复合材料界面(高级教育)
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《复合材料》课件——第二章_复合材料界面和优化设计
强体的浸润和结合，严重的界面反应将造成增强体 的损
伤和形成脆性界面相等十分有害。碳纤维/铝钛铜合 金复
合材料中，生成TiC，使界面附近的铝、铜富集。 500℃
时，在C纤维/铝材料界面生成Al4C3脆性层。
2.4 复合材料的界面
2.4.5 界面反应或界面扩散理论
在复合材料组分之间发生原
子或分子间的扩散或反应，从
因此，在研究和设计界面时，不应只追求界面结合而应考 虑到最优化和最佳综合性能。
2.3复合材料组分的相容性
物理相容性： 1. 是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀
地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。 2. 由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增
强剂上形成高的局部应力。 3. 另一个重要的物理关系是热膨胀系数。基体与增强相热膨
物理和化学吸附作用。液态树脂对纤维表面的良好浸润是 十分重要的。浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺 陷和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润将使 界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。
2.4 复合材料的界面
2.4.1界面润湿理论 ： 从热力学观点来考虑两个结合面与其表面能的关系，一般用 表面张力来表征。
胀系数的差异对复合材料的界面结合产生重要的影响，从 而影响材料的各类性能。
2. 3复合材料组分的相容性
物理相容性： 例如：
对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因 为热膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却是将受到张 应力；
对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于抗拉强度， 处于压缩状态比较有利。
2.3复合材料组分的相容性
化学相容性： ➢ 对复合材料来说， 以下因素与复合材料化学相容性有关的
伤和形成脆性界面相等十分有害。碳纤维/铝钛铜合 金复
合材料中，生成TiC，使界面附近的铝、铜富集。 500℃
时，在C纤维/铝材料界面生成Al4C3脆性层。
2.4 复合材料的界面
2.4.5 界面反应或界面扩散理论
在复合材料组分之间发生原
子或分子间的扩散或反应，从
因此，在研究和设计界面时，不应只追求界面结合而应考 虑到最优化和最佳综合性能。
2.3复合材料组分的相容性
物理相容性： 1. 是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀
地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。 2. 由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增
强剂上形成高的局部应力。 3. 另一个重要的物理关系是热膨胀系数。基体与增强相热膨
物理和化学吸附作用。液态树脂对纤维表面的良好浸润是 十分重要的。浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺 陷和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润将使 界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。
2.4 复合材料的界面
2.4.1界面润湿理论 ： 从热力学观点来考虑两个结合面与其表面能的关系，一般用 表面张力来表征。
胀系数的差异对复合材料的界面结合产生重要的影响，从 而影响材料的各类性能。
2. 3复合材料组分的相容性
物理相容性： 例如：
