复合材料原理第3章
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第3章复合材料的原材料
3.2 增强材料（第六讲）
3.2.1 纤维增强体 纤维：几至几十微米的多晶材料或非晶材料 晶须：约1微米的近单晶或单晶材料）
3.2.2 颗粒增强体
第3章复合材料的原材料
3.2.1 纤维增强体
一、长纤维（玻璃、高熔点金属、碳、硼纤维、 SiC 纤维 、 Al2O3纤维、 Si3N4系纤维、BN系、AlN系纤 维、芳伦纤维、陶瓷纤维） 二、晶须（SiCw、Si3N4w、钛酸钾晶须（KTw）、 硼酸铝晶须（AlBw）、氧化锌晶须（ZnOw）、石 墨晶须（Grw））
美国生产，用于碳-碳复合材料。但是由于其碳化收得 率较低（约25%），且性能与其它碳纤维相比较低，现 在已逐渐被PAN原料的碳纤维所取代。
第3章复合材料的原材料
2） 以沥青作为原材料
沥青 （相对分子质量500）
加热350℃ 脱水缩合反应
平面缩合芳香环分子 （分子质量大于1000）
液晶连续相
数量超过40%
225 392
第3章复合材料的原材料
延伸率（%）
1.8
0.6
2.0 0.5～0.7
1.5 0.6
碳纤维
第3章复合材料的原材料
镀镍碳纤维
第3章复合材料的原材料
碳短纤维
第3章复合材料的原材料
碳纤维织物
第3章复合材料的原材料
碳 纤 维 不 织 布
第3章复合材料的原材料
碳纤维小结
➢ 纤维素纤维：复杂应力，石墨化，收得率低 ➢ 沥青纤维：原料便宜，收得率高；杂质影响性能 ➢ PAN纤维：基础研究全面，工艺成熟
第3章复合材料的原材料
4）各种碳纤维的力学性能
原料
抗拉强度（MPa）
人造丝（低弹性模量丝）
686
3.2.1 纤维增强体 纤维：几至几十微米的多晶材料或非晶材料 晶须：约1微米的近单晶或单晶材料）
3.2.2 颗粒增强体
第3章复合材料的原材料
3.2.1 纤维增强体
一、长纤维（玻璃、高熔点金属、碳、硼纤维、 SiC 纤维 、 Al2O3纤维、 Si3N4系纤维、BN系、AlN系纤 维、芳伦纤维、陶瓷纤维） 二、晶须（SiCw、Si3N4w、钛酸钾晶须（KTw）、 硼酸铝晶须（AlBw）、氧化锌晶须（ZnOw）、石 墨晶须（Grw））
美国生产，用于碳-碳复合材料。但是由于其碳化收得 率较低（约25%），且性能与其它碳纤维相比较低，现 在已逐渐被PAN原料的碳纤维所取代。
第3章复合材料的原材料
2） 以沥青作为原材料
沥青 （相对分子质量500）
加热350℃ 脱水缩合反应
平面缩合芳香环分子 （分子质量大于1000）
液晶连续相
数量超过40%
225 392
第3章复合材料的原材料
延伸率（%）
1.8
0.6
2.0 0.5～0.7
1.5 0.6
碳纤维
第3章复合材料的原材料
镀镍碳纤维
第3章复合材料的原材料
碳短纤维
第3章复合材料的原材料
碳纤维织物
第3章复合材料的原材料
碳 纤 维 不 织 布
第3章复合材料的原材料
碳纤维小结
➢ 纤维素纤维：复杂应力，石墨化，收得率低 ➢ 沥青纤维：原料便宜，收得率高；杂质影响性能 ➢ PAN纤维：基础研究全面，工艺成熟
第3章复合材料的原材料
4）各种碳纤维的力学性能
原料
抗拉强度（MPa）
人造丝（低弹性模量丝）
686
复合材料原理3.PPT
增强体表面的结晶特性包括表面的结晶程度及晶体 分布状态，都会影响到界面作用和整体性能。
晶体越小，比表面积越大，对与基体结合有利的的 晶棱数目就越多；同时，也增大了粘接面积。
以上特性同时会影响到增强体的表面能，高表面能 的增强体与基体形成较强的界面结合。但应注意， 对于超微细粉末填料，超过某一细度时，可能会有 相反表现。
最简单的传递方式有串联和并联两种,复杂的可能有 多种组合方式.
2.3.2.3 强度性质
是材料承受外作用场极限能力的表征.如机械强度等.
对于非匀质的复合材料,材料的承载能力不是各组分 承载能力的叠加,而与外场的分布,组分间作用,相含 量,几何状态等因素有关.
2.3.2.4 转换性质
是指材料在一种外场的作用下,转换产生另一种新场 量.如电-热,热-光等.
对于增强体与基体界面结合很弱的复合材料,可以出 现平行效应.
三、相补效应:基体和增强体性能互补,整体性能提 高.
对于脆性的高强度纤维与韧性基体复合,结合适宜时 可以产生相补效应.
四、相抵效应:基体与增强体性能相互制约, 限制了整体性能的提高.
如脆性的纤维与韧性基体复合当结合很强时, 则材料整体容易脆性断裂.
