最新复合材料第七章复合材料的复合原则及界面精品课件.ppt

2 要想制备一种要想制备一种，首先应，首先应根据根据所要求的性能所要求的性能进行设计，这样才能成进行设计，这样才能成功地制备出功地制备出性能理想的复合材料性能理想的复合材料。复合材料的设计应复合材料的设计应如下：如下：9若若，界面很难传递载荷界面很难传递载荷，不能起潜在材料的作用，不能起潜在材料的作用，影响复合材料的整影响复合材料的整体强度体强度；但但也不利，它也不利，它遏制复合材遏制复合材料断裂对能量的吸收料断裂对能量的吸收，易发生，易发生。除此之外，还应联系到除此之外，还应联系到整个复合材料的整个复合材料的结构结构来考虑。来考虑。10 具体到具体到和和增强复合材料增强复合材料来来说，说，与与颗粒或纤维的颗粒或纤维的、及及有关。有关。颗粒和纤维颗粒和纤维增强复合材料的增强复合材料的设计原则设计原则如下：如下：11(1)颗粒应颗粒应地分散地分散在基体中，使其在基体中，使其阻碍阻碍的位错运动的位错运动(金属、陶瓷基体金属、陶瓷基体)或或分子分子链的运动链的运动(聚合物基体聚合物基体)。12(2)要合适。要合适。因为因为，会引起，会引起应力集中应力集中或或本身破碎本身破碎，从而导致材料强度降低；，从而导致材料强度降低；，则起不到，则起不到大的强化作用大的强化作用。因此，一般粒径为几微米到几十微米。因此，一般粒径为几微米到几十微米。13(3)一般大于一般大于20。数量。数量太少，达不到太少，达不到最佳的强化效果最佳的强化效果。(4)颗粒与基体之间颗粒与基体之间应有应有。14(1)纤维的纤维的都要都要高于基体高于基体，即，即纤维应纤维应，因为除个别情，因为除个别情况外，在多数情况下况外，在多数情况下承载主要是靠增强纤维承载主要是靠增强纤维。(2)纤维与基体之间纤维与基体之间要有要有，两者之间结合要保证两者之间结合要保证传递传递给纤维。给纤维。15(3)纤维与基体的纤维与基体的不能相差过不能相差过大大，否则，否则在热胀冷缩过程中在热胀冷缩过程中会自动会自动削弱它们削弱它们之间的结合强度之间的结合强度。(4)纤维与基体之间纤维与基体之间，特别是，特别是不发生强烈的反应不发生强烈的反应，否则将引，否则将引起起而失去强化作用。而失去强化作用。16(5)、和和必必须适宜。须适宜。一般而言，基体中一般而言，基体中，其其；，则，则，；大大高于大大高于，必须大于一定的长度必须大于一定的长度(一般一般是长径比是长径比5)才能显示出才能显示出明显的增强效果明显的增强效果。17 选择后，就要考虑所采用的选择后，就要考虑所采用的，即，即具体的制备方法具体的制备方法。主要应考虑以下四个主要应考虑以下四个方面：方面：18(1)所选的所选的对材料组元的损伤对材料组元的损伤最小最小，尤其是，尤其是纤维或晶须掺入基体之中时纤维或晶须掺入基体之中时，一些一些往往造成往往造成；19(2)能使能使(纤维纤维、颗颗粒粒、晶须晶须)均匀分布均匀分布或按预设计要求或按预设计要求规则排列规则排列；(3)使最终形成的复合材料使最终形成的复合材料在性能上在性能上达到达到，即达到，即达到扬长避短扬长避短，而且各组元仍保留着而且各组元仍保留着固有的特性固有的特性。20在在制备方法的选择上制备方法的选择上还应考虑还应考虑，在能，在能达到复合材料使用要求达到复合材料使用要求的情的情况下，尽可能选择况下，尽可能选择以以降低降低制备成本制备成本。针对不同的针对不同的增强材料和基体特性增强材料和基体特性应采应采用不同的制备方法，用不同的制备方法，21如如，采用，采用纤维与颗粒、纤维与颗粒、晶须晶须增强时，同样采用固态法，但增强时，同样采用固态法，但用纤维增用纤维增强时强时，一般采用，一般采用；而用；而用颗粒或晶须颗粒或晶须增强时增强时，往往采用，往往采用。因为因为颗粒或晶须增强时颗粒或晶须增强时若采用若采用，势必使势必使制造工艺十分复杂制造工艺十分复杂，且，且无法保证颗粒无法保证颗粒或晶须均匀分散或晶须均匀分散。