复合材料界面课件.ppt

1、纤维织物粒子热固性树脂热塑性树脂芳纶玻璃纤维碳纤维环氧树脂不饱和聚酯树脂酚醛树脂聚砜PC、PP、复复合材料的组组成基体基体Matrix增强体增强体Reinforcement界面界面InterfaceMatrix 基体Fiber 纤维Interface 界面Interphase 界面相是两种固相物质间的组合是两种固相物质间的组合各组分间的界面存在界面效应各组分间的界面存在界面效应复合材料复合材料-除了研究组分、分散相的分散状况外，除了研究组分、分散相的分散状况外，更需研究各组分间的界面问题更需研究各组分间的界面问题 复合材料的特征体现：复合材料的特征体现：如何使纤维与基体间形成合理的结合高性能纤

2、维面临的问题高性能纤维面临的问题-表面处理表面处理提高复合材料性能界面层的结构界面层的结构 相界是复合材料研究关注的焦点-组成复合材料的组分要表现出一个，必须而且只能通过界面层的来实现。界面界面表面表面真空下，物质内部与真空之间的过渡区两相态接触的分解层晶界相界气、液、固界面使不同材料结合成为一个整体，并且对整体的性能有着决定性的影响phasephase相接触两相间的过渡区，称为界面相物质内部，称为本体相界面形成的两个条件界面形成的两个条件界面层的作用界面层的作用界面形成的两个条件界面形成的两个条件 （1 1）基体与填充物之间能够）基体与填充物之间能够浸润和接触浸润和接触，而能否浸润则主要取决

3、于它们的表面自由能，而能否浸润则主要取决于它们的表面自由能，即表面张力即表面张力-材料之间的浸润一般用接触角来衡量（液材料之间的浸润一般用接触角来衡量（液/固间浸润）固间浸润）svsllv气液固 90，sv sl，此时液体不能润湿固体=180 时，液滴呈球状。0 sv-sl0，此时液体能润湿固体。=0，液体能完全湿润固体界面研究的一个重要内容界面研究的一个重要内容-填充材料的填充材料的表面处理表面处理（2 2）基体材料与填充材料间通过相）基体材料与填充材料间通过相互作用而使界面固定下来，形成固互作用而使界面固定下来，形成固定的界面层定的界面层-体现材料复合效果体现材料复合效果的核心的核心 界面

4、层的作用：界面层的作用：使基体材料与填充材料形成一个整体，使基体材料与填充材料形成一个整体，并通过它传递应力。并通过它传递应力。为使界面层能够均匀地传递应力，充分发挥填充材料的作用，就要求复合材料在制造过程中形成一个完整的界面层。界面层的结构界面层的结构界面粘合力的性质界面粘合力的性质界面层的厚度界面层的厚度界面层的组成界面层的组成 界面粘合力界面粘合力-存在于存在于之间之间宏观结合力-不包含化学键和次价键微观结合力-包含有化学键和次价键它是由裂纹及表面的凹凸不平而产生的机械铰合力。这两种键的相对比例取决于组成成分及其表面性质。界面层的结构界面层的结构 在众多结合力中，化学键的结合是在众多结合

5、力中，化学键的结合是最强的结合，是界面粘结强度贡献最大的积最强的结合，是界面粘结强度贡献最大的积极因素极因素制备复合材料时，尽可能向界面位置引入反应基团，以增加化学键的比例，有利于提高复合材料性能。界面层的结构界面层的结构提供更好的粘合力环境界面层的结构界面层的结构化学键理论化学键理论界面浸润理论界面浸润理论物理吸附理论物理吸附理论变形理论变形理论拘束层理论拘束层理论扩散层理论扩散层理论减弱界面局部应力减弱界面局部应力作用理论作用理论 填充材料（特别是增强材料）与基体之间填充材料（特别是增强材料）与基体之间必须形成化学键才能产生良好的粘结强度，形必须形成化学键才能产生良好的粘结强度，形成理想的