对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因 为热膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却是将受到张 应力；
对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于抗拉强度， 处于压缩状态比较有利。
2.3复合材料组分的相容性
化学相容性： ➢ 对复合材料来说， 以下因素与复合材料化学相容性有关的
材料表界面第八章-复合材料界面PPT课件
❖ 分子链中引入环氧基一般有两种方法，一种是由含 活泼氢的化合物如酚类、有机酸类、胺类与环氧氯 丙烷发生开环反应，然后在碱的作用下闭环，引入 环氧基：
16
缩水甘油醚型环氧树脂
R - O H + C H 2 - C H - C H 2 C l O
R - O - C H 2 - C H - C H 2 C l O H
陶瓷基、水泥基、玻璃基
3
复合材料的特性
(1). 轻质高强
复合材料的密度低，在1.4～2.0之 间，约为钢的1/5，铝的1/2，因而 其比强度（抗张强度与密度的比）、 比模量（弹性模量与密度的比）比 钢、铝合金高，如高模量碳纤维/环 氧复合材料的比强度为钢的5倍，铝 合金的4倍。其比模量是钢、铝、钛 的4倍。轻质高强是复合材料适宜用 作航空、航天材料的宝贵性能。
缩水甘油胺型环氧树脂
R - O - C H 2 - C H - C H 2 O
R - N H 2 + C H 2 - C H - C H 2 C l O
R - N H - C H 2 - C H - C H 2 C l O H
R - N H - C H 2 - C H - C H 2 O
O
O
C O HC= C O CH HC=C
调节饱和二元酸和不饱和二元酸的比例，可以控制不饱和聚酯中双键的含量
然后，在引发剂的存在下，不饱和聚酯中的双键与苯乙烯 发生自由基共聚反应，交联成三元网状结构
O CO
O HC-CHCO
HC-CH
CH-Ph
CH-Ph
CH
O
n
O
CH n
CO
HC-CHCO
HC-CH
第8章 复合材料的界面
16
缩水甘油醚型环氧树脂
R - O H + C H 2 - C H - C H 2 C l O
R - O - C H 2 - C H - C H 2 C l O H
陶瓷基、水泥基、玻璃基
3
复合材料的特性
(1). 轻质高强
复合材料的密度低，在1.4～2.0之 间，约为钢的1/5，铝的1/2，因而 其比强度（抗张强度与密度的比）、 比模量（弹性模量与密度的比）比 钢、铝合金高，如高模量碳纤维/环 氧复合材料的比强度为钢的5倍，铝 合金的4倍。其比模量是钢、铝、钛 的4倍。轻质高强是复合材料适宜用 作航空、航天材料的宝贵性能。
缩水甘油胺型环氧树脂
R - O - C H 2 - C H - C H 2 O
R - N H 2 + C H 2 - C H - C H 2 C l O
R - N H - C H 2 - C H - C H 2 C l O H
R - N H - C H 2 - C H - C H 2 O
O
O
C O HC= C O CH HC=C
调节饱和二元酸和不饱和二元酸的比例，可以控制不饱和聚酯中双键的含量
然后，在引发剂的存在下，不饱和聚酯中的双键与苯乙烯 发生自由基共聚反应，交联成三元网状结构
O CO
O HC-CHCO
HC-CH
CH-Ph
CH-Ph
CH
O
n
O
CH n
CO
HC-CHCO
HC-CH
第8章 复合材料的界面
复合材料的界面
复合材料的界面复合材料是由两种或两种以上不同的材料组成的材料，通过各自的特性相互作用形成的一种新型材料。
界面是不同材料之间的接触面，是复合材料性能的决定因素之一。
下面将从界面的作用、界面的特性和界面的调控三个方面对复合材料的界面进行详细介绍。
界面在复合材料中起着连接、传递和分散应力的作用。
首先，界面连接了不同材料一起，使其形成整体性能优于单个材料的复合材料。
其次，界面能够传递应力，使复合材料整体受力均匀、分散应力集中，提高材料的强度和韧性。
最后，界面还能够分散应力，减少裂纹扩展和断裂的可能性，延长复合材料的使用寿命。
界面的特性主要包括接触角度、界面能、亲水性或疏水性等。
首先，接触角度反映了界面的亲水性或疏水性，即其与液体接触时的表面张力。
亲水性的界面会使液体在复合材料中能够更好地湿润、浸润，提高复合材料的粘合度和界面传递性。
其次，界面能是指界面上分子之间相互作用的能量。