22是指是指基体与增强基体与增强物之间物之间有显著变化的、有显著变化的、构构成成彼此结合的、能起彼此结合的、能起的微小区域。的微小区域。23复合材料的界面虽然复合材料的界面虽然，但它，但它是有尺寸的，约是有尺寸的，约，是一个区域或一个带、或一层，它的是一个区域或一个带、或一层，它的厚度呈厚度呈不均匀分布状态不均匀分布状态。24包含以下几个部分：包含以下几个部分：基体和增强物的部分基体和增强物的部分；基体与增强物相互作用基体与增强物相互作用，此，此的接触面；的接触面；25基体和增强物基体和增强物的的；增强物上的增强物上的；基体和增强物上基体和增强物上的的等。等。26在化学成分上在化学成分上，除了，除了、及及外，还有外，还有、。这些成分或以这些成分或以原始状态原始状态存在，或存在，或重新重新组合成组合成新的化合物。新的化合物。因此，界面上的因此，界面上的是是很复杂的。很复杂的。27是是复合材料的特征复合材料的特征，可将，可将归纳为以下几种效应。归纳为以下几种效应。 (1) 界面能传递力，即界面能传递力，即，起到基体和增强物之间的桥梁作，起到基体和增强物之间的桥梁作用。用。 (2) 结合适当的界面有结合适当的界面有、的作用。的作用。28(3) 在界面上产生在界面上产生和和的现象，如的现象，如抗电性抗电性、电感应性电感应性、磁性磁性、耐热性耐热性、尺寸稳定性尺寸稳定性等。等。(4) 光波光波、声波声波、热弹热弹性波性波、冲击波冲击波等在界面等在界面，如，如透透光性光性、隔热性隔热性、隔音性隔音性、耐机械冲击耐机械冲击及及耐热冲耐热冲击击性等。性等。29(5) 一种一种(通常是增强物通常是增强物)使另一种使另一种(通常是聚合物基体通常是聚合物基体)与与之接触的物质的结构之接触的物质的结构，由此产生一些现象，如，由此产生一些现象，如强的弹性强的弹性、低的低的膨胀性膨胀性、耐冲击性耐冲击性和和耐热性耐热性等。等。30，是，是任何一种单任何一种单体材料所没有的特性体材料所没有的特性，它对复合材料具有重，它对复合材料具有重要作用。要作用。例如在例如在粒子弥散强化金属中粒子弥散强化金属中，从而，从而提高复合材料强度提高复合材料强度；在在纤维增强塑料纤维增强塑料中，中，纤维与基体界面纤维与基体界面等。等。31因而因而在任何复合材料中在任何复合材料中，和和的的是关于这种复合材料是关于这种复合材料是否有使用价值是否有使用价值、能否推广使用能否推广使用的一个极重的一个极重要的问题。要的问题。既与既与界面结合状态界面结合状态、形态形态和和物物理理-化学性质化学性质等有关，也与等有关，也与界面两侧组分材界面两侧组分材料的浸润性料的浸润性、相容性相容性、扩散性扩散性等密切相联。等密切相联。32并不是一个单纯的并不是一个单纯的几何面，而是一个几何面，而是一个，界面区是从界面区是从与增强剂内部性质不同的某一与增强剂内部性质不同的某一点开始点开始，直到，直到与树脂基体内整体性质相一与树脂基体内整体性质相一致的点致的点间的区域。间的区域。33界面区域的界面区域的都不同于都不同于两相两相中的任一相中的任一相。从结构上来分，这一从结构上来分，这一由由组成组成(见下图所示见下图所示)：341一外力场；一外力场； 2-场所树脂基体；场所树脂基体；3-基体表面区；基体表面区；4-相互渗透区相互渗透区 5一增强剂表面；一增强剂表面；6-增强剂增强剂每一亚层的性能均每一亚层的性能均与与树脂基体树脂基体和和增强剂增强剂的的性质、性质、偶联剂偶联剂的品种和的品种和性质、复合材料的性质、复合材料的成型成型方法方法等密切有关。等密切有关。35基体和增强物基体和增强物结合在一起，结合在一起，构成复合材料整体，构成复合材料整体，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因此，对于各种复合材料都要求有。