3 第3章 材料的界面理论

（a）不完全浸润
（b）不浸润
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不完全浸润(a)和不浸润(b)情况示意图 不完全浸润(a)和不浸润(b)情况示意图 和不浸润
只有当铺展系数 ＞ 铺展系数SC 才能发生浸 只有当铺展系数SC＞0时，才能发生浸 不完全浸润的情况如图所示， 润。不完全浸润的情况如图所示，根据力平 衡，可得
γ SG = γ SL + γ LG COSθ
一种体系的两个组元可能有极好的浸润 两个组元可能有 一种体系的两个组元可能有极好的浸润 性，但它们之间的结合可能很弱，如范德华 但它们之间的结合可能很弱， 物理键合形式。 物理键合形式。 因此良好的浸润性 良好的浸润性， 因此良好的浸润性，只是两个组元间可 达到良好粘结的必要条件，并非充分条件。 达到良好粘结的必要条件，并非充分条件。 必要条件
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基体和增强物的互扩散层 互扩散层； 3、基体和增强物的互扩散层； 4、增强物上的表面涂层（如偶联剂）； 增强物上的表面涂层（如偶联剂） 表面涂层 氧化物及它们的 5、基体和增强物上的氧化物及它们的反 基体和增强物上的氧化物及它们的反 应产物之间的接触面等 应产物之间的接触面等。 之间的接触面
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在化学成分上，除了基体 增强物及 基体、 在化学成分上，除了基体、增强物及 涂层中的元素外 还有基体中的合金元素 涂层中的元素外，还有基体中的合金元素 和杂质、由环境带来的杂质。 和杂质、由环境带来的杂质。 这些成分或以原始状态存在，或重新 这些成分或以原始状态存在， 组合成新的化合物。 组合成新的化合物。 因此，界面上的化学成分和相结构 化学成分和相结构是 因此，界面上的化学成分和相结构是 很复杂的。 很复杂的。
第三章 材料的界面理论
第一节 复合材料的界面 复合材料的界面是指基体与增强物 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 化学成分有显著变化的 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。 载荷传递作用的微小区域 结合的、能起载荷传递作用的微小区域。
式中θ称为接触角。 式中θ称为接触角。
θ = COS [(γ SG − γ SL ) / γ LG ]
−1
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浸润的程度。 由θ可知浸润的程度。 可知浸润的程度 液体完全浸润固体； θ ＝0o时，液体完全浸润固体； 不浸润； θ ＝180o时，不浸润； 0o＜ θ ＜180o时，不完全浸润 或称部 不完全浸润(或称部 分浸润)，随角度下降，浸润的程度增加。 分浸润 ，随角度下降，浸润的程度增加。 时常认为不发生液体浸润 不发生液体浸润。 θ ＞90o时常认为不发生液体浸润。
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按照热力学条件 热力学条件， 按照热力学条件，只有体系自由能减少 液体才能铺展开来， 时，液体才能铺展开来，即
γSL+γLG<γSG
因此，铺展系数SC 因此，铺展系数SC(Spreading Coefficient) 被定义为： 被定义为：
SC = γ SG − (γ SL + γ LG )
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5
界面是复合材料的特征，可将界面的机能 界面是复合材料的特征，可将界面的机能 是复合材料的特征 归纳为以下几种效应。 归纳为以下几种效应。 (1)传递效应 界面能传递力， (1)传递效应 界面能传递力，即将外力 载荷）传递给增强物， （载荷）传递给增强物，起到基体和增强物之 间的桥梁作用。 间的桥梁作用。 (2)阻断效应 结合适当的界面有阻止裂 (2)阻断效应 结合适当的界面有阻止裂 纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用 的作用。 纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。
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好的浸润性意味着液体 基体 好的浸润性意味着液体(基体 将在增强 意味着液体 基体)将在增强 材料上铺展开来，并覆盖整个增强材料表面。 材料上铺展开来，并覆盖整个增强材料表面。 假如基体的粘度不是太高，浸润后导致 基体的粘度不是太高 假如基体的粘度不是太高， 体系自由能降低的话，就会发生基体对增强 体系自由能降低的话，就会发生基体对增强 材料的浸润。 材料的浸润。
正是界面 界面使增强材料与基体材料结合为 正是界面使增强材料与基体材料结合为 界面的研究， 一个整体。人们一直非常重视界面的研究 一个整体。人们一直非常重视界面的研究， 并有大量的文献报道， 并有大量的文献报道，但由于材料的多样化 及界面的复杂性，至今尚无一个普通性的理 及界面的复杂性，至今尚无一个普通性的理 论来说明复合材料的界面行为。 来说明复合材料的界面行为。 对复合材料来讲， 对复合材料来讲，材料组元之间相互浸 润是复合的首要条件。 是复合的首要条件 首要条件。
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对于一个结定的体系，接触角随着 对于一个结定的体系，接触角随着 温度、保持时间、吸附气体等而变化。 温度、保持时间、吸附气体等而变化。 浸润性仅仅表示了液体与固体发生 浸润性仅仅表示了液体与固体发生 接触时的情况，而并不能表示界面的粘 接触时的情况，而并不能表示界面的粘 结性能。 结性能。
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性波、冲击波等在界面产生散射和吸收 产生散射和吸收， 性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，透光 性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击 隔热性、隔音性、 性等性能提高。 性等性能提高。
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(5)诱导效应 (5)诱导效应