6、界面。成理想的界面。化学键化学键-共价键共价键 氢键氢键 形成的条件-表面活性原子表面活性原子+基团数量基团数量+化学活性化学活性化学键理论化学键理论在理论上可获得最强的界面结合（210 220 J/mol）这对在偶联剂的选择方面有一定指导意义。Z2 =K cost/树脂流入量 Z 与液体表面张力 、接触角 、时间 t 和孔径成正比，与粘度 成反比。界面浸润理论界面浸润理论 界面结合是属于机械铰合和基于次价键作用的物理吸附。粘结作用的优劣取决于材料相互之粘结作用的优劣取决于材料相互之间的浸润性。该理论实质上是指两个理想的清洁间的浸润性。该理论实质上是指两个理想的清洁表面，靠物理作用，以表面能为

7、基础的吸附作用。表面，靠物理作用，以表面能为基础的吸附作用。物理吸附理论物理吸附理论被粘物体表面粗糙不被粘物体表面粗糙不平的凸凹结构及疏松平的凸凹结构及疏松孔隙结构，有利于界孔隙结构，有利于界面的结合面的结合被粘结物体表面形状被粘结物体表面形状不规整的孔穴越多，不规整的孔穴越多，则粘结强度就会越高则粘结强度就会越高 物理吸附（浸润）理论要求被粘结物体物理吸附（浸润）理论要求被粘结物体表面必须有大量的槽沟、多孔穴等，会出现某些表面必须有大量的槽沟、多孔穴等，会出现某些负效应负效应。更多地从化学键合化学键合的角度来解决界面问题 材料的表面处理材料的表面处理物理吸附理论物理吸附理论 纤维经处理后，在

8、界面上形成一层塑性层，松弛和减缓界面处的应力集中。变形理论变形理论 界面区的模量介于基体和纤维之间时可最均匀地传递应力。拘束层理论拘束层理论 偶联剂形成的界面是能与树脂相互扩散的聚合物硅氧烷层或其它的偶联剂层。扩散层理论扩散层理论 减弱界面局部应力作用理论减弱界面局部应力作用理论 基体与纤维之间的处理剂提供了一种具有“自愈合能力”的化学键，在载荷作用下处于不断形成与断裂的动态平衡。同时应力得以松弛，减缓了界面处的应力集中。双赢的表面处理境界 表面处理的双效性表面处理的双效性 达到改善复合材料性能的纤维表面处达到改善复合材料性能的纤维表面处理，具有双重效果：理，具有双重效果：改善纤维的表面性能，

9、促进纤维与基体界面的结合 破坏纤维的表面状态，影响纤维的力学性能 表面处理程度的控制表面处理程度的控制 控制表面处理程度的考虑因素控制表面处理程度的考虑因素 处理对象因素处理对象因素 处理技术因素处理技术因素 应用目的因素应用目的因素芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法玻璃纤维的表面处理方法玻璃纤维的表面处理方法玻璃纤维的表面处理方法玻璃纤维的表面处理方法 玻璃纤维在复合材料中主要起承载作用。为了充分发挥玻璃纤维的承载作用,减少玻璃纤维和树脂基体差异对复合材料界面的影响,提高与树脂基体的粘合能力,因此有必要对玻璃纤维的表面进行处理,使之能够很好地

10、与树脂粘合,形成性能优异的界面层,从而提高复合材料的综合性能。玻璃纤维表面的偶联剂处理玻璃纤维表面的偶联剂处理玻璃纤维接枝处理玻璃纤维接枝处理等离子体处理等离子体处理表面处理方法主要有：表面处理方法主要有：所谓偶联剂是分子中含有两种不同性质基团的化合物，其中一种集团可与增强材料发生化学或物理的作用，另一种基团可以与基体发生化学或物理的作用。通过偶联剂的偶联作用，使基体与增强材料实现良好的界面结合，从而显著提高复合材料的性能。偶联剂主要分为有机硅烷偶联剂，有机铬偶联剂，钛酸酯类偶联剂等。玻璃纤维表面玻璃纤维表面的偶联剂处理的偶联剂处理玻璃纤维的表面处理方法玻璃纤维的表面处理方法玻璃纤维的表面处理

