南京工业大学 材料表面与界面 有机 无机复合材料中的界面83页PPT

（5）聚合物表面处理
聚合物表面处理是指用物理、化学、机械等方法对聚合物制 品表面进行处理，根据应用的需要有目的地改变聚合物表面 的物理化学性质的过程。
二、表面处理的研究内容
（1）表面处理的目的
对于聚合物材料来说，表面处理的目的主要有以下几个方面 ：
1）美观装饰及标志作用 如采用抛光、打磨等机械方面来处理制品表面，使粗糙表面变 成光滑表面；采用表面染色来改善外观并起到装饰作用；采用 涂覆改善表面。采用化学镀、电镀及真空蒸镀等方法改善外观。
液／液界面：乳液，两不互溶液体相互接触时，一相的微 滴分散在另一相的液体内，微滴是牛奶状而对光线发生漫 反射，故称乳液；界面张力，不互溶的两相液体接触界面 上所特有的一种力。
气／固界面：
气体吸附，吸附剂吸附气体的一种作用；
气蚀，如气轮机的叶片，长期受喷射气体的冲刷所发生的腐蚀； 升华，固体直接气化的现象；
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……”
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
如粘合、粘附、密封、表面保护、胶体稳定、扩散、渗透与反渗透、 表面改性、表面化学反应、催化、涂饰、防腐蚀、摩擦、磨损、润 滑、老化与防老化等现象与技术，无一不与材料的界面有关。
灰尘，固体的微粒悬浮于空气中；
烟，固体极细的微粒悬浮于空气中；
催化反应，气体与固体催化剂表面接触．在一定的条件下产生化 学变化，生成新的化学物质；
固体的分解，一种固体在一定条件下分解而得到另一种固体和气 体的现象，如碳酸钙加热分解而成氧化钙（石灰）和二氧化碳； 气体和固体的化学反应，如空气中的氧气对铁的表面发生氧化反 应生成氧化铁。
液／固界面： 固体从溶液中吸附溶质，如用活性炭吸附蔗糖液中带色的杂质， 这时，在活性炭和蔗糖溶液接触的部位形成液／固界面；电解， 电极浸入电解液中通直流电后，发生的电解反应； 高分子胶体，聚合物微细粒子分散在水或其他液体介质中，形 成的胶体溶液； 焊接，如熔用的焊锡（液体）焊接金属（焊锡焊接冷却后则是 固／固界面）； 润湿，液体在固体表面上铺展开来；接触角，液滴在固体平面 上形成的夹角； 浮选．使某些矿石粉末的有效成分在水溶液中上浮而达到富集 矿石的有效成分的效果； 粘合，如粘合剂粘合两被粘固体； 润滑，如机油滴在齿轮间减小摩擦阻力的作用； 催化，液体在固体催化剂表面上发生的化学反应。

❖ 分子链中引入环氧基一般有两种方法，一种是由含 活泼氢的化合物如酚类、有机酸类、胺类与环氧氯 丙烷发生开环反应，然后在碱的作用下闭环，引入 环氧基：
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缩水甘油醚型环氧树脂
R - O H + C H 2 - C H - C H 2 C l O
R - O - C H 2 - C H - C H 2 C l O H
陶瓷基、水泥基、玻璃基
3
复合材料的特性
(1). 轻质高强
复合材料的密度低，在1.4～2.0之 间，约为钢的1/5，铝的1/2，因而 其比强度（抗张强度与密度的比）、 比模量（弹性模量与密度的比）比 钢、铝合金高，如高模量碳纤维/环 氧复合材料的比强度为钢的5倍，铝 合金的4倍。其比模量是钢、铝、钛 的4倍。轻质高强是复合材料适宜用 作航空、航天材料的宝贵性能。
缩水甘油胺型环氧树脂
R - O - C H 2 - C H - C H 2 O
R - N H 2 + C H 2 - C H - C H 2 C l O
R - N H - C H 2 - C H - C H 2 C l O H
R - N H - C H 2 - C H - C H 2 O
O
O
C O HC= C O CH HC=C
调节饱和二元酸和不饱和二元酸的比例，可以控制不饱和聚酯中双键的含量
然后，在引发剂的存在下，不饱和聚酯中的双键与苯乙烯 发生自由基共聚反应，交联成三元网状结构
O CO
O HC-CHCO
HC-CH
CH-Ph
CH-Ph
CH
O
n
O
CH n
CO
HC-CHCO
HC-CH
第8章 复合材料的界面

