广东工业大学：《聚合物基复合材料》课程教学资源（课件讲稿）第三章 材料的界面理论

第3章材料的界面理论 界面研究的意义： 聚合物基复合材料是由纤维和基体结合为一个 整体，使复合材料具备了原组成材料所没有的性 能，并且由于界面的存在，纤维和基体所发挥的 作用，是各自独立而又相互依存的。 界面是复合材料组成的重要组成部分，它的结 构与性能，以及粘合强度等因素，直接关系到复 合材料的性能。所以，复合材料界面问题的研究 有着十分重要的意义。 1

1 聚合物基复合材料是由纤维和基体结合为一个 整体，使复合材料具备了原组成材料所没有的性 能，并且由于界面的存在，纤维和基体所发挥的 作用，是各自独立而又相互依存的。 界面是复合材料组成的重要组成部分，它的结 构与性能，以及粘合强度等因素，直接关系到复 合材料的性能。所以，复合材料界面问题的研究 有着十分重要的意义。 界面研究的意义： 第3 章 材料的界面理论

主要内容 3.1界面的基本概念 3.2界面的形成与作用机理 3.3界面的破坏机理 3.4纤维的表面处理 2

2 主要内容 3.1 界面的基本概念 3.2 界面的形成与作用机理 3.3 界面的破坏机理 3.4 纤维的表面处理

了解界面结构对材料整体性能的影 响，必须先表征界面相的化学、物理结 构，厚度和形貌，粘接强度和残余应力 等，从而可以寻找它们与复合材料性能 之间的关系。 3

3 了解界面结构对材料整体性能的影 响，必须先表征界面相的化学、物理结 构，厚度和形貌，粘接强度和残余应力 等，从而可以寻找它们与复合材料性能 之间的关系

3.1界面的基本概念 什么是复合材料的界面？ Diffused interface O Coupling agent ● Polymer 4

4 什么是复合材料的界面？ 3.1 界面的基本概念

许多复合材料的纤维 Chemically bonded Diffused 与基体的粘接性差，为 interface interface 了改善两者的粘结性， 在两相的界面上加入一 M-0-Si- 0 些改性剂，如偶联剂等 N-0- 7 这样在纤维、基体之间 ssDl9 的界面上，形成一种新 M-0- 050 的界面，该界面层的结 构与性能已不同于原来 M-0-Si- 的两相界面。 O Coupling agent ●Polymer 5

5 许多复合材料的纤维 与基体的粘接性差，为 了改善两者的粘结性， 在两相的界面上加入一 些改性剂，如偶联剂等， 这样在纤维、基体之间 的界面上，形成一种新 的界面，该界面层的结 构与性能已不同于原来 的两相界面

我们所说的界面，并非是一 个没有厚度的理想几何面。 实验已证明，两相交接的区 域是一个具有相当厚度的界 面层，即中间相。 2 PMC界面区域(interface zone of PMC)示意图 5 1-外力场； 6 2-树脂基体； 3-基体表面区； 4-相互渗透区； 5-增强剂表面区； 6-增强剂

6 我们所说的界面，并非是一 个没有厚度的理想几何面。 实验已证明，两相交接的区 域是一个具有相当厚度的界 面层，即中间相。 PMC界面区域(interface zone of PMC)示意图 1-外力场； 2-树脂基体； 3-基体表面区； 4-相互渗透区； 5-增强剂表面区； 6-增强剂

复合材料界面结构与性能特点： )非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、形 式多样，界面区至少包括：基体表面层、增强体表面层 基体/增强体界面层三个部分。 ⅱ)具有一定厚度的界面相（层），其组成、结构、性 能随厚度方向变化而变化。 )界面的比表面积或界面相的体积分数很大（尤其是 纳米复合材料)界面效应显著：复合材料复合效应产生 的根源。 ⅳ)界面缺陷形式多样（包括残余应力）对复合材料性 能影响十分敏感

7 复合材料界面结构与性能特点： i) 非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、形 式多样，界面区至少包括： 基体表面层、增强体表面层 、基体/增强体界面层三个部分。 ii ) 具有一定厚度的界面相（层），其组成、结构、 性 能随厚度方向变化而变化。 iii) 界面的比表面积或界面相的体积分数很大（尤其是 纳米复合材料）界面效应显著：复合材料复合效应产生 的根源。 iv) 界面缺陷形式多样（包括残余应力）对复合材料性 能影响十分敏感

界面效应： ①物理效应， 引起各组分之间互相浸润、扩 散、相容性、界面自由能结构网络互穿的 变化： ②化学效应：导致界面上的化学反应，形成 新的界面层结构： ③力学效应：引起界面上的应力分布。 8

8 界面效应： ① 物理效应，引起各组分之间互相浸润、扩 散、相容性、界面自由能结构网络互穿的 变化； ② 化学效应：导致界面上的化学反应，形成 新的界面层结构； ③ 力学效应：引起界面上的应力分布

3.2界面的形成与作用机理 3.2.1界面的形成 复合材料体系对界面要求各不相同，它们的 成型加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复 合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为两 个阶段。 (接触一吸附与浸润一交互扩散一化学结合 或物理结合)—固化。 化学结合可看作是一种特殊的浸润过程

9 3.2 界面的形成与作用机理 3.2.1 界面的形成 复合材料体系对界面要求各不相同，它们的 成型加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复 合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为两 个阶段。 （接触—吸附与浸润—交互扩散—化学结合 或物理结合）——固化。 化学结合可看作是一种特殊的浸润过程

第一阶段： 增强体与基体在一组份为液态（或粘流态）时的 接触与浸润过程。（界面形成与发展的关键阶段） 在复合材料的制备过程中，要求组分间能牢固地 结合，并有足够的强度。要实现这一点，必须要使 材料在界面上形成能量最低结合，通常都存在一个 液体对固体的相互浸润。 10

10 在复合材料的制备过程中，要求组分间能牢固地 结合，并有足够的强度。要实现这一点，必须要使 材料在界面上形成能量最低结合，通常都存在一个 液体对固体的相互浸润。 第一阶段： 增强体与基体在一组份为液态（或粘流态）时的 接触与浸润过程。（界面形成与发展的关键阶段）