36一般是以一般是以分子分子间力间力、表面张力表面张力(表面自由能表面自由能)等表示等表示的，而实际上有的，而实际上有许多因素许多因素影响着影响着界界面结合强度面结合强度。37如表面的如表面的、；表面表面和和程度；程度；表面表面情况，情况，存在；存在；表面表面在界面的在界面的溶解溶解、浸透浸透、扩散扩散和和化化学反应学反应；表面层的表面层的，等。等。38由于由于相对于整体材料相对于整体材料所占比重甚所占比重甚微，欲微，欲单独对某一性能单独对某一性能进行度量有很大困难。进行度量有很大困难。因此常借于因此常借于来来表征表征界面性能界面性能，如，如(ILSS)就是研究就是研究界面粘结的良好办法；界面粘结的良好办法；如再能配合如再能配合等即可等即可对界面对界面的其他性能的其他性能作较深入的研究。作较深入的研究。39由于复合材料的由于复合材料的随随作作用力的类型用力的类型、原材料结构组成原材料结构组成不同不同而异，故破坏可开始在而异，故破坏可开始在或或，也可开始在，也可开始在。40通过通过可看出，可看出，大多呈大多呈剪切破坏剪切破坏，且，且在材料的断面在材料的断面可观察到可观察到、等现象。等现象。但但呈呈脆性脆性也降也降低了材料的复合性能。低了材料的复合性能。41的衡量是的衡量是当受力发生开裂当受力发生开裂时时，。即这时的复合材料具有即这时的复合材料具有和和。42由此可见，在由此可见，在时，时，不应只追求不应只追求而应考虑到而应考虑到。43例如，在某些应用中，如果要求例如，在某些应用中，如果要求或或时，时，控制界面的部分控制界面的部分脱粘脱粘也许是所期望的，用也许是所期望的，用淀粉或明胶作为淀粉或明胶作为增强玻璃纤维增强玻璃纤维表面浸润剂的表面浸润剂的已用于已用于制备具有制备具有高冲击强度的避弹衣高冲击强度的避弹衣。44由于由于且且、对于、对于界面的界面的结合强度结合强度、界面的、界面的厚度厚度、界面的、界面的应力状态应力状态尚无直接的、准确的尚无直接的、准确的定量分析定量分析方法方法；45所以，对于所以，对于界面结合状态界面结合状态、形态形态、结结构构以及它对复合材料以及它对复合材料性能的影响性能的影响尚尚没有适没有适当的试验方法当的试验方法，通常需要借助，通常需要借助、等试验逐步摸等试验逐步摸索和统一认识。索和统一认识。46另外，对于另外，对于也很难作出也很难作出全全面的分析面的分析。因此，这今为止，对复合材料因此，这今为止，对复合材料还是很不充分的，不能以一个还是很不充分的，不能以一个来来建立完整的理论建立完整的理论。尽管存在很大的困难，但由于尽管存在很大的困难，但由于，所以吸引着大量研究者致力于，所以吸引着大量研究者致力于认识界认识界面的工作面的工作，以便掌根其规律。，以便掌根其规律。47是衡量复合材料中增是衡量复合材料中增强体与基体间强体与基体间的一个指标。的一个指标。对复合材料对复合材料的影响很大，的影响很大，界面粘结过高或过弱界面粘结过高或过弱都是不利的。都是不利的。48因此，人们很重视开展复合材料因此，人们很重视开展复合材料和和，以便制得具有，以便制得具有的复合材料。的复合材料。下图给出了下图给出了影响复合材料界面效应的影响复合材料界面效应的因素因素及其与及其与复合材料性能复合材料性能的关系。的关系。4950大量事实证明，大量事实证明，实质实质上是上是纳米级以上厚度的界面层纳米级以上厚度的界面层(Interlayer)或称或称(Interphase)。51是一种是一种随随增强材料增强材料而异，而异，并与并与基体基体有明显差别的新相。有明显差别的新相。界面相也包括界面相也包括在增强材料表面上在增强材料表面上以及增强材料以及增强材料经经表面处理工艺后表面处理工艺后而发生反应的而发生反应的。52中，中，界面层的作用界面层的作用首先是首先是把施加在整体上的力，把施加在整体上的力，这就需要有足够的，这就需要有足够的，粘接过程中，粘接过程中，两相表面能相互润两相表面能相互润湿湿是首要的条件。