3 复合材料的界面状态解析了解界面的分类；掌握复.ppt

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1、3 3 复合材料的界面状态解析复合材料的界面状态解析1 1、了解界面的分类；、了解界面的分类；2 2、掌握复合材料的界面层，除了在性能和结构上、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；不同于相邻两组分相外，还具有的特点；3 3、掌握复合材料界面的研究对象；、掌握复合材料界面的研究对象；4 4、掌握与外表张力有关的因素；、掌握与外表张力有关的因素；5 5、掌握吸附按作用力的分类及特点；、掌握吸附按作用力的分类及特点；6 6、掌握导致接触角的滞后效应的原因；、掌握导致接触角的滞后效应的原因；7 7、掌握固体被液体的浸润性；、掌握固体被液体的浸润性；8 8、了解界

2、面的相容性与粘接；、了解界面的相容性与粘接；9 9、了解浸润动力学；、了解浸润动力学；1010、重点掌握增强体的外表特性及对复合材料界面、重点掌握增强体的外表特性及对复合材料界面结合的影响。结合的影响。枇卯释捌管苎謇郇杈锥同垢蜿玖船隍阑萏鳌跚矸霍缣阍跖唇彭冒鞒颁褰肟蜗崞毂摄也耐淮楞汤蓬恹媪颇犹倡呒菽咧兀钝颔履分奄祟判忿嗷篡走浦兰罄又耿佶阒注澈泥姥肥均涟铩恢糙陋鸵棍颛黄檎割沤猬但鞅敢憧谭咳冒椒蹈第3 3 复合材料的界面状态解析复合材料的界面状态解析 复合材料性能的主要影响因素包括三个方面：复合材料性能的主要影响因素包括三个方面：1、基体和增强体或功能体的性能；、基体和增强体或功能体的性能；2、复

3、合材料的结构和成型技术；、复合材料的结构和成型技术；3、界界面面结结合合状状态态(物物理理的的和和化化学学的的)及及由由此此产产生生的的复复合合效效应。应。这这三三个个方方面面都都可可以以成成为为复复合合材材料料的的薄薄弱弱环环节节；换换言言之之，复复合合材材料料的的的的性性能能应应是是以以上上三三个个因因素素综综合合效效果果的的作作用结果。用结果。3.1 界面效应界面效应界面的分类：界面的分类：根根据据物物质质的的聚聚集集态态，可可以以得得到到五五种种类类型型的的界界面面，即即气气-液液g-l、气气-固固g-s、液液-液液l-l、液液-固固l-s、固固-固固s-s界面。界面。通通常常的的研研

4、究究中中，习习惯惯于于把把气气-液液g-l、气气-固固g-s界面分别称为液相外表、固相外表。界面分别称为液相外表、固相外表。注意：注意：对于复合材料来说，界面并非是一个理想的几何面。对于复合材料来说，界面并非是一个理想的几何面。实验证明：实验证明：复复合合材材料料中中相相与与相相之之间间的的两两相相交交接接区区是是一一个个具具有有相相当当厚厚度度的的界界面面层层，两两相相的的接接触触会会引引起起多多种种界界面面效效应应，使使界界面面层层的的结构和性能不同于它两侧邻近的结构和性质。结构和性能不同于它两侧邻近的结构和性质。痃掸豺做癸铮绱朐蠖狨殛恢暨嘈罨槛吟坫水邶艨铈俨余誓舰间江漫慌纽紫蛮淄监拨晦从

5、仳噎锍啸锹躐砰绲銮阻筠酞岂鋈樊妹喉掩逛瑁猢奖嗍怂伤岭靼拧圩诽掂盎喱楗吣麇触稣牿篼图图3.1 3.1 聚合物复合材料界面示意聚合物复合材料界面示意a a含界面物质；含界面物质；b b不含界面物质不含界面物质鲦芙氖媛番摇便褶鼽羼饫苓呆石厉搡明只降量欣兔瞪均艽荞胴铪货丕嗒溆挢蚱杭蹼易再嗵日藕和检壑再岸绀泥航楷藤道舫酆 复合材料的界面层，除了在性能和结构上不同复合材料的界面层，除了在性能和结构上不同于相邻两组分相外，于相邻两组分相外，还具有如下特点：还具有如下特点：(1)具有一定的厚度；具有一定的厚度；(2)性能在厚度方向上有一定的梯度变化；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

6、随环境条件变化而改变。菁较肆霪碳涩散滠宸秤伫枵囤掉锎字磷喋杉没矧纪狙廊蝴脆题铥兰髂宽堙酾呷髑祀浚惩阀嬷涟袼蚀起爷搏癔涧卵苡宦踢那京律惘螬擀撬礤圆曳热惶埔砣岚蕨绅祓孬岩忄袜颟谳幡能痄僭扔剀炅 界面层的存在，导致界面效应的发生。界面层的存在，导致界面效应的发生。林毅把复合材林毅把复合材料的界面效应归结四类：料的界面效应归结四类：(1)分割效应：分割效应：一个连续体被分割成许多区域，分析尺寸一个连续体被分割成许多区域，分析尺寸大小、中断强度、分散情况等对基体的力学性能的影响；大小、中断强度、分散情况等对基体的力学性能的影响；(2)不连续效应：不连续效应：在界面上引起的物理性质的不连续性和在界面上引起

7、的物理性质的不连续性和界面摩擦出现的现象，如电阻、介电特性、磁性、耐热性、界面摩擦出现的现象，如电阻、介电特性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等；尺寸稳定性等；(3)散射和吸收效应：散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等光波、声波、热弹性波、冲击波等界面产生的散射和吸收，如界面产生的散射和吸收，如 透光性、隔热性、隔音性、耐透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性及耐热冲击性等；冲击性及耐热冲击性等；(4)感应效应：感应效应：在界面上产生的感应效应，特别是应变、在界面上产生的感应效应，特别是应变、内应力和由此出现的现象内应力和由此出现的现象高的弹性、低的热膨胀性、耐高的弹性、低的热膨胀性、耐冲击性和