11、方法玻璃纤维的表面处理方法玻璃纤维的表面处理方法玻璃纤维的表面处理方法玻璃纤维的表面处理方法玻璃纤维的表面处理方法 由于偶联剂的独特性质,利用偶联剂和其它物质的协同效应对玻璃纤维的表面进行处理,如运用氯化物和硅烷偶联剂混合处理玻璃纤维的表面,可显著改善PP/GF 复合材料强度,特别是采用具有热稳定性的氯化二甲苯,其性能最优异。玻璃纤维的表面处理方法玻璃纤维的表面处理方法玻璃纤维接枝玻璃纤维接枝处理处理 聚烯烃类基体缺乏活性反应官能团聚烯烃类基体缺乏活性反应官能团,难以与难以与偶联剂形成化学键偶联剂形成化学键,用偶联剂不会起到应有的用偶联剂不会起到应有的效果。为了玻璃纤维在聚烯烃类基体中很好的效

12、果。为了玻璃纤维在聚烯烃类基体中很好的应用应用,需要寻找一种方法使聚烯烃类基体与玻需要寻找一种方法使聚烯烃类基体与玻璃纤维有良好的界面粘合。国内外的学者用不璃纤维有良好的界面粘合。国内外的学者用不同的方法使高分子链接枝到玻璃纤维的表面上同的方法使高分子链接枝到玻璃纤维的表面上,使玻璃纤维在界面处产生一个使玻璃纤维在界面处产生一个柔性界面层柔性界面层。柔。柔性界面层的引入使复合材料能在成型以及受到性界面层的引入使复合材料能在成型以及受到外力作用时所产生的界面应力得到松弛外力作用时所产生的界面应力得到松弛,使复使复合材料具有较高的冲击性能。合材料具有较高的冲击性能。玻璃纤维的表面处理方法玻璃纤维的

13、表面处理方法 Salehi 等用2 种方法对玻璃纤维的表面接枝处理:(1)采用界面缩聚的方法处理玻璃纤维的表面;(2)玻璃纤维表面经含有过氧键硅烷偶联剂处理,再用缩聚的方法处理。2 种方法都可以得到柔性界面层。玻璃纤维的表面处理方法玻璃纤维的表面处理方法等离子体处理等离子体处理 等离子体不适于玻璃纤维的表面处理,用适当的处理方式也能获得好的玻纤表面。李志军研究了等离子体对玻璃纤维处理的机理:使玻璃纤维表面的官能团发生变化,产生轻微刻蚀,扩大玻璃纤维的有效接触面积,改善基体对玻璃纤维的浸润状况,使界面粘合增强。结果表明:等离子体处理的玻璃纤维作为增强体的复合材料力学性能提高了23 倍,还明显降低

14、复合材料的吸湿率,改善复合材料的耐湿热稳定性。玻璃纤维的表面处理方法玻璃纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法 碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)由于具有密度小、比强度高、比模量高、热膨胀系数小等一系列优异特性,在航天器结构上已得到广泛的应用。碳纤维表面惰性大、表面能低,缺乏有化学活性的官能团,反应活性低,与基体的粘结性差,界面中存在较多的缺陷,直接影响了复合材料的力学性能,限制了碳纤维高性能的发挥。为了改善界面性能,充分利用界面效应的有利因素,可以通过对碳纤维进行表面改性的办法来提高其对基体的浸润性和粘结性。国内外对碳纤维表面改性的研究进行得十分活跃,主要有等,经表面改

15、性后的碳纤维,其复合材料层间剪切强度有显著提高。碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法氧化处理氧化处理气相氧化法气相氧化是用氧化性气体来氧化纤维表面而引入极性基团(如OH 等),并给予适宜的粗糙度来提高复合材料层间剪切强度。碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法 表面臭氧氧化法可将纤维表面残余浆料清除,并在纤维表面刻蚀出均匀的浅沟槽,有利于树脂与纤维间的机械铰合的作用;表面含氧量的增加也可以在一定程度上改善CF 与非极性PAA 树脂

16、间的浸润性能;氧化处理后得到的CF 活性表面为对其进行进一步的接枝、偶联、涂层等各种改性处理奠定了基础。碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法氧化处理氧化处理气相氧化法液相氧化法 液相氧化处理对改善碳纤维/树脂复合材料的层间剪切强度很有效。硝酸、酸性重铬酸钾、次氯酸钠、过氧化氢和过硫酸钾等都可以用于对碳纤维进行表面处理。由于液相氧化的方法较气相氧化法温和,不易使纤维产生过度的刻蚀和裂解,而且在一定条件下含氧基团数量较气相氧化多,因此是实践中常用的处理方法之一。碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法 铬酸处理液具有强氧化性,纤维经铬酸氧化处理后,发生夺氢反应,使纤维表面部分分子链断裂形成自由