纤维的临界长径比 纤维最小体积分数
Lc fy d 2 my
V fc
mu fu
m
m
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2. 粒子增强型复合材料的增强机
制
粒子增强型复合材料按照颗粒尺寸大小和数量多少可分 为：弥散强化的复合材料；颗粒增强的复合材料。
（1）弥散强化的复合材料的增强机制
将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变 形的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。
有TiN涂层的 高尔夫球头
铝
合
层 状 复 合
金 蜂 窝 夹 层
板
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三、粒子增强型复 合材料
聚合物基粒子复合材料如酚醛 树脂中掺入木粉的电木、碳酸 钙粒子改性热塑性塑料的钙塑 材料(合成木材)等。
陶瓷基粒子复合材料如氧化锆
增韧陶瓷等。
粒子增强SiC陶瓷基复合材料
颗粒增强铝基泡沫复合材料
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许多因素影响着界面结合强度，如表面几何形状、 分布状况、纹理结构、表面杂质、吸附气体程度、吸 水情况、表面形态、在界面的溶解、扩散和化学反应 、表面层的力学特性、润湿速度等。
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4.3 复合材料组分的相容性
物理相容性：
1. 是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载 荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续 现象。
3、破断安全性好
4、优良的高温性能。
5、减震性好。复合材料中的大量
界面对振动有反射吸收作用，不
易产生共振。
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\ \ \
比 强 度 比 较 碳 硼 玻钛 钢 铝 纤纤璃 维维纤 树树维 脂脂树 脂
常用的复合材料

之比为常数
1 2 n
h1 h2
hn
[说明]晶体的平衡形状和实际生长出的晶体外 形常常有出入，并不严格遵守乌耳夫法则。这 主要是因为晶体生长是在非平衡态下进行，并 受杂质含量的影响等。
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实际表面状态 －实际表面通常不平坦，即使是极完全解 理的表面也常存在2-l00nm的不同高度的 台阶，同时也存在结构缺陷如裂缝等。
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－Gibbs吸附方程，Gibbs表面张力方程： 设体系有一个体相、一个表面， 可逆方程的内能变化：
dU TdS PdV dA idni
i
按Gibbs热力学方法：
dU d(U b U ) Td(S b S ) PdV dA ibdnib i dni
对各向同性材r 料0，, 上fij式 可 写 ij 为, ：
f
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2．固体表面 2.1 表面结构的驰豫与重构 －表面力使系统表面处于高能态。 液体以降低表面积来降低系统的表面能； 固体以离子重排、变形、极化、晶格畸变来降低表 面能。
－理想表面：体内结构不变地延续到表面层， 是理论完整的二维点阵平面。
z Z A
即： z Z 1 [Z (Z Z )] 1 [Z (zV z V )]
AA
A
其中： z Z /V ， z Z /V
i组元的mol数的界面超量：
i
ni A
1 A [ni
(ni
ni )]
1 A [ni
(NV
N V )]
度i，为iN组、元的N 为界α面、吸β附相或单偏位析体；积单的位m为o表l数面。浓
平衡状态自由能极小的条件平衡状态自由能极小的条件极小值极小值当当为各向同性平衡形态为球形液体所取外为各向同性平衡形态为球形液体所取外当当为各向异性可按乌耳夫作图法得出平衡形为各向异性可按乌耳夫作图法得出平衡形在在图上的每一点都作出垂直于矢径的平面图上的每一点都作出垂直于矢径的平面去掉平面间重叠的区域剩下体积最小的多面体去掉平面间重叠的区域剩下体积最小的多面体就是晶体的平衡形状