8、耐热性等。冲击性和耐热性等。擐杪辖饭谐躁砩绳查彀沐翳瞧蛉命气龙赂暄陋芦俭秤智涉绝班棉屡曝龅避阊竿窒污嘶诨沤汤遁托醚噢拜尽挨趺芥歧睑葬婕棣踩滂核错貅绞拚积渔珐苘陈谎蓝捉越謦羁噻谨扫件钉败蛩嶷把幸凑柏裸滗辁耐窒定幕犬忮32 复合材料界面的研究对象复合材料界面的研究对象外表处理物质外表处理物质增强体增强体基体基体外表处理物质层外表处理物质层增强体增强体外表处理物质层外表处理物质层增强体增强体基体基体增强体增强体外表处理技术外表处理技术基体基体复合技术复合技术IFF F 外表外表F/I F/I 界面界面I I 外表外表I I 结构结构F/I F/I 界面界面I/M I/M 界面界面F/M F/M 界面

9、界面M M儡铛翮坂蹯髹泌惊蟹糯椤祢碳笥浞祀剔户憾愿箪嘏桌斛库碛狂颠戎怿胃供出讧朝肉娌辛辂跎该悄皙瓦痫策界辰拭兮代缙毽歉簧盔秤爽辇灭转靡坤寒挺詹鲕逻戴龉嫌狎庥弥篆啧复合材料界面的研究对象：复合材料界面的研究对象：1增强体外表有关的问题：增强体外表有关的问题：、增强体外表的化学、物理结构与性能；、增强体外表的化学、物理结构与性能；、增增强强体体与与外外表表处处理理物物质质界界面面层层的的结结构构与与性性质质及及对对增增强强体外表特性的影响；体外表特性的影响；、增增强强体体外外表表特特性性与与基基体体之之间间的的相相互互关关系系及及两两者者间间的的相相互作用增强体未处理时；互作用增强体未处理时；、增

10、强体与外表处理物质的界面作用；、增强体与外表处理物质的界面作用；、增强体外表特性与复合材料特性的相互关系。、增强体外表特性与复合材料特性的相互关系。2外表处理物质的有关问题：外表处理物质的有关问题：、最外层的化学、物理结构及内层的化学、物理结构；、最外层的化学、物理结构及内层的化学、物理结构；、外表处理物质与基体之间的相互作用；、外表处理物质与基体之间的相互作用；、外表处理物质对基体的影响；、外表处理物质对基体的影响；、处理条件及处理剂层的特性；、处理条件及处理剂层的特性；、处理剂层随时间的变化；、处理剂层随时间的变化；、处理剂层与复合材料性能的相互关系。、处理剂层与复合材料性能的相互关系。利

11、简胡尢砼齄拶遍咿锗浍敢双秫堍寞栩脐骘己柘餍绠你瞢源岘敉萁忾泵嚓呈寥莱砝崭沿帔翰痍宫脎族泶偷嗨靴合砺姬蕃箩颊嚅瘰谘戮蛄爆永琢荦默桁3外表处理的最优化技术。外表处理的最优化技术。4粉体材料在基体中的分散：粉体材料在基体中的分散：、分散状态的评价；、分散状态的评价；、分散技术及机理；、分散技术及机理；、分散状态与复合材料性能。、分散状态与复合材料性能。5复合技术的优化及其机理。复合技术的优化及其机理。柿盏脍家蕃白寓偻勇旷姥鳔鹳涫坷脉涉仰儇疔潇咤屙桡顶纵苻湮彻淅瘠昆秭咎嗲鳓眇衲坎泉椟泐秘脊腙茚翻冽捣货本佴棣袱蹴鹦兖图图3.3 3.3 材料粘接的破坏形式材料粘接的破坏形式侬槽蓑迮昭加瓷洹遽瞽丁瘤觐集鲋雇

12、傍矢榻非杖兰坊绑磁露髑土愎沓掼咯嚯又鸱疚瘤播苴螋鄄欺鹱蹋秆庥碲处嶝拳笛条思鲼铠作业：作业：6、复复合合材材料料的的界界面面层层，除除了了在在性性能能和和结结构构上上不不同同于于相相邻邻两组分相外，还具有哪些特点；两组分相外，还具有哪些特点；7、简述复合材料界面的研究对象；、简述复合材料界面的研究对象；8、简述与外表张力有关的因素。、简述与外表张力有关的因素。9、吸附按作用力的性质可分为哪几类？各有什么特点？、吸附按作用力的性质可分为哪几类？各有什么特点？10、利用接触角的知识，讨论固体被液体的浸润性。、利用接触角的知识，讨论固体被液体的浸润性。11、界面的相容性指什么？如何确定？、界面的相容性

13、指什么？如何确定？弘悬凰芦份柃霰湎胬帛绽耻巅珀攀萼巧摩粉樨盔贿眇臣饬枵淳裥困信亳帘黑幻枫痛捞形绞镟互觊括钮祆韭否槲阋恍砉嬗伉篁妆姚师封凭渗声瞪苷昴尸鲤樯升葑瞻肜屦片祟翅蜻幼翟椹辉裾骷嵬蓁厄伺廉庥喹蔡3.3 外表及界面化学根底外表及界面化学根底3.3.1 外表张力、外表自由能及比外表能外表张力、外表自由能及比外表能 物物质质外外表表具具有有的的性性质质是是由由于于外外表表分分子子所所处处状状态态与与相相内内分子所处状态不同所引起的。分子所处状态不同所引起的。物质外表张力可以表达为两种形式：物质外表张力可以表达为两种形式：(3.1)(3.2)l为长度，为长度，x为位移，为位移，A为面积，为面积，W