17、基,然后被氧化成为羟基、羰基或羧基,使纤维表面整体酸性官能团含量提高,并且使表面沟槽化,可以显著改善与树脂的粘结性。铬酸处理一方面增加了纤维表面粗糙度和官能团含量,使纤维复合材料的层间剪切强度(IL SS)提高;另一方面使纤维的拉伸强度下降。碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法 液相氧化和表面活性上胶剂涂覆相结合的复合处理具有协同效应,可以在纤维表面接枝活性官能团,使纤维与树脂基体产生化学键合,基本不降低纤维强度而大幅度提高复合材料的层间剪切强度,是一种方便有效的表面处理方法。碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法氧化处理氧化处理气相氧化法液相氧化法电化学氧化法 电化学氧化法处理利用了碳

18、纤维的导电性,一般是将碳纤维作为阳极置于电解质溶液中,通过电解所产生的活性氧来氧化碳纤维表面而引入极性基团,从而提高复合材料性能。与其它氧化处理相同,电化学氧化使纤维表面引入各种功能基团从而改善纤维的浸润、粘敷特性及与基体的键合状况,增强碳纤维复合材料的力学性能。国内房宽峻等通过正交试验的方法对碳纤维在酸、碱、盐3类电解质中的电化学氧化进行研究,认为在氧化过程中,电解质种类是影响处理后碳纤维表面酸性官能团的最主要因素,其次是处理时间和电流密度,电解质浓度的影响不显著。碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法 碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法 将碳纤维浸入5%的NH4HCO3 水溶液中,

19、以碳纤维作阳极,石墨作阴极,在电压10V、电流2A 的条件下对碳纤维进行表面阳极氧化处理2 min。碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法 经适当的阳极氧化处理后,一方面碳纤维表面大的晶棱被刻蚀,露出活性碳原子,非极性表面自由能增加,同时由于氧化作用在活性点处引入含氧、含氮的极性官能团,使极性表面自由能增加,碳纤维表面自由能极性成分和非极性成分的共同作用使纤维表面自由能增加,纤维与树脂的浸润性提高。另一方面,纤维表面的含氧和含氮的极性官能团可在制备复合材料时与环氧树脂体系形成较强的化学键和氢键,使纤维与树脂之间的粘合性能得到改善,从而提高了复合材料的界面性能。碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面

20、处理方法碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法复丝拉伸断口的SEM 照片碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法复丝拉伸断口的SEM 照片碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法表面涂层处理表面涂层处理碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法气相沉淀处理 近年来,用气相沉积技术对碳纤维进行涂覆处理是碳纤维改性的一个重要方面。涂层方法主要有2种,一是把碳纤维加热到1200,用甲烷(乙炔、乙烷)-氮混合气体处理,甲烷在碳纤维表面分解,形成无定型碳的涂层。处理后所得到的复合材料层间剪切强度可提高两倍。另一种方法是先用喹啉溶液处理碳纤维,经干燥后在1600下裂

21、解,所得到的复合材料层间剪切强度可提高27倍。另外还可以用羧基铁、二茂铁和酚醛等热解后的沉积物来提高界面性能。气相沉积处理是在碳纤维和树脂的界面引入活性炭的塑性界面区来松弛应力,从而提高了复合材料的界面性能。表面涂层处理表面涂层处理碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法气相沉淀处理表面电聚合 表面电聚合技术是近年来发展起来的碳纤维表面改性的一项新技术,在电场的引发作用下使物质单体在碳纤维表面进行聚合反应,生成聚合物涂层,从而引入活性基团使纤维与基体的连接强度大幅提高。表面涂层处理表面涂层处理碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法气相沉淀处理表面电聚合偶联剂涂层 偶联剂提高复合材料中界面粘接

22、性能的应用非常广泛,用硅烷偶联剂处理玻璃纤维的技术已有较成熟的经验。用它处理碳纤维(低模量)同样可以提高碳纤维增强树脂基复合材料的界面强度。但对高模量碳纤维效果不明显。偶联剂为双性分子,一部分官能团能与碳纤维表面反应形成化学键,另一部分官能团与树脂反应形成化学键。这样偶联剂就在树脂与碳纤维表面起到一个化学媒介的作用,将二者牢固地连在一起。但由于碳纤维表面的官能团数量及种类较少,用偶联剂处理的效果往往不太理想。表面涂层处理表面涂层处理碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法气相沉淀处理表面电聚合聚合物涂层偶联剂涂层 碳纤维经表面处理后,再使其表面附着薄层聚合物,这就是所谓的上浆处理。其涂覆层即保

