时候，θR将会降低。 当θ真实>90°，当R值增大的时候，θR将会增加。
对于由各种不同的小片组成的复合表面：
lv cos c f1 ( s1v s1l ) f 2 ( s2v s2 l) 或 cos c f1 cos1 f 2 cos 2
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3.3.3.4 接触角的滞后
q浸润＝Es－Esl
式中，Es为固体表面能，Esl为固-液界面能。
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浸润热可以用量热法测定 ， 浸润热的大小与固体表面的 物理化学性能，即结构、极性、不均匀性以及表面与浸渍液间 的相互作用而形成的各种界面现象有关。 需要注意的是： ①复合材料中，作为细微的粉状粒子(0.1mm以下)的浸润热未 必与块状固体相同； ②浸润热是以不向固体中渗透、扩散和溶解为前提。
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物质表面张力可以表达为两种形式：
W ldx
(3.1)
W dA
(3.2)
l为长度，x为位移，A为面积，W为所做的功；γ即为物质的表面张力。
式（3.1）中，γ可以理解为表征表层分子作用于单 位长度上的收缩力，单位是牛顿每厘米；
而式（3.2）中， γ可以理解为物质单位面积上的能 量，即发生单位面积变化时，外力所需做的功，其单位可 以是焦耳每平方厘米，又称为物质的表面能。
平衡时
lim G / 0
0
于是 sl sv lv cos 0
或 lv cos sv sl
在这类吸附浸润中，处于平衡态时
的浸润功W为：
为固—液界面的粘附功，
Wsl sv sl lv
Wsl lv (1 cos )
图3.5 液滴在固体表面形态
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式 sl sv lv cos 0 称为Young公式，
2.50 2.70 3.50 1.63
直径d （um）
10 101.6 101.6
6.8
比表面积 （m2/g）
0.16 0.015 0.012 0.37
对界面的影响：是导 致复合材料中的界面 存在并引起界面效应 的根本所在。
一般认为：增强体的比表 面越大，与基体结合的物 理界面大，对粘合强度的 贡献大。当然存在浸润的 因素。
吸附过程是放热反应，解吸过程是吸热的。
吸附按作用力的性质，分为物理吸附和化学吸附。
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3.3.2.1 物理吸附 当固体表面的原子的原子价被相邻的原子所饱和，
表面分子与吸附物之间的作用力是分子间引力（范德华 力）。 特点：
1）、无选择性，吸附量相差较大； 2）、吸附可呈单分子层或多分子层； 3）、物理吸附、解吸速度较快，易平衡。 一般在低温下进行的吸附是物理吸附。
1
2
3.1 界面效应
物理化学领域： 表面：把物体与空气接触的面叫该物体的表面。 液体表面——液体与饱和了的空气所接触的面。 固体表面——固体与它接触的空气面。 界面：把几个不同相相互交界部分叫“界面”。
界面包括表面，比表面范围大。
3
界面的分类： 根据物质的聚集态，可以得到五种类型的界面，即气-液
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3.5.1.2 多孔性
主要体现在增强体表面 的孔隙（或空隙）上。
对任何增强体：表面 总亦多多少少地存在 部分孔隙；且孔隙中
存在有气体；
对界面的影响：部分孔 隙能被基体填充，部分 由于很难完全浸润，界 面结合不好，成为应力 传递的薄弱环节。
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不易与树脂结
合，但易使树
脂浸透，能使
纤维间的空隙
被树脂填充得
（g-l）、气-固（g-s）、液-液（l-l）、液-固（l-s）、固-固 （s-s）界面。
通常的研究中，习惯于把气-液（g-l） 、气-固（g-s） 界面分别称为液相表面、固相表面。
由此可见：在物理化学中的界面是没有任何厚度的曲面。
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复合材料的界面的定义
图3.1 聚合物复合材料界面示意
（a）含界面物质； （b）不含界面物质
表面处理技术
增强体