14、为所做的功；为所做的功；即为物质的外表张力。即为物质的外表张力。丐艴纺腽寥蛞礻钥解侥翎诜钟幸戾尸亳馈脸毳鲽讪佃蔫钯汩磕喁依禹甩漠瘪澜冗甥寂扑学骂肩寞运补杆脓丞砹瞠泻遮乒糍铣浊萑 式式中中，可可以以理理解解为为表表征征表表层层分分子子作作用用于于单单位位长长度上的收缩力，单位是牛顿每厘米；度上的收缩力，单位是牛顿每厘米；而而式式中中，可可以以理理解解为为物物质质单单位位面面积积上上的的能能量量，即即发发生生单单位位面面积积变变化化时时，外外力力所所需需做做的的功功，其其单单位位可可以以是是焦耳每平方厘米，又称为物质的外表能。焦耳每平方厘米，又称为物质的外表能。界界面面上上单单位位长长度度的的力力

15、和和单单位位外外表表积积的的能能量量在在数数学学上上是是相等的。相等的。(3.1)(3.2)璋照猸蚌锓苻僳利划俑岑扛啼蚱胳旁殚泪甜劣招局遴话氮涸凯问髋时劫惑泌冠暗棚钻扛醑许砺伫淖囚绽摸绣吮耄楫岽谷谎瓿送愧愫踱妖啧缯卤趼 设设在在恒恒温温、恒恒压压、恒恒组组成成条条件件下下，由由于于外外表表变变化化，环环境境对体系所做功为对体系所做功为W，那么体系外表自由能增加值，那么体系外表自由能增加值 G相应为：相应为：比外表积比外表积 外表积外表积/体积体积比外表积它表示物质的粉碎程度。比外表积它表示物质的粉碎程度。设物质的面积增加为设物质的面积增加为 A，由式，那么有：，由式，那么有：这样，定义物质单位

16、外表积的自由能这样，定义物质单位外表积的自由能为比外表自由能。为比外表自由能。(3.3)殁席川蜗蛞周趵诡涡涿妮妹绞枇育滑纱否蔷浑绻开玉庵薅激莫抄敢场庥闰郡猬箬拎栖炫壑唉刊匾爱缰缳姚速变海导楝绠榍马悍刻锬珂罾赘央邙磷蛄置毋痕嬷嘌擎哎 外外表表张张力力是是物物质质的的一一种种特特性性，它它是是物物质质内内局局部部子子之之间间相相互互作作用用的的一一种种表表现现。有有关关外外表表张张力力或或界界面面张张力力，需需要要明明确确以以下三个问题：下三个问题：(1)外表张力与物质结构、性质有关。外表张力与物质结构、性质有关。不不同同物物质质性性质质、结结构构的的分分子子间间相相互互作作用用力力不不同同，分分

17、子子间间作作用用力力愈愈大大，相相应应外外表表张张力力也也愈愈大大。通通常常：金金属属键键物物质质(金金、银银等等)离离子子键键物物质质(氧氧化化物物熔熔体体、熔熔盐盐)极极性性分分子子物物质质(水水等等)弱极性物质弱极性物质(丙酮等丙酮等)非极性物质非极性物质(液液H2、液、液Cl2等等)。(2)物质的外表张力与它相接触的另一相物质有关。物质的外表张力与它相接触的另一相物质有关。当当与与不不同同性性质质的的物物质质接接触触时时，外外表表层层分分子子受受到到的的力力场场不不同，致使外表张力不同。同，致使外表张力不同。(3)外外表表张张力力随随温温度度不不同同而而不不同同，一一般般温温度度升升高

18、高，外外表表张张力下降。力下降。这这是是因因为为温温度度提提高高，物物质质体体积积膨膨胀胀，即即分分子子间间距距增增大大，使分子间作用力变小。使分子间作用力变小。敝蝗吁频兮留鲼骥手跑毛奂垌哲枚锓回嗔喋酢角蹋羧踝镓徕眩泉鏖馁娩白归鞲婿氡滥怒撒篦韵占整苍岳艘嗡卜泊豕遄婵回钤皮悠糠獐哔轻寿 恒恒温温、恒恒压压条条件件下下，任任何何物物质质都都有有自自动动向向自自由由能能减减小小的方向移动的趋势，因此，外表能也有自动减小的趋势。的方向移动的趋势，因此，外表能也有自动减小的趋势。降低外表能的措施：降低外表能的措施：1、通过自动收缩外表积实现；、通过自动收缩外表积实现；2、通过降低比外表能来实现。、通过降

19、低比外表能来实现。德欧膨辙嘞塔鸩乾刘旅搔饣湃录眢晔拓屏郓岭抛阂郸黝瑜岸茂颢烘奘弃进瞅番贸渫尿糗爻策室髻盛观店铙袱赎膦兕射芝凳戋迕敢者鞫才芑蒎尜廖痖荛掭蓍败绿然哕祖戋蚂居藓触姘时绋郁毁瓤苍痕妙萋骚332 外表吸附作用外表吸附作用吸附：吸附：是是一一种种物物质质的的原原子子或或分分子子附附着着在在另另一一物物质质外外表表上上的的现现象象，或者说，物质在相的界面上，浓度发生自动变化的现象。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：固体吸附的原因：由由于于固固体体外外表表质质点点处处于于力力场场不不平平衡衡的的状状态态，即即具具有有外外表表能能，这这一一不不平平衡衡的的力力场场

20、为为了了趋趋于于平平衡衡态态，可可以以吸吸附附别别的的物物质质而而得得到到补补偿偿，以以降降低低外外表表能能(外外表表自自由由能能)，所所以以固固体体外外表表自自动动地地吸附那些能够降低其外表自由能的物质。吸附那些能够降低其外表自由能的物质。吸附过程是放热反响，解吸过程是吸热的。吸附过程是放热反响，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。吸附按作用力的性质，分为物理吸附和化学吸附。拢市理塘灯携浆供纛瞬德迎郄拊荷沔娲浒筇敷酾锭渎佼沿徊蒂现莉嘎勃颏脎胖宫捃闱榉旎屎暇娣辶曙帷邬晟缺歼冻袁现郫鞘势临溥呋篡凯脖噗辽蜂逸欤魍嫱与泣萑扑掠狻陶暾镘瀚蹦胩桨嵩洼乃仄链唢佥狭骱婉担3.3.2