是首要的条件。53界面层的另一作用界面层的另一作用是是，以及，以及使增强纤维从基体拔出并使增强纤维从基体拔出并发生摩擦发生摩擦。这样就可以。这样就可以增大表面能增大表面能、拔出功拔出功和和摩擦功摩擦功等形式等形式以达到以达到提高其抗破坏能力提高其抗破坏能力。从以上两方面综合考虑，则要求从以上两方面综合考虑，则要求。54设计复合材料时，仅仅考虑到复合材设计复合材料时，仅仅考虑到复合材料具有料具有还不够，还要考还不够，还要考虑究竟虑究竟。55对对有两种观点有两种观点，一种是，一种是应介于应介于增强材料与基体材料之间增强材料与基体材料之间，最好形成最好形成梯度过渡梯度过渡。另一种观点是另一种观点是低于增强材低于增强材料与基体料与基体，最好是一种类似橡胶的，最好是一种类似橡胶的弹性体弹性体，在受力时有较大的形变。在受力时有较大的形变。56前一种观点从前一种观点从来看，将会来看，将会产生好的效果；产生好的效果；后一种观点按照后一种观点按照，则可，则可以将以将集中于界面的应力点集中于界面的应力点迅速分散，从而迅速分散，从而提高整体的力学性能。提高整体的力学性能。57前面的两种观点都前面的两种观点都有一定的实验支有一定的实验支持持，但是尚未得到定论。，但是尚未得到定论。然而无论如何，若然而无论如何，若，将会产生不，将会产生不良的效果，这是大家都公认的观点。良的效果，这是大家都公认的观点。58实验表明，实验表明，由于由于容易容易发生界面反应发生界面反应，生成，生成，在低应力条件下在低应力条件下，界面就会破坏，从而，界面就会破坏，从而降降低复合材料的整体性能低复合材料的整体性能。因此，因此，是设计复合材料的是设计复合材料的一个重要方面。一个重要方面。59界面层的界面层的、等可通过先进等可通过先进的科学仪器进行观察与分析，常用的有的科学仪器进行观察与分析，常用的有俄歇电俄歇电子谱仪子谱仪(AES)、电子探针电子探针(EP)、x光电子能谱仪光电子能谱仪(XPS)、扫描二次离子质谱仪扫描二次离子质谱仪(SSIMS)、电子能电子能量损失谱仪量损失谱仪(EELS)、x射线反射谱仪射线反射谱仪(GAXP)、透射电镜透射电镜(TEM)和和扫描电镜扫描电镜(SEM)等。等。 60在聚合物基复合材料的设计中，在聚合物基复合材料的设计中，首先应考虑首先应考虑。61对对碳纤维表面碳纤维表面上涂覆上涂覆和和，比较后，比较后发现，发现，惰性涂层效果较好惰性涂层效果较好，后一种，后一种而效果不良。而效果不良。将会在界面产生将会在界面产生空隙空隙，易使，易使而使复合材料发生开裂。而使复合材料发生开裂。62另外，选择另外，选择也很重要，也很重要，所所选处理增强材料表面的偶联剂选处理增强材料表面的偶联剂应既含有应既含有能与能与增强材料起化学作用增强材料起化学作用的官能团，又含有的官能团，又含有与聚与聚合物基体起化学作用合物基体起化学作用的官能团。的官能团。63如如使用使用作为偶联剂可使作为偶联剂可使复合材料的性能大大改善，复合材料的性能大大改善，碳纤维经氧化碳纤维经氧化处理或等离子体处理处理或等离子体处理以及以及适当的涂层适当的涂层都可都可以收到很好的效果。以收到很好的效果。64金属基复合材料的特点金属基复合材料的特点是容易是容易而生成而生成。若若基体为合金基体为合金，则还易出现，则还易出现。65有关有关金属基复合材料的界面控制金属基复合材料的界面控制研究主研究主要有以下两方面：要有以下两方面：在增强材料组元上在增强材料组元上以改善增强以改善增强材料与基体的浸润性材料与基体的浸润性，同时涂层还应起到，同时涂层还应起到防防止发生反应的止发生反应的。66改变基体的合金成分改变基体的合金成分，造成，造成形成阻挡层形成阻挡层来来。67在在中，在碳纤中，在碳纤维上涂维上涂涂层；在涂层；在中采用中采用作涂层；在作涂层；在中用中用涂层等都是涂层等都是在增强材料表面在增强材料表面预先涂层预先涂层的例子。的例子。