界面能越小，表示复合材料中不同材料之间的相容性越好，界面强度越高。
最后，亲水性界面和疏水性界面对复合材料的性能也会产生不同的影响。
如亲水性界面可增加复合材料的应力强度、韧性和热稳定性，而疏水性界面可减少复合材料的吸湿性和电导性。
界面的调控主要通过界面改性和表面处理两个途径实现。
首先，通过界面改性可以改变界面的性质，提高其性能，例如通过添加界面活性剂进行处理，使界面能更好地吸附和传递应力；通过聚合物接枝物改性，增加界面粘合力等。
其次，通过表面处理可以对界面进行改善，例如通过物理或化学方法处理材料表面，使其表面特性更加适合复合材料的应用。
常用的表面处理方法有溶剂清洗、电子束辐照、化学氧化等。
综上所述，界面是影响复合材料性能的重要因素，通过界面的调控可以改善复合材料的性能。
理解和研究界面的特性和调控方法对于开发出更加优异的复合材料具有重要意义。
3.-复合材料的界面.pdf
研究发现：由于Al2O3膜的干扰，铝/石墨之间没有确定的 润湿角，而是一个随时间和温度变化的动态润湿过程。 界面有化学反应，生成的Al4C3有助于润湿过程。
SiC(SCS-6) fiber-reinforced Ti3AlC2 matrix composites: Interfacial characterization and mechanical behavior
*Urena, A., et al., Composites Science and Technology, 2005. 65(13): p. 2025-2038
界面效应 Interfacial Effects
• 力传递 Transfer - 结合强度高？ • 阻断效应 Block - 裂纹，应力，结合强度高？ • 不连续效应 non-continuous - 物理性能不连续：电、磁、热等 • 散射和吸收效应 Scattering and absorption - 波在界面产生散射和吸收，透光、隔热、隔音、耐 机械冲击 和耐热冲击性） • 诱导效应 Induction - 一种物质的表面结构使与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，如高弹性、低 膨胀性、耐冲击性、耐热性等
界面效应
• 界面效应是单一材料所没有的特性 • 由于界面面积比例大， 界面的性质、结构、完整性对复 材性能影响很大 • 举例：纳米晶材料 o Hall-Petch关系 o 纳米铜——超塑性，材料在一定条件下热变形，可获 得伸长率达500~2000%的均匀塑性变形，且不发生劲 缩现象
Lu, L., M.L. Sui and K. Lu, Superplastic Extensibility of Nanocrystalline Copper at Room Temperature. Science, 2000. 287: p. 1463-1466.
SiC(SCS-6) fiber-reinforced Ti3AlC2 matrix composites: Interfacial characterization and mechanical behavior
*Urena, A., et al., Composites Science and Technology, 2005. 65(13): p. 2025-2038
界面效应 Interfacial Effects
• 力传递 Transfer - 结合强度高？ • 阻断效应 Block - 裂纹，应力，结合强度高？ • 不连续效应 non-continuous - 物理性能不连续：电、磁、热等 • 散射和吸收效应 Scattering and absorption - 波在界面产生散射和吸收，透光、隔热、隔音、耐 机械冲击 和耐热冲击性） • 诱导效应 Induction - 一种物质的表面结构使与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，如高弹性、低 膨胀性、耐冲击性、耐热性等
界面效应
• 界面效应是单一材料所没有的特性 • 由于界面面积比例大， 界面的性质、结构、完整性对复 材性能影响很大 • 举例：纳米晶材料 o Hall-Petch关系 o 纳米铜——超塑性，材料在一定条件下热变形，可获 得伸长率达500~2000%的均匀塑性变形，且不发生劲 缩现象