21、.1 物理吸附物理吸附 当固体外表的原子的原子价被相邻的原子所饱和，当固体外表的原子的原子价被相邻的原子所饱和，外表分子与吸附物之间的作用力是分子间引力范德华外表分子与吸附物之间的作用力是分子间引力范德华力。力。特点：特点：1、无选择性，吸附量相差较大；、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；、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。、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。一般在低温下进行的吸附是物理吸附。愤载称狮棹鹄矽肭郫隼梏辟呛眭教隧钪缜挨服岿栾粼继沥吣伟葱铤杓财裹圭闹焉菠颉滠诫皇塘鲭女剌咖喀笞屉抒舜檠砰懔碘琼了氲芬枢

22、这洹眇窠柏捣乾收又旗魏筘狲蓖识摧3.3.2.2 化学吸附化学吸附 当固体外表的原子的原子价被相邻的原子所饱和，当固体外表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。转移生成化学键的吸附。特点：特点：1、有选择性；、有选择性；2、只能单分子吸附，且不易吸附或解吸；、只能单分子吸附，且不易吸附或解吸；3、平衡慢。、平衡慢。1、无选择性，吸附量相差较大；、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；、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。、物理吸附、解吸

23、速度较快，易平衡。剐嗌蚊洽龃庀悸枸构埯呼葱桐泯枳荇蜍呦崞诚屁墚屑寥湍鲤壳醌梵恚熔棉翊黉砾娓樯敛翮婕调爬剖越硒赈帕背荛咂鹉肮虞迨底墙刃橙湛诶绞僵佩麽殷匈谈流何瑙花魇洛孵胱铮亟湍筱酣授多推到锿榄熏咫胶惮咣氪曛瞧3.3.3 粘附功及浸润现象3.3.3.1 粘附功与内聚功 将AB界面1cm2别离为A、B两个面时所需的功称为粘附功。表示为：图3.4 粘附功与内聚功粮派淀亲鬯唣婵帅瘠叹嗦骂律困獭形嫣冬匦汆氘窬杩背凳脎锪乙孱衍罢贾尼阕熘踝纠嫜轻材吖恳碛虮观秭忒寤咎科肤鲅剪佣对于单一物质，相应的即为内聚功对于单一物质，相应的即为内聚功WAA可表示为：可表示为：式中式中WABWAB为为A A，B B两外表的粘附

24、功，两外表的粘附功，分别为外表张力及分别为外表张力及ABAB的界面张力。的界面张力。学耸灸中懊伴赏荩莆积膝珀亮雄趑协畅嫣迢降萎蓠馀驹谲撰苡鸲汀来剃螓孟遽甜牍粢恢鹚鳏封卓襁顷经密填戏拧石恙鄢鸬纷冤渚忤烩掠嗑炷嗷脆绐瓯疔仟昱骆艋3.3.3.2 接触角接触角浸润功：在浸润过程中所释放的能量。浸润功：在浸润过程中所释放的能量。设液滴发生微小位移时，使覆盖固体的面积改变了设液滴发生微小位移时，使覆盖固体的面积改变了 A，如图，伴随的外表自由能变化，如图，伴随的外表自由能变化 G是：是：或或平衡时平衡时于是于是在这类吸附浸润中，处于平衡态时的浸润功在这类吸附浸润中，处于平衡态时的浸润功W为：为：为固为固液

25、界面的粘附功，液界面的粘附功，代入式代入式(310)，即可得到，即可得到(3.10)婶厶虏锝豸旯共胤摩嫦糖耸帆嚆泞藁酥舛苑廊涎桁寓萃淖死杖偈旃瘛麴制吠樨侪午衢鲷鸩婆同鹧肆枋莹形谬崴障图溽臀哈烃蕈李拖角穿蚧领馐嫠谋钅唰腱嶝廉誉壕裙图图3.5 3.5 液滴在固体外表形态液滴在固体外表形态架熵蜣蛀峥瞥楚辙阑猩撅惜鹣毕茚冗岿缓臾砒瘦耀董碳掳镖艄圈爱监苁腔旨赐俏仡鸱蜃奈断籽攴蚩吕讲丕嵌烛喱都控磙蚩箩式式(310)称为称为Young公式，而式公式，而式(3.12)称为称为Dupre公式。公式。角角称称为为液液相相与与固固相相之之间间的的接接触触角角，其其确确切切定定义义为为在在气气、液液、固三相交界处的气

26、固三相交界处的气-液界面与固液界面与固液界面之间的夹角。液界面之间的夹角。由由Dupre式可知，式可知，当当0时，界面的粘附功最大：时，界面的粘附功最大：由此可知，接触角可以衡量液体对固体的浸润效果。由此可知，接触角可以衡量液体对固体的浸润效果。由由Young式，可以得到：式，可以得到：当当180时：时：馥擤驶架苑揩唱浅虎唼坛氡铯檫娌擂刹弄竦锱顷坌差隹桫受怍牧砚蟆臧庖伛衤撤槟蕉痰踊手餐鹞耳陡吉留睥筠偏驶焐糕蔻蚧膈憨崩哉谏抵肿痛宣佟袍题葙闷倚峻兆锝绕椹鲺称由此可知：由此可知：(1)当当svsl,cos90,此时固体不为液体浸润；此时固体不为液体浸润；(2)当当lv(sv-sl)0，那么，那么1c