一种物质 通常是增强物) 物质(通常是增强物 一种物质 通常是增强物
的表面结构使另一种 通常是聚合物基体 的表面结构使另一种(通常是聚合物基体 与 使另一种 通常是聚合物基体)与 之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改 之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改 变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的 由此产生一些现象，如强的弹性、 膨胀性、耐冲击性和耐热性等。 膨胀性、耐冲击性和耐热性等。
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一、浸润性
复合材料在制备过程中， 复合材料在制备过程中，只要涉及到 液相与固相的相互作用，必然就有液相与 液相与固相的相互作用，必然就有液相与 固相的浸润问题。 固相的浸润问题。 问题
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在制备聚合物基复合材料 聚合物基复合材料时 在制备聚合物基复合材料时，一般是把 聚合物(液态树脂)均匀地浸渍或涂刷在增强 聚合物(液态树脂)均匀地浸渍或涂刷在增强 材料上 材料上。 树脂对增强材料的浸润性是指树脂能否 树脂对增强材料的浸润性是指树脂能否 均匀地分布在增强材科的周围， 均匀地分布在增强材科的周围，这是树脂与 增强材料能否形成良好粘结的重要前提 重要前提。 增强材料能否形成良好粘结的重要前提。 浸润性是表示液体在固体表面上铺展的 浸润性是表示液体在固体表面上铺展的 是表示 程度。 程度。
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第二节 复合材料界面理论
复合材料是由性质和形状各不相同 性质和形状各不相同的 复合材料是由性质和形状各不相同的 两种或两种以上材料组元复合而成，所以 材料组元复合而成 两种或两种以上材料组元复合而成， 必然存在着不同材料共有的接触面---界面 界面。 必然存在着不同材料共有的接触面 界面。
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界面的结合强度一般是以分子间力、 界面的结合强度一般是以分子间力、 一般是以分子间力 表面张力(表面自由能)等表示的； 表面张力(表面自由能)等表示的；而实 际上有许多因素影响着界面结合强度。 际上有许多因素影响着界面结合强度。
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如表面的几何形状 分布状况、纹理结构； 几何形状、 如表面的几何形状、分布状况、纹理结构； 表面吸附气体 蒸气程度； 吸附气体和 表面吸附气体和蒸气程度； 程度 表面吸水情况，杂质存在； 吸水情况 表面吸水情况，杂质存在； 存在 表面形态在界面的溶解、浸透、 形态在界面的溶解 表面形态在界面的溶解、浸透、扩散和 化学反应等； 化学反应等； 表面层的力学特性 润湿速度等 力学特性， 表面层的力学特性，润湿速度等。
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(3)不连续效应 (3)不连续效应
在界面上产生物理性 在界面上产生物理性
的现象， 能的不连续性和界面摩擦出现的现象 能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电 性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。 电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。 (4)散射和吸收效应 (4)散射和吸收效应 光波、声波、热弹 光波、声波、
界面区域示意图 1一外力场； 一外力场； 2-树脂基体
3-基体表面区； 4-相互渗透区 基体表面区； 5一增强剂表面；6-增强剂 一增强剂表面；
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基体和增强物通过界面结合在一起， 通过界面结合在一起 基体和增强物通过界面结合在一起， 构成复合材料整体， 构成复合材料整体，界面结合的状态和强 度对复合材料的性能有重要影响。 对复合材料的性能有重要影响。 因此，对于各种复合材料都要求有合 因此，对于各种复合材料都要求有合 适的界面结合强度。 适的界面结合强度。
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聚合物基复合材料界面的形成可分为两个 阶段： 阶段： 第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润 过程； 过程； 第二阶段是聚合物的固化阶段。 第二阶段是聚合物的固化阶段。
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界面最佳态的衡量是当受力发生开裂 界面最佳态的衡量是当受力发生开裂 时，这一裂纹能转为区域化而不产生近一 步界面脱粘。 步界面脱粘。 即这时的复合材料具有最大断裂能 最大断裂能和 即这时的复合材料具有最大断裂能和 一定的韧性。 一定的韧性。 由此可见， 研究和设计界面时 由此可见，在研究和设计界面时，不 应只追求界面粘结而应考虑到最优化和最 界面粘结而应考虑到 应只追求界面粘结而应考虑到最优化和最 佳综合性能。 佳综合性能。
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一滴液体滴落在一固体表面 一滴液体滴落在一固体表面时，原来固 滴落在一固体表面时 原来固 --气接触界面将被液--固界面 --气接触界面将被液--固界面和液--气界面 气接触界面将被 固界面和 --气界面 所代替， 分别代表液---气 所代替，用γLG 、γSG 、γSL分别代表液--气、 --气和固--液的比表面能或称 气和固--液的比表面能或称表面张力 固--气和固--液的比表面能或称表面张力 (即单位面积的能量)。 即单位面积的能量)
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界面上产生的这些效应， 界面上产生的这些效应，是任何一种单 体材料所没有的特性，它对复合材料具有重 体材料所没有的特性， 要作用。 要作用。 例如在纤维增强塑料中，纤维与基体界 例如在纤维增强塑料中， 面能够阻止裂纹进一步扩展。 面能够阻止裂纹进一步扩展 阻止裂纹进一步扩展。