Lu, L., M.L. Sui and K. Lu, Superplastic Extensibility of Nanocrystalline Copper at Room Temperature. Science, 2000. 287: p. 1463-1466.
复合材料界面
复合材料界面
复合材料界面是指由两种或两种以上的材料组成的材料界面。
复合材料界面的特点是界面上存在着两种或两种以上的材料，这些材料之间的界面接触面积较大，通常会形成一层较薄的界面层。
复合材料界面的性能往往决定了整个复合材料的性能。
首先，复合材料界面的粘结强度决定了复合材料的强度和刚度。
良好的界面粘结能够有效地将两种材料连接在一起，形成一个整体，从而提高复合材料的强度和刚度。
其次，复合材料界面的传递性能决定了复合材料的导热性和传递性。
界面层通常由较薄的材料构成，由于其界面接触面积较大，可以提高复合材料的导热和传递性能。
此外，复合材料界面还会对复合材料的耐磨性、耐腐蚀性、耐疲劳性等性能产生影响。
较好的界面结合能够有效地提高复合材料的抗腐蚀性和耐疲劳性，从而延长复合材料的使用寿命。
在实际应用中，人们通常采用一些方法来改善复合材料界面的性能。
例如，可以通过表面处理、界面改性等方法来提高界面的粘结强度；还可以通过改变界面层的厚度、粘接剂的选择等方法来改善界面的传递性能。
总的来说，复合材料界面在复合材料的制备和应用中起着重要的作用。
通过改善和调控复合材料界面的性能，可以有效提高复合材料的力学性能和功能性能，拓展其应用领域。
复合材料的界面(1)
缺点：难以同时满足拉丝、退并、纺织与树脂浸 湿和粘结。
玻纤的表面处理
五.玻纤表面处理工艺
·迁移法
将化学处理剂直接加入树脂胶液中进行整体 掺和，在浸润的同时将处理剂施予GF上，借 处理剂从树脂胶液致纤维表面的“迁移”作 用而与纤维表面发生作用，从而在树脂固化 过程中产生偶联作用。
玻纤的表面处理
玻纤的表面处理
·钛酸酯偶联剂
亲有机部分通常为长链烃基（C12~C18），长力的 缠绕可以转移应力应变，提高冲击强度，断裂伸 长率与剪切长度。此外长链烃基还可以改变无机 物界面处的表面能使粘度下降，显示良好的熔融 流动性。
玻纤的表面处理
·其他偶联剂
锆类偶联剂是含铝酸锆的低分子量的无机聚合物。 它不仅可以促进不同物质之间的粘合，而且可以 改善复合材料体系的性能，特别是流变性能。该 类偶联剂既适用于多种热固性树脂，也适用于多 种热塑性树脂。 Байду номын сангаас 此外还有镁类偶联剂和锡类偶联剂。
步骤：首先出去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，然后经过 处理剂溶液浸渍、水洗、烘干等工艺，使GF表面被附着上 一层处理剂。 特点：处理的各道工序都需要专门的设备，初投资较大 ， 玻璃纤维强度损失大，但处理效果好稳定，是国内常用的 处理方法。
玻纤的表面处理
五.玻纤表面处理工艺
·前处理法
适当改变浸润剂的配方，既能满足拉丝、退并、 纺织各道工序的要求，又不妨碍树脂对玻璃纤维 的浸湿和粘结。将化学处理剂加入到浸润剂中。 与后处理法相比省去复杂的工艺设备，使用简便。 避免热处理造成GF强度的损失。
复合材料的界面
是目前应用广泛的钛酸酯偶联剂，如三异硬酯酰基钛酸 异丙酯(TTS)。 适合范围：
用于不含游离水，只含化学键合水或物理结合水的干燥 填料体系。
Eg：碳酸钙、水合氧化铝等。
13
2 单烷氧基焦磷酸酯基型 适合范围： 用于含湿量较高的填料体系，如陶土、滑石粉等。 三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯(TTOPP—385)就是典型 的单烷氧基焦磷酸酯基型偶联剂。
9
填充、增强材料的表面处理
为了改进增强纤维与基体之间的界面结构，改善两者间的结合性能， 需要对增强纤维进行适当的表面处理。
表面处理的方法是在增强纤维表面涂覆上一种称为表面处理剂的物质， 包括浸润剂、偶联剂等其它助剂，以制造与基体间好的粘结界面。
10
１ 粉状颗粒的表面处理技术
无机粉体填料与有机高聚物的不相容性，重视研究改善粉 体填料的表面性质。
3
聚合物基复合材料界面的形成及作用机理 1. 界面的形成 两个阶段：基体与增强材料的接触与浸润过程；基体与增强 材料通过相互作用使界面固定阶段 界面层的结构包括：界面的结合力、界面区域的厚度和界面 的微观结构 通常对纤维进行表面处理以增强界面结合力
4
2. 界面作用机理
（1）界面张力、表面自由能、比表面能
lv
sv sl时，cos 0, 90o,不润湿