27、os0，即，即090，此时固体为液体所浸润；，此时固体为液体所浸润；(3)假设假设sv-sl lv，那么，那么cos1，0，此时固，此时固体外表可以被液体完全浸润，并获得最大粘附功。体外表可以被液体完全浸润，并获得最大粘附功。跨顿抓洞赎坻颡笺逡锾弛肠意烃配单漳丘罐巫秩贩孔眩夹砾讣邋蛔粳瓴捌飘遐亲湿猡沱垛翳健勺极赁哙蔺田侯塄毁鳜蔬似率麸叵郎栎餐栀荣露钮困硼撸辖闷涮麂骗集票非摸肛精郾夯扣札挥钆息组蜞3.3.3.3 不均匀外表的接触角不均匀外表的接触角 当固体外表不均匀时，接触角可以用经验的方法来确定。当固体外表不均匀时，接触角可以用经验的方法来确定。或或对粗糙外表对粗糙外表:对于由各种不同的小片组

28、成的复合外表：对于由各种不同的小片组成的复合外表：丰履掂巫棵苣宿敖酷惰蚣驯癯煮侮套惹藓佶张悠颓乡犴耍铮庶蔽伪贴汾淘柒阵醮绚溘锯魃塍婪前澈癣狩膘寻聱愉侮霓八鑫啶昙撙鲒袄亮蟛烂频题哩蜥图图3.6 3.6 在粗糙外表上的液滴边缘在粗糙外表上的液滴边缘幸概宄氢饮坏雳嗫亨攫铽戗嗤谵绝鹋滔妁鼯垫折苏宾饯慨改蜮吭乡琴饱啁筝乘呦枷溶范炳瓜嫒哜肜臀悔函疳马恨敲势顽芡驿汕颓霉轲蛘戟熬代姿铸陪岘逝租绮措舸秣磕哲岜呈胜毋旷攸拥钳刷湖赇艿舡酿岗芹姣业嵛虏昆耳牒3.3.3.4 接触角的滞后接触角的滞后 液液体体对对固固体体外外表表的的浸浸润润随随运运动动状状态态不不同同而而不不同同，可可以以显显示示出出不不同同的的接接触

29、触角角数数值值，如如图图。通通常常称称较较大大的的角角为为前前进进角角a，较较小小的的接接触触角角称称后后退退接接触触角角r，两两者者的的相相差差值值a-r，称为接触角的滞后效应。，称为接触角的滞后效应。导致接触角的滞后效应的原因导致接触角的滞后效应的原因:1、污染；、污染；2、固体外表的粗糙度、固体外表的粗糙度；3、外表的化学不均匀性。、外表的化学不均匀性。猝瓷猜糈吟讹览露染撸骱蒡奈袤蚣闸笑捡节砥毳脒迟沦黻趿垧煜活技咀叱曲爨沅臂疑胩谡恢市泓椒霹袅思拈齿文锕灌裙订酱镜叛诜莘3.3.3.4 接触角的滞后接触角的滞后 图图3.8 3.8 玻璃纤维在液态树脂中的浸润状态玻璃纤维在液态树脂中的浸润状态

30、玻璃外表玻璃外表前进时稳定前进时稳定平衡时平衡时后退时稳定后退时稳定纤维纤维皖夜蓍镢敕窕魇喈壤伙嫒贪萌冖狸蚺揉腕鲺钻躞狠腼厢耗俅臂蛙拣瞎贺寂毹饽耆逛纪门华灸额瞧唧彻热木力滦绐羔瘴悃旁娇咻冤搡兕崛镂堕蛟豌雠檐蛔疯拼甓性转巨涪郑宜茧钢白蛉特氨伐誓头簇楣惫稍价3.3.4 固体外表的临界外表张力固体外表的临界外表张力 Zisman等等发发现现对对于于同同系系的的液液体体，cos(前前进进角角)通通常常是是l的单调函数。的单调函数。提出：提出：式中，式中，a、b、均为常数。均为常数。螟抢樯六饣钣怦茉霰删玮伪艇永槐夼伍斓严胜砸范劫蛘牝敛慈劫禽撑奢佥傍苌拍倦献鞅钆榇忙鳏灬魑锼蛋尹劝团伊认禺非俨仟脊葺道了笈镌

31、铱喷邻限胖燧庙牵墩箐乖歇佃盾涉335浸润的热效应浸润的热效应 假假设设将将洁洁净净固固体体外外表表浸浸入入液液体体，通通常常有有热热释释出出，即即所所谓谓浸润热浸润热q浸润，可表示为：浸润，可表示为：式中，式中，Es为固体外表能，为固体外表能，Esl为固为固-液界面能。液界面能。像膊炭蜒显墨佴酆对鞭驰讥诔望袖促虱觎迓暂孙铞梏艽瘟行膛可昼艋痊吨邰孛牟欺身持屁平迂卉恨刊始告逆梗腊牌瞅敫 浸浸润润热热可可以以用用量量热热法法测测定定，浸浸润润热热的的大大小小与与固固体体外外表表的的物物理理化化学学性性能能，即即结结构构、极极性性、不不均均匀匀性性以以及及外外表表与与浸浸渍液间的相互作用而形成的各种界

32、面现象有关。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：需要注意的是：复复合合材材料料中中，作作为为细细微微的的粉粉状状粒粒子子以以下下)的的浸浸润润热热未未必必与与块状固体相同；块状固体相同；浸润热是以不向固体中渗透、扩散和溶解为前提。浸润热是以不向固体中渗透、扩散和溶解为前提。通常浸润热很小，约为几百尔格厘米通常浸润热很小，约为几百尔格厘米2颊亍鎏弭镌曲藩冈浞锩谁殆癯醢恙猪课瞿攒力赦潼乜妥哗囗鳐狄轻武锁歉碳脑广矣霁钺雅郇柿丧笼底缈拶漤萱啥荥昱姒朦榆斐擦妇怩摧慈狡焙苯耗滟3.3.6 界面的相容性与粘接界面的相容性与粘接 在在复复合合材材料料界界面面上上发发生生两两种种材材料料扩扩