23、护了碳纤维表面,同时又提高了纤维对基体树脂的浸润性。常用的聚合物有聚乙烯醇、聚醋酸乙烯、聚缩水甘油醚、酯环族环氧化合物等,这些聚合物都含有两种基团,能同时与碳纤维表面及树脂结合。树脂浆料的用量一般为碳纤维质量的0.4%5%,最佳含量为0.9%1 6%。表面涂层处理表面涂层处理碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法气相沉淀处理表面电聚合聚合物涂层偶联剂涂层表面生成晶须法 在碳纤维表面,通过化学气相沉积生成碳化硅、硼化金属、TiO2、硼氢化合物等晶须,能明显提高复合材料的层间剪切强度,并且晶须质量只占纤维的0.5%4%,晶须含量在3%4%时层间性能达到最大。生长晶须的过程包括成核过程以及在碳纤维

24、表面生长非常细的高强度化合物单晶的过程。尽管晶须处理能获得很好的效果,但因费用昂贵、难以精确处理,故工业上无法采用。离子体处理离子体处理碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法 用等离子体对碳纤维表面进行辐射,可以使碳纤维表面发生化学反应,从而引入活性基团,改善碳纤维的表面性能。等离子体处理包括高温和低温处理2种。高温处理时温度为40008000K,设备功率为10kW(8MHz),在含有5%15%氩气的混合气中产生等离子体。低温处理是在惰性气体中、0150、1 1053 105Pa 下产生等离子体。等离子体处理能明显改善碳纤维表面与树脂基体的结合力,且不影响其它性能。等离子体处理有以下几个优点

25、:(1)可以在低温下进行,避免了高温对纤维的损伤;(2)处理时间短,几秒钟就能获得所需要的效果;(3)经改性的表面厚度薄,可达到几微米,因此可以做到使材料表面性质发生较大变化,而本体相的性质基本保持不变。碳纤维的表面处理方法碳纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法 芳纶纤维以其高比模量、高比强度、耐疲劳等优异性能在航空航天领域得到了广泛的应用。但是从其结构可知,它是刚性分子,分子对称性高,横向分子间作用力弱,且分子间氢键弱,在压缩及剪切力作用下容易产生断裂。因此,为了充分发挥芳纶优异的力学性能,对芳纶表面进行改性处理,改善芳纶增强复合材料的界面结合状况成为材料科学界研究

26、的一个热点。目前,针对芳纶进行的表面改性技术,主要集中在利用化学反应改善纤维表面组成及结构,或借助物理作用提高芳纶与基体树脂之间的浸润性。表面涂层法表面涂层法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法 表面涂层法是在纤维表面涂上柔性树脂,而后与基体复合。涂层可以钝化裂纹的扩展,增大纤维的拔出长度,从而增加材料的破坏能。这类处理剂主要是改善材料的韧性,同时又使材料的耐湿热老化性能提高。目前用于芳纶的涂层主要是饱和、不饱和脂肪族酯类,包括SVF-200 硅烷涂层、Estapol-7008 聚氨酯涂层等。化学改性技术化学改性技术 化学改性方法是利用化学反应,在纤维表面引入可反应的基团,从而在与基体

27、复合时产生共价键,增加材料的界面性能。化学改性方法一般分为表面刻蚀和表面接枝。芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法化学改性技术化学改性技术表面刻蚀技术 表面刻蚀技术是通过化学试剂处理芳纶,引起纤维表面的酰氨键水解,从而破坏纤维表面的结晶状态,使纤维表面粗化。一般表面刻蚀技术采用的化学试剂为酰氨。芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法化学改性技术化学改性技术表面刻蚀技术表面接枝技术 表面接枝技术改性芳纶是化学改性方法中研究最多的技术。根据接枝官能团位置的不同,可将表面接枝技术分为两大类:一是发生在;另一种则是。芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法等离子体表面改性技术等离子体