lv sv sl 0时，0<cos 1, 0o 90o,润湿
sv sl lv时，cos 1， 0o，完全润湿，粘附功最大
8
B. 化学键理论 偶联剂作用机理 强调增加界面的化学作用是改进复合材料性能的关键 硅烷偶联剂具有两种性质不同的官能团，一端为亲玻璃纤维的官能团 (X)，一端为亲树脂的官能团(R)，将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面 上形成共价键结合
用于不含游离水，只含化学键合水或物理结合水的干燥 填料体系。
Eg：碳酸钙、水合氧化铝等。
13
2 单烷氧基焦磷酸酯基型 适合范围： 用于含湿量较高的填料体系，如陶土、滑石粉等。 三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯(TTOPP—385)就是典型 的单烷氧基焦磷酸酯基型偶联剂。
9
填充、增强材料的表面处理
为了改进增强纤维与基体之间的界面结构，改善两者间的结合性能， 需要对增强纤维进行适当的表面处理。
表面处理的方法是在增强纤维表面涂覆上一种称为表面处理剂的物质， 包括浸润剂、偶联剂等其它助剂，以制造与基体间好的粘结界面。
10
１ 粉状颗粒的表面处理技术
无机粉体填料与有机高聚物的不相容性，重视研究改善粉 体填料的表面性质。
3
聚合物基复合材料界面的形成及作用机理 1. 界面的形成 两个阶段：基体与增强材料的接触与浸润过程；基体与增强 材料通过相互作用使界面固定阶段 界面层的结构包括：界面的结合力、界面区域的厚度和界面 的微观结构 通常对纤维进行表面处理以增强界面结合力
4
2. 界面作用机理
（1）界面张力、表面自由能、比表面能
lv
sv sl时，cos 0, 90o,不润湿
lv sv sl 0时，0<cos 1, 0o 90o,润湿
sv sl lv时，cos 1， 0o，完全润湿，粘附功最大
8
B. 化学键理论 偶联剂作用机理 强调增加界面的化学作用是改进复合材料性能的关键 硅烷偶联剂具有两种性质不同的官能团，一端为亲玻璃纤维的官能团 (X)，一端为亲树脂的官能团(R)，将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面 上形成共价键结合
复合材料第四章复合材料界面幻灯片PPT
复合材料第四章复合材料 界面幻灯片PPT
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4.1 概 述
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、构成彼此结合的、能起载荷传递作 用的微小区域。
Al2O3纤维/ 钛 硼纤维/ 钛
硼纤维/ 钛-铝 SiC纤维/ 钛 SiO2纤维/ 铝
金属基纤维复合材料的几种界面结合形式：
不同的界面结合形式形成不同的界面类型：
〔1〕机械结合〔物理结合〕……产生类型Ⅰ界面
定义：基体与增强体之间仅仅依靠纯粹的粗糙外 表相互嵌入〔互锁〕作用，以及借助基体收缩应力 包紧纤维时产生的摩擦而进展的连接，称为机械结 合。
溶解与浸润结合的要求：为了到达润湿，纤维外表应当作 适当处理，首先应除去污染物、吸附的气体和工艺涂层 (如纺织型浸润剂)，其次通过外表处理形成外表润湿层、 阻挡层，或使增强材料形成利于机械结合的粗糙外表。
〔3〕反响结合………产生类型Ⅲ界面
定义：基体与纤维间发生化学反响，在界面上形成 一种新的化合物而产生的结合称为反响结合。这是 一种最复杂、最重要的结合方式。
类型Ⅲ
纤维与基体互相反应形 成界面反应层
钨丝/ 铜 Al2O3纤维 / 铜 Al2O3纤维 / 银 硼纤维（表面涂BN）/ 铝 不锈钢丝/ 铝 SiC纤维（CVD）/ 铝
硼纤维 / 铝 硼纤维 / 镁
镀铬的钨丝/ 铜 碳纤维 / 镍 钨丝/ 镍
合金共晶体丝/ 同一合金
钨丝/铜-钛合金
碳纤维/ 铝（＞580℃）
研究复合材料界面的组成、构造、控制、性能和 改进界面相的工作被称为“界面工程〞。
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4.1 概 述
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、构成彼此结合的、能起载荷传递作 用的微小区域。
Al2O3纤维/ 钛 硼纤维/ 钛
硼纤维/ 钛-铝 SiC纤维/ 钛 SiO2纤维/ 铝