F 表面 F/I 界面
表面处理物质层
I 表面 I 结构
增强体
F/I 界面
表面处理物质层
复合技术
基体
I/M 界面
基体 M
增强体 基体
F/M 界面
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复合材料界面的研究对象： （1）增强体表面有关的问题：
①、增强体表面的化学、物理结构与性能； ②、增强体与表面处理物质界面层的结构与性质及对增强 体表面特性的影响； ③、增强体表面特性与基体之间的相互关系及两者间的相 互作用（增强体未处理时）； ④、增强体与表面处理物质的界面作用； ⑤、增强体表面特性与复合材料特性的相互关系。 （2）表面处理物质的有关问题： ①、最外层的化学、物理结构及内层的化学、物理结构； ②、表面处理物质与基体之间的相互作用； ③、表面处理物质对基体的影响； ④、处理条件及处理剂层的特性； ⑤、处理剂层随时间的变化； ⑥、处理剂层与复合材料性能的相互关系。
Zisman等发现对于同系的液体，cosθ(前进角)通常是 γl的单调函数。 提出：
cos b l 1 ( l c )
式中，a、b、 β均为常数,γl为同系液体的表面张力 ，γc为临界表面张力
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3．3．5浸润的热效应 若将洁净固体表面浸入液体，通常有热释出，即所谓浸润
热q浸润，可表示为：
界面上单位长度的力和单位表面积的能量在数学上 是相等的。
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恒温、恒压条件下，任何物质都有自动向自由能减小 的方向移动的趋势，因此，表面能也有自动减小的趋势。
降低表面能的措施： 1）、通过自动收缩表面积实现； 2）、通过降低比表面能来实现。
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3．3．2 表面吸附作用
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3.3.2.2 化学吸附
当固体表面的原子的原子价被相邻的原子所饱和，
还有剩余的成键能力，在吸附剂及吸附物之间还有电子
转移生成化学键的吸附。
1）、无选择性，吸附量相差较大；
特点：
2）、吸附可呈单分子层或多分子层；
1）、有选择性；
3）、物理吸附、解吸速度较快，易平衡。
2）、只能单分子吸附，且不易吸附或解吸；
由Young式，可以得到：
cos sv sl lv
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由此可知：
cos sv sl lv
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影响接触角的因素： 1.表面的粗糙度 2. 接触角的滞后
3.3.3.3 不均匀表面的接触角 当固体表面不均匀时，接触角可以用经验的方法来确定。
真实＝R 投影
对粗糙表面: cos R R cos 真实
二元胺
-9
-13
多元胺
-2
-31
阳离子苯乙烯基
-6
+2
环氧基
-6
-39
30g树脂中加5gSiO2，SiO2用0.5％硅烷溶液处理。
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3.4.2.2 偶联剂分子结构及偶联结构的影响
增强体在用不同偶联剂处理时，由于分子结构的不同， 会影响到粘结剂对增强体的浸润效果，也会影响到复合体 系的流动特性。
钛酸酯偶联剂
第3章 复合材料的界面状态解析
1、了解界面的分类； 2、掌握复合材料的界面层，除了在性能和结构上不同于相 邻两组分相外，还具有的特点； 3、掌握复合材料界面的研究对象； 4、掌握与表面张力有关的因素； 5、掌握吸附按作用力的分类及特点； 6、掌握导致接触角的滞后效应的原因； 7、掌握固体被液体的浸润性； 8、了解界面的相容性与粘接； 9、了解浸润动力学； 10、重点掌握增强体的表面特性及对复合材料界面结合的 影响。
吸附： 是一种物质的原子或分子附着在另一物质表面上的现象，
或者说，物质在相的界面上，浓度发生自动变化的现象。
固体吸附的原因： 由于固体表面质点处于力场不平衡的状态，即具有表面能，
这一不平衡的力场为了趋于平衡态，可以吸附别的物质而得 到补偿，以降低表面能(表面自由能)，所以固体表面自动地 吸附那些能够降低其表面自由能的物质。