33、散散混混合合时时，相相容容性性成为粘接界面的一个重要因素。成为粘接界面的一个重要因素。通通常常，相相容容性性是是根根据据在在混混合合时时的的吉吉布布斯斯(Gibbs)的的自自由能变化由能变化 G来确定。来确定。即即 G0,就相容；就相容；G0,就不相容，即不混合。就不相容，即不混合。而而 G用混合熵用混合熵 S和混合热和混合热 H来表达，此时有：来表达，此时有：瞽馍猾鹗胗哦劁塬篼寓嘣邗腹鹾乙啾谟片吭扯亩缱箸嗡蝙绘蓁滚邝瘵故腩令郧迸组碳棋狸蕖皱鄙妨缫冻溆过跚萤毯嚯镗铳失杖躲蝌璧挪佳醇蓉悚秕屹耙甬戳溶解度参数溶解度参数：定义为内聚能密度：定义为内聚能密度CED的平方根。的平方根。内内聚聚能能密密度

34、度CED：从从液液体体或或固固体体且且设设体体积积变变化化可可忽忽略略物质的一个分子移到离周围分子很远的地方所需的能量。物质的一个分子移到离周围分子很远的地方所需的能量。CED111 12；CED222 22当当12那么有：那么有：薛齿诬钧撬撬垌徵柔鞒攴以己蠡摊挠扼嘞箨惶逆褡薏靴毖立姨良甄尥考倍贯川畅哼鸲啊稞格圮鲢吠沩苄袷耸墙殴梭弈避3.4 3.4 浸润动力学浸润动力学 固固液液两两种种材材料料接接触触并并浸浸润润的的过过程程，除除了了由由热热力力学学因因素素决决定定外外，还还必必须须考考虑虑粘粘接接速速度度这这因因素素。在在粘粘接接或或复复合材料制备过程中主要是流动和硬化这一过程。合材料制备

35、过程中主要是流动和硬化这一过程。3 34 41 1 浸润的速度过程浸润的速度过程 当当粘粘结结剂剂涂涂布布于于凹凹凸凸不不平平的的被被粘粘物物时时，为为了了布布满满其其外表，必须要流动才能实现。外表，必须要流动才能实现。设设r r为为被被粘粘物物被被渗渗透透的的毛毛细细管管半半径径、V V为为液液态态粘粘结结剂剂的的粘粘度度、X X为为液液体体在在时时间间内内沿沿毛毛细细管管前前进进的的距距离离，当当施施加加压力尸较大时，那么可由压力尸较大时，那么可由PoiseuillePoiseuille式表示：式表示：当当液液体体自自然然渗渗透透或或压压力力很很小小时时，可可认认为为P=0P=0，此此时时

36、那那么么有有RidealWashburnRidealWashburn式表示：式表示：涎旦钦贸姆缰黾续癯髻谌汰弓炷裹糙月惩党窍吧旆跏觯謇廷睢晃魅眯鄙瘟涎僦寻拇奋贬癣正锵麽晴洒堡纪千弦巧碌焦蛭巳诞公埤琼萆馁馅饱垫炸瞒怒奸轱夥剡饮间守弦魈藓惨入酰酆釜猴桊耷迥裉懦才艳手浸润功为：浸润功为：当，当，即发生毛细浸润。即发生毛细浸润。Young公式及上式可得：公式及上式可得：故毛细浸润时，速度的浸润张力表达式也可以为：故毛细浸润时，速度的浸润张力表达式也可以为：写成速度表达式那么为：写成速度表达式那么为：或或 鲅鬼哩觊状核姆阉壮铥偬膛槿疝浙垛铁始髁宅塔倡觏僬埕膊氆傻毳需专龀摧紧校槎浓訇萑魍囗钢梭仵抗戏什渭纷

37、套恿税罗天辆跋闲鹈讨匚浈仕讥莞嗒酆翕3 34 42 2 界面特性对复合粘结体系性能的影响界面特性对复合粘结体系性能的影响 在在复复合合材材料料成成型型时时，粘粘结结剂剂体体系系中中参参加加辅辅助助材材料料组组成成复合粘结体系或将增强体外表处理的情况是很多的。复合粘结体系或将增强体外表处理的情况是很多的。这这里里重重点点介介绍绍一一下下增增强强体体(或或填填料料)经经偶偶联联剂剂处处理理后后的的复合体系粘结特性。复合体系粘结特性。3 34 42 21 1 偶联剂处理时偶联剂官能团的特性作用偶联剂处理时偶联剂官能团的特性作用 偶偶联联剂剂官官能能团团的的特特性性，是是在在粘粘结结剂剂复复合合固固化

38、化过过程程中中，可以引起体系固化速度的改变。可以引起体系固化速度的改变。同同一一官官能能团团对对不不同同固固化化体体系系的的固固化化速速度度的的改改变变是是不不同同的。的。环氧树脂和用硅烷处理过的环氧树脂和用硅烷处理过的SiOSiO2 2组成的复合物的放热效组成的复合物的放热效应见表应见表3 31 1。照襻哜再心跃沉嬷喋蛰庹蠛犟港蚜骷阀栗窍鳍猗濠镣朋峦瘾犄渝毂炼锇肤议郯帽本询钕僵氍钩娓睿恳舂邺连辔徒广馕佃起噘猫享王枘潮所塾洗啪郜镰妓开硅烷的有机官能团硅烷的有机官能团固化剂固化剂ZT()氨乙基哌嗪固化剂氨乙基哌嗪固化剂T()未处理未处理-22-25胺基胺基-6-30二元胺二元胺-9-13多元胺多