金属基纤维复合材料的几种界面结合形式：
不同的界面结合形式形成不同的界面类型：
〔1〕机械结合〔物理结合〕……产生类型Ⅰ界面
定义：基体与增强体之间仅仅依靠纯粹的粗糙外 表相互嵌入〔互锁〕作用，以及借助基体收缩应力 包紧纤维时产生的摩擦而进展的连接，称为机械结 合。
溶解与浸润结合的要求：为了到达润湿，纤维外表应当作 适当处理，首先应除去污染物、吸附的气体和工艺涂层 (如纺织型浸润剂)，其次通过外表处理形成外表润湿层、 阻挡层，或使增强材料形成利于机械结合的粗糙外表。
〔3〕反响结合………产生类型Ⅲ界面
定义：基体与纤维间发生化学反响，在界面上形成 一种新的化合物而产生的结合称为反响结合。这是 一种最复杂、最重要的结合方式。
类型Ⅲ
纤维与基体互相反应形 成界面反应层
钨丝/ 铜 Al2O3纤维 / 铜 Al2O3纤维 / 银 硼纤维（表面涂BN）/ 铝 不锈钢丝/ 铝 SiC纤维（CVD）/ 铝
硼纤维 / 铝 硼纤维 / 镁
镀铬的钨丝/ 铜 碳纤维 / 镍 钨丝/ 镍
合金共晶体丝/ 同一合金
钨丝/铜-钛合金
碳纤维/ 铝（＞580℃）
研究复合材料界面的组成、构造、控制、性能和 改进界面相的工作被称为“界面工程〞。
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行业学习
23
碳/碳复合材料透射电镜
行业学习
24
三、增强纤维表面化学分析表征
1、XPS
X射线光电子能谱是测量材料表面化学组成的有 效工具，可以定性测量元素存在，可以根据谱线 强弱测定元素含量。以及官能团含量。
行业学习
25
2、红外光谱
行业学习
26
3、紫外光谱研究
行业学习
27
4、核磁共振法
行业学习
界面残余应力 单丝拔脱实验法 临界纤维长度实验法 界面粘结能测试 层间剪切强度 动态力学分析 微量冲击分析
行业学习
31
1、界面残余应力
消除残余压力可以通过引入 膨胀单体，提高综合性能， 可用冲击韧性来表示。
行业学习
32
2、单丝拔脱实验法
单丝拨脱试验是将增强纤维单丝垂直埋人基体之中，然后将 单丝从基体中拔出、测定纤维拔脱的应力，从而求出纤维与 基体间的界面剪切强度。显然，拔出力随埋人深度而增大, 达到临界长度Lc时，拔出纤维所需的应力等于纤维的拉伸强 度。
行业学习
5
互不相溶液体界面张力与接触角 用铂金作纤维，则液体完全润湿纤
维，有
ΔP＝2лr σl1/L2 测定ΔP可求出界面张力σl1/L2.
其他增强纤维与界面间存在接触角，
θ l1/L2.
ΔP＝2лr cosθ σl1/L2
θ 根据以上方法测定的σl1/L2.，可求出
l1/L2.
。
行业学习
6
毛细浸润法
行业学习
33
3、顶出法
单丝拔脱试验的离散度大，要做大量的试验，找到临界长度， 基体对纤维浸润时会沿纤维上爬，影响精 度。作为改进，又 发展了顶出法。
，
玻纤单丝从PP基体中的拔出剪切强度测试
行业学习
34
4、临界纤维长度试验法
将单丝纤维埋人基体制成哑铃状试样，拉伸使纤维断裂成一段 段的残片，测量残片长度，可得到残片的长度分布图，统计出
行业学习
8
几何平均法
用两种已知表面张力σL及其分量σL d σLp
分别测定其对纤维的接触角，则由几何平均法的 联解方程，求出σs及其分量σsd σsp
行业学习
9
调和平均法
根据以上条件，可用调和评价法求出纤维 表面张力及其分量。
行业学习
10
临界表面张力
用一系列已知表面张力的同系 液体，测定其对纤维表面的接 触角θ，以cos θ对σLv进行 Zisman作图，得一条直线，由 此直线与cos θ＝1交点的横坐 标，求得纤维得临界表面张力 σc
纤维的表面处理，表面物理化学变化都会使其 表面浸润性能发生改变。
纤维的表面浸润性主要通过接触角和表面能来 表征。
行业学习
3
1、纤维对液体接触角测定
单丝浸润法
将纤维单丝用胶带粘在试样夹头上，然后悬挂在试样
架上，纤维下端挂一重吹，使纤维与液面接触，由于
表面张力作用，与纤维接触部分液面会上升，呈弯月
表面处理效果以及形貌变化主要通过电镜表征： 透射电子显微镜 TEM 扫描隧道显微镜 STM 分析电子显微镜 AFM 扫描电子显微镜 SEM
行业学习
13
1、纤维表面处理形态表征
低温等离子处理
行业学习
14
热处理
行业学习
15
电晕和低温等离行子业学处习 理植物纤维
16
2、纤维表面接枝聚合物形态
碳纤维接枝聚苯乙烯285、原子发射光谱研究行业学习
29
6、化学分析和热分析