复合材料第四章复合材料 界面幻灯片PPT
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4.1 概 述
复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分 有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作 用的微小区域。
Al2O3纤维/ 钛 硼纤维/ 钛
硼纤维/ 钛-铝 SiC纤维/ 钛 SiO2纤维/ 铝
金属基纤维复合材料的几种界面结合形式：
不同的界面结合形式形成不同的界面类型：
〔1〕机械结合〔物理结合〕……产生类型Ⅰ界面
定义：基体与增强体之间仅仅依靠纯粹的粗糙外 表相互嵌入〔互锁〕作用，以及借助基体收缩应力 包紧纤维时产生的摩擦而进展的连接，称为机械结 合。
溶解与浸润结合的要求：为了到达润湿，纤维外表应当作 适当处理，首先应除去污染物、吸附的气体和工艺涂层 (如纺织型浸润剂)，其次通过外表处理形成外表润湿层、 阻挡层，或使增强材料形成利于机械结合的粗糙外表。
〔3〕反响结合………产生类型Ⅲ界面
定义：基体与纤维间发生化学反响，在界面上形成 一种新的化合物而产生的结合称为反响结合。这是 一种最复杂、最重要的结合方式。
类型Ⅲ
纤维与基体互相反应形 成界面反应层
钨丝/ 铜 Al2O3纤维 / 铜 Al2O3纤维 / 银 硼纤维（表面涂BN）/ 铝 不锈钢丝/ 铝 SiC纤维（CVD）/ 铝
硼纤维 / 铝 硼纤维 / 镁
镀铬的钨丝/ 铜 碳纤维 / 镍 钨丝/ 镍
合金共晶体丝/ 同一合金
钨丝/铜-钛合金
碳纤维/ 铝（＞580℃）
研究复合材料界面的组成、构造、控制、性能和 改进界面相的工作被称为“界面工程〞。

ppt课件 12
2. 表面与界面热力学
2.2 固体表面热力学

固体表面张力 =(1+2)/2 1 2表面应力 表面应力，单位长度力
力学定义 固体表面张力 1=2 各相同性 12 各向异性 对于某各向异性的固体，在二维方向上面积 各增加dA1和dA2 d(A1GS)= 1 dA1 d(A2GS)= 2 dA2
ZZdZ时：曲面面积变化为：
y
y+dy
A＝(x+dx)(y+dy)-xy=xdy+ydx

新增加的表面能为： A＝ (xdy+ydx)
P所做的膨胀功为 P.x.y.dz
平衡时有： （xdy+ydx）=Pxydz
ppt课件 29
3. 表面与界面效应
3.1 Young－Laplace 方程
3. 表面与界面效应
3.2 Kelvin方程
p M 1 1 ln( ) ( ) p0 RT r1 r2
当r1=r2
弯曲表面上的蒸汽压
r1=R1
r2=R2 Kelvin
p 2 M ln( ) p0 rRT
1 1 P ( ) r1 r2
当r1=r2
ppt课件
1 1 P ( ) R1 R2
ppt课件
y
y+dy
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3. 表面与界面效应
3.1 Young－Laplace 方程

弯曲表面下的附加压力
平表面：R1 R2 △P=0 毛细管：R1=R2=R/ △P根据曲面方向分为： 毛细上升 毛细下降 l 为液体的密度; s 为气体的密度 因l>>g所以：2/R'=lgh

U SV
n is u is n ib u ib n ib u ib 2 2 2 n is U 0 n is 1 1 n ib N n ib
如果用LS表示l m2表面上的原子数，从上式得到：
LS U 0 N nis 1 U SV LS 0 nib
NJ University of Technology
如：固体物料之间的化学反应、溶质的浸润 及吸附等现象都在表面进行。 2）界面:一个相与另一个相之间相互接触的分 界面。 一般就是指相邻两个结晶空间的交界面。 多晶材料中不同晶粒之间的晶界。 3）相界面：任何两种不同状态之间的分界面 称之为相界面，如固-气、固-液、固-固、 液-气和液-液界面。
一、固相表面的特征
• 1、固相表面的不均一性 • 原因：（1）由于晶体是各向异性的，因而同 一个晶体可以有许多性能不同的表现。 （2）同一种固体物质由于制备和加工条件不 同也会有不同的表现性质。 （3）实际晶体的表面由于晶格缺陷，空位或 位错，而造成表面的不均一性。 （4）由于表面会吸附外来原子而引起固体表 面的不均一性。 固体表面的不均一性，使固体表面的性 质悬殊较大，从而增加了固体表面结构和性 质研究的难度。
下面介绍两种近似的计算方法
1. 共价键晶体表面能 共价键晶体不必考虑长程力的作用，表面能 (us)即是破坏单位面积上的全部键所需能量之一半。
us 1 ub 2
以金刚石表面能计算为例，若解理面平行于 (111)面，可计算出每平方米上有1.83×1019个键， 若取键能为：376.6kJ· －1，则可算出表面能为： mol
重排过程
这是松驰作用的一个后继过程，表面质点 在松驰之后通过重排来进一步降低表面能。 从晶格点阵排列的稳定性考虑：（1）作用 力较大、极化率小的正离子应处于稳定的晶格位 置。（2）为降低表面能，重排过程必须使各离 子周围的作用能尽量趋于对称。