68另外，在另外，在C/A1复合材料中，常用复合材料中，常用，由于，由于Ti的富集的富集形成一层形成一层，可大大，可大大提高复合材料的拉伸提高复合材料的拉伸强度和抗冲击性强度和抗冲击性。69多数多数中中增强材料与基增强材料与基体之间不发生化学反应体之间不发生化学反应，或，或不发生激烈的不发生激烈的化学反应化学反应。有时，有些陶瓷基复合材料的有时，有些陶瓷基复合材料的增强材增强材料与其基体的化学成分相同料与其基体的化学成分相同。70例如，如例如，如增强增强，这种复合材料也希望建立一个，这种复合材料也希望建立一个合适的界合适的界面面，即，即以提高其韧性。以提高其韧性。一般认为，陶瓷基复合材料需要一种既一般认为，陶瓷基复合材料需要一种既能能又能又能的界面层，这的界面层，这样才能充分样才能充分改善陶瓷材料韧性差改善陶瓷材料韧性差的缺点。的缺点。71复合材料是由复合材料是由的的两两种或两种以上种或两种以上复合而成，所以必然复合而成，所以必然存在着不同材料存在着不同材料共有的接触面共有的接触面-。72正是正是使使增强材料与基体材料结合为增强材料与基体材料结合为一个整体一个整体。人们一直非常重视人们一直非常重视，并有大，并有大量的文献报道，但由于量的文献报道，但由于材料的多样化材料的多样化及及界面界面的复杂性的复杂性，至今尚无一个，至今尚无一个来说来说明复合材料的界面行为。明复合材料的界面行为。对复合材料来讲，对复合材料来讲，是复合的首要条件。是复合的首要条件。73 复合材料在制备过程中，只要涉及到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液相与固相的相互作用，必然就有，必然就有问题。问题。74在制备在制备时，一般是把时，一般是把(液态树脂液态树脂)均匀地浸渍或涂刷均匀地浸渍或涂刷在在增强增强材料材料上。上。是指是指树脂能否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，这是树脂与树脂与增强材料能否形成良好粘结增强材料能否形成良好粘结的重要前提。的重要前提。75在制备在制备时，时，液态金属液态金属对增强材料的浸润性对增强材料的浸润性，则直接影响到，则直接影响到。是表示是表示。76意味着意味着液体液体(基体基体)将在增强将在增强材料上铺展开来材料上铺展开来，并，并覆盖整个增强材料表面覆盖整个增强材料表面。假如假如不是太高，不是太高，浸润后导致浸润后导致体系自由能降低体系自由能降低的话，就会发生的话，就会发生。77滴落在一滴落在一时，原来时，原来将被将被和和所所代替，用代替，用 LG 、 SG 、 SL分别代表液分别代表液-气、气、固固-气和固气和固-液的比表面能或称表面张力液的比表面能或称表面张力(即即单位面积的能量单位面积的能量)。78因此，因此，(Spreading Coefficient)被定义为：被定义为：SGLGSL)(LGSLSGSC按照按照，只有，只有体系自由能减体系自由能减少时，液体才能铺展开来少时，液体才能铺展开来，即，即79 只有当只有当时，才能时，才能。不完全浸润的情况如下图所示，根据不完全浸润的情况如下图所示，根据力平衡力平衡，可得可得式中式中 称为接触角。称为接触角。COSLGSLSG/ )(1LGSLSGCOS80（a a）不完全浸润不完全浸润（b）不浸润不浸润不完全浸润不完全浸润(a)和不浸润和不浸润(b)情况示意图情况示意图81由由 可知可知。 0o时，时，液体完全浸润固体液体完全浸润固体； 180o时，时，不浸润不浸润；oo 180o时，时，不完全浸润不完全浸润(或称部或称部分浸润分浸润)，随角度下降，浸润的程度增加。，随角度下降，浸润的程度增加。 90o时常认为时常认为不发生液体浸润不发生液体浸润。82对于一个结定的体系对于一个结定的体系，随着随着温度、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。