热失重 -COOH在500－800℃分解成CO2,R-OH在900－1000℃ 分解生成CO，由热失重测定CO2 、CO量，可以求出表 面-COOH和－OH
化学分析方法 碳纤维表面的羟基与羧基还可以通过化学检测来定量 测试
行业学习
30
四、复合材料界面力学性能表征
行业学习
1
复合材料界面与设计
秦岩 2009年11月
复合材料界面分析表征 提纲
界面浸润性分析 增强材料表面形貌分析表征 增强材料表面化学表征 界面力学性能分析表征
行业学习
2
一、界面浸润性分析
界面浸润性理论认为，浸润是形成复合材料界 面基本条件之一，完全浸润则界面的结合强度 超过基体的内聚能。
液体树脂对纤维的浸润好坏直接关系两相的结 合界面。
面，在放大机下读液面上升最大高度hmax弯月，则可
求出接触角：
cos
r ( hmax 0.809) er
1 sin
式中, / g ，σl为液体表面张力，ρ为密度， r为纤维半径
行业学习
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单丝浸润力法
用电子天平测试纤维脱 离液面瞬间表面张力变 化ΔP， ΔP＝2лr σl cosθ 可求出接触角θ
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6、层间剪切强度
➢ 压剪法 可参见GB1450.1—83，对试 样施加均匀连续的剪应力，直至破坏。 层间剪切强度可按下式计算：
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短梁弯曲法
参见GB3357—82 ASTM D2544—84装置示 意如图,连续加载至试样破坏，记录最大载荷 值及试样破坏形式。层间剪切强度按下式 计 算：
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状态方程
以一系列已知得测试液测定其对纤维表 面的接触角，按上式可求出相应的 ，已 对 作图，可得曲线 ，该曲线上得最大 值即为固体的表面张力。
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二、增强纤维表面形貌分析表征
纤维表面处理额目的是为了增加表面的结合性 能；
表面处理：物理方法、化学方法处理表面都会 产生形貌变化。
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碳纤维接枝
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3、复合材料界面状态
纤维拔出状态
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图 高模量碳纤维复合材料 拉伸破坏断口侧壁SEM照片
图 高模量碳纤维复合材料 拉伸破坏的断口SEM图片
图中深色部分为纤维拔
出后留下的空洞
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碳纤维水泥状态
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玻璃纤维热塑性复合材料
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复合材料界面SEM图
残片平均长度L，临界纤维长度Lc与平均长度L的关系为：
临界剪切强度为：
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5、界面粘接能测试法
在试样中埋人纤维单丝，试样尺寸 30mm×10mm×10mm，试样中间开一直径1.5MM 小孔，使小孔穿过纤维。对试样施加压应力，由于纤 维与基体压缩模量不同，界面产生剪应力，载荷足够 大时，纤维在小孔端点脱粘，此时粘结能G为：
在塑料管中填充一束纤维，填充率ξ＝0.47-0.53,使纤维束 与液面接触，因毛细现象，液体沿纤维孔隙上升，用电子天 平测出增加质量m随时间t变化，通过流体力学分析可求出接
触角θ。
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2、增强纤维的表面张力
Good-Girfalco 理论 用一种已知表面张力液体测定对纤维的接 触角，可以按公式求出纤维的表面张力， 但必须知道纤维对液体相互作用参数Φ