2.1概述
• 复合材料的界面是指基体与增强相之间化学 成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起 载荷传递作用的微小区域。
• 复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域， 约几个纳米到几个微米。此区域的结构与性 质都不同于两相中的任何一相。这一界面区 由五个亚层组成，每一亚层的性能都与基体 和增强相的性质、复合材料成型方法有关。
接触角随温度、保持时间、吸附气体等而变化。
2.4 复合材料的界面理论
2.4.1界面润湿理论 ： 根据力的合成:
L cos = S - SL ， 粘合功可表示为：
WA = S + L - SL= L（1+ cos ）。 粘合功WA最大时， cos =1，即 = 0，液体完全 平铺在固体表面。同时 = SL , S = L 。 热力学说明两个表面结合的内在因素，表示结合的 可能性；动力学反映实际产生界面结合的外界条件， 如温度、压力等的影响，表示结合过程的速度问题。
4)交换反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，生成化合物， 且还通过扩散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。
5)混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。是以 上几种结合方式中几个的组合。
2.2 复合材料的界面效应
• 界面是复合材料的特征，可将界面的机能归 纳为以下几种效应：
• （1）传递效应：界面可将复合材料体系中 基体承受的外力传递给增强相，起到基体和 增强相之间的桥梁作用。
• 对SiC晶须表面采用化学方法处理后XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)分析的结果。由C(1s)和Si(2p)的波谱可以看出， 有 态的的地差方来存增在强界SiO面2的，结有合的力地。方不存在SiO2。利用这样的表面状

的作用：如图10－8a、b、c所示，
(a)水平液面
在水平液面
凸液面 凹液P
（b）凸液面
（c）凹液面
图10－8 弯曲液面的附加压力
§10-3 弯曲液面的附加压力和毛细现象
这种弯曲液面内外的压力差,就称之为附加压力,用 P 来表示。
PP 内 P 外PP0
另外，压力分散度及运动情况对 也有一定的影响。
2020/2/10
§10-2 润湿现象与接触角
一、润湿的分类 润湿是固体表面上的气体被液体取代的过程。 润湿现象就是指液体与固体接触时发生的一种界面现象，当液体 和固体接触时，由于液体表面性质和固体自身表面性质以及液— 固界面性质的不同，液体对固体的润湿情况也不同。
Wi 即为浸润功
在自发过程中， 则有 Wi 0 同样 Wi 值愈大，表示浸湿的效果 愈好。2020/2/10
§10-2 润湿现象与接触角
（3）铺展（spreading wetting）
少量液体在光滑的固体表面（或液体表面）上自动展开， 形成一
层薄膜的过程称为辅展，如图10-6所示。 在恒温恒压可逆辅展单位面积ab段， 对ab段来讲，辅展前存在着 s g ，
⑶对于不同液体而言，液面的曲率相同时，附加压力与表面张力 成正比。
⑷从上面推导的过程来看，拉普拉斯方程适用于曲率半径为定值 的小液滴或液体中小气泡的附加压力的计算；
⑸而对于球形液膜，例如空气中的肥皂泡，有内、外两个球形表
面，外表面是凸液面，内表面是凹液面，产生的附加压力均指向
液泡中心，所以液泡内气体的压力大于泡外气体的压力，其附加
按照润湿程度的深浅或润湿性能的优劣来把润湿分为三大类。
（1）沾湿（ahhensional wetting） 所谓沾湿是指当固体表面与液体相接触气—固