浸润性仅仅表示了浸润性仅仅表示了，而并不能表示，而并不能表示。83一种体系的一种体系的可能有可能有，但它们之间的，但它们之间的结合可能很弱结合可能很弱，如范德华，如范德华物理键合形式。物理键合形式。因此因此，只是两个组元间可，只是两个组元间可达到达到良好粘结良好粘结的必要条件，并非充分条件。的必要条件，并非充分条件。84为了提高复合材料为了提高复合材料，常常通过常常通过来改善润湿条件，有时也可通过来改善润湿条件，有时也可通过改变基体改变基体成分成分来实现。来实现。85 直接影响着复合材料直接影响着复合材料的的力学性能力学性能以及以及其它物理、化学性能其它物理、化学性能，如，如耐热性、耐蚀性、耐磨性等。耐热性、耐蚀性、耐磨性等。因此自因此自50年代以来，复合材料的年代以来，复合材料的一直是人们致力研究的内容。一直是人们致力研究的内容。86(或称或称粘合粘合、粘着粘着、粘接粘接)是指是指的一种现象。的一种现象。当当紧接着便发紧接着便发生生(Bonding)。87对于一个对于一个给定的复合材料体系给定的复合材料体系，(如机械粘结、静如机械粘结、静电粘结等电粘结等)起作用，而且起作用，而且在不同的生产过程在不同的生产过程中或复合材料的使用期间中或复合材料的使用期间，如由静电粘结变成反应粘结。，如由静电粘结变成反应粘结。88体系不同体系不同，粘结的种类或机理不同粘结的种类或机理不同，这，这主要取决于主要取决于以及以及等。等。主要有主要有、等。等。89 1机械作用理论机械作用理论 机械作用机理如图机械作用机理如图33(a)所示，当两个表所示，当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不平将发生机面相互接触后，由于表面粗糙不平将发生机械互锁械互锁interlocking)。很显然表面越粗糙，很显然表面越粗糙，互锁作用越强，因此机械粘结作用越有效。互锁作用越强，因此机械粘结作用越有效。90界面粘结机理示意图机械作用理论（界面粘结机理示意图机械作用理论（mechanical bonding）91在受到平行于界面的作用力时，机械粘在受到平行于界面的作用力时，机械粘结作用可达到最佳效果，获得较高的剪切强结作用可达到最佳效果，获得较高的剪切强度。但若界面受拉力作用时，除非界面有如度。但若界面受拉力作用时，除非界面有如图中图中A处所示的处所示的锚固锚固形态，否则拉伸强形态，否则拉伸强度会很低。度会很低。在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很难遇到，往往是机械粘结作用与其它粘结机难遇到，往往是机械粘结作用与其它粘结机理共同起作用。理共同起作用。92 2静电作用理论静电作用理论 当复合材料的基体及增强材料的表面带有当复合材料的基体及增强材料的表面带有异性电荷时，在基体与增强材料之间将发生异性电荷时，在基体与增强材料之间将发生静电吸引力，如图所示。静电相互作用的距静电吸引力，如图所示。静电相互作用的距离很短，仅在原子尺度量级内静电作用力才离很短，仅在原子尺度量级内静电作用力才有效。因此表面的污染等将大大减弱这种粘有效。因此表面的污染等将大大减弱这种粘结作用。结作用。93界面粘结机理示意图静电作用理论(electrostatic bonding)94 3化学作用理论化学作用理论 化学作用是指增强材料表面的化学基化学作用是指增强材料表面的化学基(图图33(c)中标有中标有x面面)与基体表面的相容基与基体表面的相容基(标有标有R面面)之间的化学粘结。之间的化学粘结。95界面粘结机理示意图化学作用理论(chemical bonding) R、X分别代表相容的官能团96 化学作用理论最成功的应用是偶联剂用于增化学作用理论最成功的应用是偶联剂用于增强材料表面与聚合物基体的粘结。如硅烷偶联强材料表面与聚合物基体的粘结。