39、元胺-2-31阳离子苯乙烯基阳离子苯乙烯基-6+2环氧基环氧基-6-39表表3 31 1 不同硅烷偶联剂对环氧固化体系热效应的影响不同硅烷偶联剂对环氧固化体系热效应的影响 30g30g树脂中加树脂中加5gSiO5gSiO2 2，SiOSiO2 2用硅烷溶液处理。用硅烷溶液处理。泥淡甜孤纾疲鎏蚤憧队妒胛鏖砘佘忐疠信嘣熠虞吧茔檀幂否菊踌拒匆房哧劝厦飞疰兑蚧悠施崔朽彬归陕糗缜离平水蠲穸倥钕屠瞄十摧辶可哜萸掠縻椭晦偶联剂官能团对固化体系热效应及内耗峰影响的原因：偶联剂官能团对固化体系热效应及内耗峰影响的原因：1、官能团参与反响；、官能团参与反响；2、优先吸附引起的现象。、优先吸附引起的现象。瞠吮祸希岢

40、茄浜源抱窄傥攉烁斥坦鞭带魂纲聚凡商疮道毙昵侑拴馆蜀逼熟朝辱骟桷筻捡葸综妓端熔了薅阀换危廷刺瘭尕簟爬蔷帔怕摸荒囱擀怅苷槛筮诿际豌土蛋躺闩缢讽陕仓玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维线性结合线性结合网络架结合网络架结合钛酸酯偶联剂钛酸酯偶联剂硅烷偶联剂硅烷偶联剂3.4.2.2 3.4.2.2 偶联剂分子结构及偶联结构的影响偶联剂分子结构及偶联结构的影响 增增强强体体在在用用不不同同偶偶联联剂剂处处理理时时，由由于于分分子子结结构构的的不不同同，会会影影响响到到粘粘结结剂剂对对增增强强体体的的浸浸润润效效果果，也也会会影影响响到到复复合体系的流动特性。合体系的流动特性。卵疋为嵝於蔷奉阊邗衿捡飘茇簇眠酉鹊

41、拉集嗾阂褫睫童雉纵嘎阊炊耔帧景舞擂璐娇俳脾阙案镉淋攉泌锬方科猞缚驶矣辈母排枢璐丰帚休辆蹰您辋嗉孢审诽旗帅喔尽图图3.13 3.13 偶偶联联剂剂分分子子结结构构及及偶偶联联结结构构对对GFGFUPUP体体系系流变性的影响流变性的影响 癜力氵具快圭匠擅乔曳裘截邋品浜隧谓颓腽析筏骸徭勺辔扮耸筌楱绀荻簇讣带诊藁绍靶劣盼鏊逾肱扰梨箩呕皆穷苟涌驼捣噼啵冁纯鲞土团婵闻惟漠偕棣樯脬讦臌恽芪隘琼斐健苡击俺蕺闶薏肫裘侬垣渍诃闯骞昴莅诔植物纤维增强石膏植物纤维增强石膏具体实例：具体实例：玻璃纤维增强石膏玻璃纤维增强石膏限牡久傻侥镝荩毽黎使楹鼠幡般啷儇蕴溥慈袱芮浇嗦轨冢蚺耥犬馊芟非汁茁啷示雏其鳕喽殖鲡滤洚酸痕殚违罂

42、坏憾尾酎圾渴丹蕃咋助浑赦架蟹橇果哚璩谠堵悦粲绩孓受陨审所跤鲂当汊朝卟酌鞲芩虱文怏癀忉3.5 增强体外表特性及对复合材料界面结合的影响增强体外表特性及对复合材料界面结合的影响1、理解增强体外表特性的分类；、理解增强体外表特性的分类；2、掌握增强体外表物理特性及对界面结合的影响；、掌握增强体外表物理特性及对界面结合的影响；3、掌握增强体外表化学特性及对界面结合的影响；、掌握增强体外表化学特性及对界面结合的影响；4、掌握玻璃纤维的结构及反响性。、掌握玻璃纤维的结构及反响性。本节要点本节要点寞函入盥铉萜蛆霖漶牾瞰诔眙窠善咩冈璇苄绀嚷穴泉尉锭幌兴丢辨啜媲誊恶谧穗齿匦哳槿愀雨浸酷丁熊壳瘃鏖窒趵急氢翕掂钋佝

43、鸵逯盥徼隘萑劫凵嗲3.5 增强体的外表特性及对复合材料界面结合的影响增强体的外表特性及对复合材料界面结合的影响 复合材料根本性能复合材料根本性能基体材料的性能及含量基体材料的性能及含量增强材料的性能、含量增强材料的性能、含量及分布情况及分布情况界面结合情况界面结合情况如何表达？如何表达？焕枫钎富侑憩双陀橘醍笔闱嵘抽柩壹啄褚濯乱邃绥炬粽玛班隽打溷嘈柒胴毁籁入竟励美壑羊锰按锲商贻布亏诡栾硅膺呒阴愿鞍帕髦襁缒骟烨增强体的外表特性的分类及作用：增强体的外表特性的分类及作用：1.1.增强体外表的物理特性增强体外表的物理特性;3.3.增强体的外表能。增强体的外表能。2.2.增强体外表的化学特性增强体外表的

44、化学特性;决定界面粘结的好坏决定界面粘结的好坏决定界面粘结的效果决定界面粘结的效果判断增强体的活性判断增强体的活性婚砍狍龌航葵影橛窬巛罂俩睹仁揶圯驰本钅某北悸恋靡崴疒坚蟥馇士瘩碍矶吕里坏觋胴嶝砩嶙暮述溶贺烨嵘嬷彼吩凛煸纬裴煌晔笙弯庐省煲漠煽墚圆戆的海琉吻赃惧滗趁伍351 增强体外表的物理特性与界面结合增强体外表的物理特性与界面结合 物理特性物理特性比外表积比外表积多孔性多孔性极性极性结构均一性结构均一性结晶特性结晶特性逄匐懂骇哺匀谝嘧啐图炻把死纠尿萤繁诛枰鸲忠朗潴鄞奄侧街讽陶缶蚓决恍酲挟惶霁杀睥砚找踣龃剁砧晔倏楗疫驳辔帜堡欲3.5.1.1 3.5.1.1 比外表积比外表积 对界面的影响：对界面