28、表面改性技术芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法 等离子体处理技术是目前进行芳纶表面改性技术中研究最多的一种方法。目前,用于芳纶表面改性的多为冷等离子体。低温等离子体中粒子的能量一般约为，大于聚合物材料的结合键能(几个至十几电子伏特)，完全可以破裂有机大分子的化学键而形成新键；但远低于高能放射性射线，不影响基体的性能。处于非热力学平衡状态下的低温等离子体中，电子具有较高的能量，可以断裂材料表面分子的化学键，提高粒子的化学反应活性(大于热等离子体)，而中性粒子的温度接近室温，这些优点为热敏性高分子聚合物表面改性提供了适宜的条件。芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处

29、理方法芳纶纤维的表面处理方法 冷等离子体接枝处理方法可以在纤维表面引入特定结构的官能团，通过改变纤维的表面结构调整纤维表面与基体之间的极性相互作用，增加了纤维与基体之间的化学键合作用。根据界面浸润理论，极性作用的增强和化学键合的加强使复合材料的界面粘合功增大，提高了复合材料的界面粘合强度，进而提高复合材料的抗层间剪切强度。芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法 高能射线可使单体或低聚物接枝在惰性聚合物表面的原理，对粘胶基纤维进行 射线辐射接枝，在纤维表面形成

30、与树脂相容性更好的涂层，以提高纤维与树脂的粘接性能。这种方法不需催这种方法不需催化剂或引发剂，可在常温下进行反应，是很有发化剂或引发剂，可在常温下进行反应，是很有发展前途的一种改性技术。展前途的一种改性技术。芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法 -射射线辐线辐照照处处理理纤维主要主要发发生生两种两种作用：作用：一是一是，利用，利用 射射线辐线辐照引照引发发光化光化学学自由自由基反基反应应，使，使纤维纤维的皮的皮层与层与芯芯层层之之间发间发生交生交联联反反应应，提高提高纤维纤维的的横横向抗拉强度；另一向抗拉强度；另一种种方法是方法是，利用，利用 射射线线促促进进纤维与与表面涂覆物表面涂覆

31、物发发生自由生自由基反基反应应，增加，增加纤维纤维表面表面极极性基性基团团的的数数量，量，从从而提而提高芳高芳纶纶的的润湿润湿性、粘附性，改善界面性、粘附性，改善界面状况状况。芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法 若在若在 辐照过程中将纤维放入一定单体的溶辐照过程中将纤维放入一定单体的溶-液环境中，还可将某些单体接枝到纤维表面，在液环境中，还可将某些单体接枝到纤维表面，在界面形成较强的化学键合，并且由于接枝使纤维界面形成较强的化学键合，并且由于接枝使纤维表面能升高，物理镶嵌作用也相应地得到加强，表面能升高，物理镶嵌作用也相应地得到加强，因而，因而，射线射线-辐照接枝技术可以提高纤维增强

32、辐照接枝技术可以提高纤维增强复合材料的力学性能。复合材料的力学性能。芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法 超声浸渍技术是处理纤维增强复合材料超声浸渍技术是处理纤维增强复合材料界面的改性技术。俄罗斯首先对超声改性技界面的改性技术。俄罗斯首先对超声改性技术进行了研究，指出术进行了研究，指出超声辐射技术主要是利超声辐射技术主要是利用超声在液体中引起气泡的破裂时产生的高用超声在液体中引起气泡的破裂时产生的高温、高压及局部激波作用引起树脂浸渍纤维温、高压及局部激波作用引起树脂浸渍纤维的变化。的变化。超声浸渍技术超声浸渍技术芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维

33、的表面处理方法超声处理可对纤维表面进行清洁工作，减少了界面区的薄弱点；空化作用产生的高压高温，把树脂打入纤维表面的孔隙中，改变了纤维表面性能，在纤维表面引入极性官能团，增加了纤维与树脂之间的化学键合空化、声流及激波的共同作用，刻蚀了纤维表面，使表面凸凹不平，粗糙度增加，增大了纤维与树脂之间界面的物理结合力。超声浸渍技术的作用：超声浸渍技术的作用：芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法 从超声处理前后的复合材料剪切断口形貌可以看出，复合材料在未超声处理时纤维表面较光滑，表面粘附的树脂少，表现为界面的脱粘；超声处理后，表面粘附的树脂增多，纤维与树脂之间的界面性能得到改善，界面粘合加强。由此可