如硅烷偶联刑具有两种性质不同的官能团，一端为亲玻璃刑具有两种性质不同的官能团，一端为亲玻璃纤维的官能团纤维的官能团(X)，一端为亲材脂的官能团一端为亲材脂的官能团(R)，将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面上形成共将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面上形成共价键结合，如图价键结合，如图33(d)所示。所示。97界面粘结机理示意图硅烷偶联剂产生的化学粘结98 4界面反应或界面扩散理论界面反应或界面扩散理论 复合材料的基体与增强材料间可以发生复合材料的基体与增强材料间可以发生原子或分子的互扩散或发生反应，从而形原子或分子的互扩散或发生反应，从而形成反应结合或互扩散结合。对于聚合物来成反应结合或互扩散结合。对于聚合物来说，这种粘结机理可看作为分子链的缠结说，这种粘结机理可看作为分子链的缠结(如图所示如图所示)。99界面粘结机理示意图聚合物的反应粘结（reaction bonding）100聚合物的粘结作用正如它的自粘作聚合物的粘结作用正如它的自粘作用一样是由于长链分子及其各链段的扩散用一样是由于长链分子及其各链段的扩散作用所致。而对于金属和陶瓷基复合材料，作用所致。而对于金属和陶瓷基复合材料，两组元的互扩散可产生完全不同于任一原两组元的互扩散可产生完全不同于任一原组元成分及结构的界面层组元成分及结构的界面层(如图所示如图所示)，101界面粘结机理示意图界面扩散形成的界面层102而且界面层的性能也与复合材料组元而且界面层的性能也与复合材料组元不同，对于金属基复合材料，这种界面层不同，对于金属基复合材料，这种界面层常常是常常是AB、AB2、A3B类型的脆性的金属类型的脆性的金属间化合物；对于金属基和陶瓷基复合材料，间化合物；对于金属基和陶瓷基复合材料，形成界面层的主要原因之一是由于它们的形成界面层的主要原因之一是由于它们的生产制备过程不可避免地涉及到高温。在生产制备过程不可避免地涉及到高温。在高温下，扩散极易进行，扩散系数高温下，扩散极易进行，扩散系数D随温随温度呈指数关系增加，按照度呈指数关系增加，按照Arrhenius方程方程10321ktx Q一扩散激活能一扩散激活能D一常数，一常数，R一气体常一气体常数数T一温度。一温度。 温度明显影响着扩散系数，若温度明显影响着扩散系数，若Q250kJmol，并代入上式，则在并代入上式，则在10000C时扩散系数时扩散系数D=21034要比室温大得多。互扩散层的程要比室温大得多。互扩散层的程度即反应层的厚度度即反应层的厚度x取决于时间取决于时间t和温度，可近和温度，可近似表示为似表示为)/exp(0RTQDD104 k一反应速度常数，与扩散系数有关。复合一反应速度常数，与扩散系数有关。复合材料在使用过程中，尤其在高温使用时，界材料在使用过程中，尤其在高温使用时，界面会发生变化并可形成界面层，此外先前形面会发生变化并可形成界面层，此外先前形成的界面层也会继续增长并形成复杂的多层成的界面层也会继续增长并形成复杂的多层界面。界面。105上述理论有一定的实验支待，但也有上述理论有一定的实验支待，但也有矛盾之处。矛盾之处。如静电粘结理论的最有力证明是观察如静电粘结理论的最有力证明是观察聚合物薄膜从各种表面剥离时所发现的电聚合物薄膜从各种表面剥离时所发现的电子发射现象，由电子发射速度算出剥离功子发射现象，由电子发射速度算出剥离功大小与计算的粘结功值和实际结果相当吻大小与计算的粘结功值和实际结果相当吻合。合。106但是静电粘结理论不能解释非线性聚但是静电粘结理论不能解释非线性聚合物之间具有较高的粘结强度这一现象。合物之间具有较高的粘结强度这一现象。因此，每一种粘结理论都有它的局限因此，每一种粘结理论都有它的局限性，这是因为界面相是一个结构复杂而具性，这是因为界面相是一个结构复杂而具有多重行为的相。有多重行为的相。107 结束语结束语