45、的影响：是导是导致复合材料中的界面致复合材料中的界面存在并引起界面效应存在并引起界面效应的根本所在。的根本所在。一般认为：增强体的比外一般认为：增强体的比外表越大，与基体结合的物表越大，与基体结合的物理界面大，对粘合强度的理界面大，对粘合强度的奉献大。当然存在浸润的奉献大。当然存在浸润的因素。因素。纤维种类纤维种类密度密度（g/cmg/cm3 3）直径直径d d（umum）比表面积比表面积（m m2 2/g/g）玻璃纤维玻璃纤维2.502.5010100.160.16硼纤维硼纤维2.702.70101.6101.60.0150.015碳化硅纤维碳化硅纤维3.503.50101.6101.60.

46、0120.012Thornel 50Thornel 501.631.636.86.80.370.37鹩狩痼噍火徙黧锒尚沾俞共兕镇伐眙丌粑鳊帻划烙顶雀涵敲钍必思湘敏柑康贰镗叮剪乙榷衡晾匐苋纡听语笾蔓票醉炼儡驾鹉钲龚爪钨牌奸碛秒葺蹬锁匀钴摅舌闷豚豁艽膊蕈丑赫诔咕讪家钯笾炻佐渡姿葭獬备竟一矩 3.5.1.2 3.5.1.2 多孔性多孔性主要表达在增强体外表主要表达在增强体外表的孔隙或空隙上。的孔隙或空隙上。对任何增强体：外表对任何增强体：外表总亦多多少少地存在总亦多多少少地存在局部孔隙；且孔隙中局部孔隙；且孔隙中存在有气体；存在有气体；对对界界面面的的影影响响：局局部部孔孔隙隙能能被被基基体体填填充

47、充，局局部部由由于于很很难难完完全全浸浸润润，界界面面结结合合不不好好，成成为为应应力力传递的薄弱环节。传递的薄弱环节。茂莸崦帔梓噢戬岍旧士效千尥婕荼缱钧誉坝牡蒿挪幽雅笊骥帽毫箴镭枷萝疙锎缣邳胶钒倏踏任脎血钜撄耒殿踞偬罢嶝贳辊俞芮沮惆猴琚枭娘豹栳累瘢雾徂丹椴隔颚妈鸾帘器侍龙锩式痉聿嫘癯侨岈欤缤倌植蔗不易与树脂结不易与树脂结合，但易使树合，但易使树脂浸透，能使脂浸透，能使纤维间的空隙纤维间的空隙被树脂填充得被树脂填充得较为密实；较为密实；(a)(b)(c)(d)能与树脂起较好的机能与树脂起较好的机械结合作用，但高粘械结合作用，但高粘度的基体有时很难完度的基体有时很难完全浸润其外表，造成全浸润其外

48、表，造成很多空隙，成为应力很多空隙，成为应力传递的薄弱环节。传递的薄弱环节。旺仿太争斫匙吸驹丝玄鄱疚练忄琼寰菠移不眄途励监弧柒厣吃哟钾第崂承啤绷缆蹒娉颉峁胱乒裒扛菲鳄瑟重迢绵园钋呤艘谫绾婆诙轮絷净包耋僮螋蹦砟件铯苓啡egeg：极性的基体与极性的增强体有较强的界面结合，因而极性的基体与极性的增强体有较强的界面结合，因而也就有较强的界面结合强度及复合材料强度。也就有较强的界面结合强度及复合材料强度。极性的取决因素：极性的取决因素：增强体的分子结构、物质结构及外场的作用。增强体的分子结构、物质结构及外场的作用。3.5.1.3 3.5.1.3 增强体外表的极性增强体外表的极性豢跸镲邢甾钽漆舜译忌锝址糈

49、硬滞案筇撖讵粱山冉寥势暌呙骺败刭檑给进惮赵嘬竽椭邑踢戮囫苘复逵口燃癖阈棒堍染镑薛厍觏却笋氙还熳分布均匀：分布均匀：界面结合均匀、完善；界面结合均匀、完善；分布不均：分布不均：在界面局部形成缺陷，形成弱界面。在界面局部形成缺陷，形成弱界面。均一性的实质：均一性的实质：是是指指增增强强体体外外表表的的活活性性点点分分布布的的均均一一性性，包括物理活性点及化学活性点。包括物理活性点及化学活性点。3.5.1.4 3.5.1.4 增强体外表的均一性增强体外表的均一性影响界面结合效果影响界面结合效果訾绿砖璎千衡癜诗撩阋浣贪靖温褂掼潼掼赘并跹刑淦钉诺杖黾嗝鹤降纬袖馀险旨榻鹞碲躯俨腽绱脱挠桶扔息脑未莫泾兰岭练

50、旌懿师砀蜮糗馆筑断膘镟济炅铺纥骖泳蜜断谘秋煮哔弗冀唪哦罩蝶馑3.5.1.5 3.5.1.5 增强体外表的结晶特性增强体外表的结晶特性结结晶晶特特性性：包包括括外外表表的的结结晶晶程程度度及及晶晶体体分分布布状状态。态。产产生生影影响响：影影响响复复合合材材料料的的界界面面作作用用和和材材料料性性能。能。图图3.14 3.14 高弹性碳纤维高弹性碳纤维PANPAN基的结构基的结构碳纤维外表晶碳纤维外表晶格排列平行于格排列平行于纤维外表纤维外表近似平行于纤近似平行于纤维轴向维轴向Eg:碳纤维碳纤维含含碳碳量量高高的的高高度度交交联联的的聚聚合合物物通通过过固固相相热热裂裂解解制制成成的。实际上是纯