34、见，超声的作用使界面物理化学状态改变，界面微观性能提高。芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法芳纶纤维的表面处理方法SEM-SEM-扫描电子显微镜技术扫描电子显微镜技术XPS-XXPS-X射线光电子能谱技术射线光电子能谱技术红外红外原子力显微镜原子力显微镜复合材料界面力学性能的表征复合材料界面力学性能的表征 样品室样品室：大空间可安大空间可安装各种检测器装各种检测器探头和各种试探头和各种试样台。样台。可 对 试 样 除可 对 试 样 除

35、作作X、Y方向的方向的平移外，还可平移外，还可升降、倾斜、升降、倾斜、和旋转。和旋转。扫描电镜样扫描电镜样品室的结构品室的结构S-4700S-4700场发射枪扫描电镜场发射枪扫描电镜研究纤维增强塑料，观察纤维与树脂的结合情况。研究纤维增强塑料，观察纤维与树脂的结合情况。T700复合材料T700复合材料相容剂对玻纤增强体系界面性能的影响相容剂对玻纤增强体系界面性能的影响 120010008006004002000 Binding Energy(ev)unsized T800sized T800T800 in compositesT800 CF in TDE-85/DDM/DETDA/Dilute

36、r/T800 composites复合材料界面力学性能的表征复合材料界面力学性能的表征 界面力学性能表征是研究增强材料与基体之间界面粘接强度的重要手段。界面力学性能表征方法可分为两大类：常规材料力学试验方法短梁弯曲、层间剪切等 单丝模型法用单纤维埋在基体中制样，考察外力作用下界面的破坏过程。单纤维丝的一端埋入块状基体中，制成单纤维复合材料模型试样，然后沿纤维的轴向施加逐渐增加的拉力将纤维从基体中拔出，在这过程中记录载荷-位移曲线。通过适当的界面载荷传递模型，即可测得、及等界面常数。单纤维拔出实验的有关理论单纤维拔出实验的有关理论基本模型基本模型应力降理论应力降理论剪滞理论剪滞理论界面断裂能理论

37、界面断裂能理论摩擦剪应力的计算摩擦剪应力的计算 单纤维拔出实验主要依据单纤维推拉模型和单纤维拔出模型。单纤维推拉模型,单纤维拔出模型,式中ave和为界面平均剪切强度和界面剪切强度;Pm、m和Pmax(Lc)分别为作用于纤维的最大载荷、最大应力和纤维长度Lc 时的拔出力;rf 和L 分别为埋入纤维的半径和长度;Lc 和df 为纤维拔出的最大埋入深度和纤维直径。Zhou等人将单纤维拔出时的应力-位移曲线分为线性部分至起始脱粘(d0);部分脱粘(dp)至最大脱粘(d*);最大脱粘至完全脱粘(fr);界面摩擦等4 个阶段。定义应力降=d*-fr,它可以用来表征界面脱粘的不稳定性和纤维的拔出。目前，表征

38、复合材料界面的方法可分为3 3类：、和。宏观实验方法 (1)阻断效应 (2)不连续效应 (3)散射和吸收效应 (4)感应效应 (5)界面结晶效应 (6)界面化学效应起到阻止裂纹扩展，中断材料破坏，减缓应用力集中等。阻止裂纹的扩展阻止裂纹的扩展阻止裂纹的扩展阻止裂纹的扩展在界面上引起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、尺寸稳定性等不连续效应不连续效应不连续效应不连续效应电阻R1电阻R1电阻R2光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生的散射和吸收，加透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性等。散射和吸收效应散射和吸收效应散射和吸收效应散射和吸收效应在界面产生的感应效应，特别是应变、内部应力和由此而引起的现象，如弹性、热膨胀性、抗冲击性和耐热性的改变等。感应(或诱导)可以是一种物质(通常是增强物)的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构出了诱导作用而改变。感应效应感应效应基体结晶时易在界面上形核，界面形核诱发了基体结晶。界面结晶效应界面结晶效应基体与增强材料间的化学反应，官能团、原于分子之间的作用。界面化学效应界面化学效应界面化学效应界面化学效应ROM HOHOHOHM HOOHSiRSiH2ORM HOOHSi无机表面聚合物表面