增强体表面的物理特性主要是指其比表面积及表面 形态结构及表面能，通常涉及比表面积、多孔性、 表面极性、表面结构的均一性，表面的结晶特性和 表面能。 3.5.1.1 比表面积及多孔性
增强体的巨大的比表面积是导致复合材料中巨大的 界面存在并引起界面效应的根本所在。
增强体表面存在部分孔隙，孔隙中存在气体，复合 时部分孔隙被基体填充，呈机械镶嵌的结合状态。
五、相乘效应:两种具有转换效应的材料复合 即可产生相乘效应.
如把具有电磁效应的材料与具有磁光效应的 材料复合,即可产生电光效应.
晶体越小，比表面积越大，对与基体结合有利的的 晶棱数目就越多；同时，也增大了粘接面积。
以上特性同时会影响到增强体的表面能，高表面能 的增强体与基体形成较强的界面结合。但应注意， 对于超微细粉末填料，超过某一细度时，可能会有 相反表现。
最简单的传递方式有串联和并联两种,复杂的可能有 多种组合方式.
2.3.2.3 强度性质
是材料承受外作用场极限能力的表征.如机械强度等.
对于非匀质的复合材料,材料的承载能力不是各组分 承载能力的叠加,而与外场的分布,组分间作用,相含 量,几何状态等因素有关.
2.3.2.4 转换性质
是指材料在一种外场的作用下,转换产生另一种新场 量.如电-热,热-光等.
对于增强体与基体界面结合很弱的复合材料,可以出 现平行效应.
三、相补效应:基体和增强体性能互补,整体性能提 高.
对于脆性的高强度纤维与韧性基体复合,结合适宜时 可以产生相补效应.
四、相抵效应:基体与增强体性能相互制约, 限制了整体性能的提高.
如脆性的纤维与韧性基体复合当结合很强时, 则材料整体容易脆性断裂.
增强体表面的物理特性主要是指其比表面积及表面 形态结构及表面能，通常涉及比表面积、多孔性、 表面极性、表面结构的均一性，表面的结晶特性和 表面能。 3.5.1.1 比表面积及多孔性
增强体的巨大的比表面积是导致复合材料中巨大的 界面存在并引起界面效应的根本所在。
增强体表面存在部分孔隙，孔隙中存在气体，复合 时部分孔隙被基体填充，呈机械镶嵌的结合状态。
五、相乘效应:两种具有转换效应的材料复合 即可产生相乘效应.
如把具有电磁效应的材料与具有磁光效应的 材料复合,即可产生电光效应.
复合材料原理第二版课后答案
复合材料原理第二版课后答案复合材料原理第二版课后答案第一章：绪论1.什么是复合材料？复合材料是由两种或两种以上的材料组成的各司其职、相互补充的一种材料。
2.复合材料的特点有哪些？复合材料具有强度高、刚度大、重量轻、抗腐蚀性强、无疲劳断裂、易成型等特点。
3.复合材料的分类有哪些？按矩阵分类有无机复合材料和有机复合材料；按增强材料分类有无定向增强和定向增强。
第二章：基础知识1.复合材料的加工方式有哪些？常用的复合材料加工方式有手工层压法、自动层压法（RTM、RTM-L、VARTM等）、注塑法、卷制法、旋转成型法等。
2.复合材料中的力学基础知识有哪些？复合材料中的力学基础知识包括应力、应变、应力应变关系、拉伸和压缩、剪切和弯曲等。
3.复合材料中的热力学基础知识有哪些？复合材料中的热力学基础知识包括热膨胀、热导率、热扩散系数等。
第三章：复合材料的基本组成1.复合材料的基本组成是什么？复合材料的基本组成是增强材料和矩阵材料。
2.复合材料的增强材料有哪些？复合材料的增强材料主要有碳纤维、玻璃纤维、聚合物纤维、金属纤维等。
3.复合材料的矩阵材料有哪些？复合材料的矩阵材料主要有四类，即金属基矩阵材料、有机高分子基矩阵材料、无机非金属基矩阵材料、无机金属基矩阵材料。
第四章：复合材料的制备过程1.复合材料的制备过程有哪些？复合材料的制备过程一般包括预处理、增强体制备、矩阵制备、复合成型和后处理等步骤。
2.复合材料的预处理有哪些？复合材料的预处理包括增强体表面处理、矩阵材料预处理、增强体和矩阵的匹配等。
3.如何选择复合材料的制备方法？选择复合材料的制备方法需要考虑到其应用环境和性能要求。
第五章：复合材料的性能和应用1.复合材料的性能有哪些？复合材料的性能包括机械性能、物理性能、化学性能等。
2.复合材料的应用领域有哪些？复合材料的应用领域包括航空航天、轨道交通、建筑结构、汽车制造、石油化工等领域。
3.复合材料的未来发展趋势是什么？未来复合材料的发展趋势是多材料复合、纳米复合、生物仿生等方向的综合发展。
复合材料原理第3章
表面处理物质
增强体
基体
表面处理物质层
增强体
表面处理物质层
增强体
基体
增强体
表面处理技术
基体
复合技术
I
F
F 表面
F/I 界面
I 表面
I 结构
F/I 界面
I/M 界面
F/M 界面
M
复合材料界面的研究对象： （1）增强体表面有关的问题： ①、增强体表面的化学、物理结构与性能； ②、增强体与表面处理物质界面层的结构与性质及对增强体表面特性的影响； ③、增强体表面特性与基体之间的相互关系及两者间的相互作用（增强体未处理时）； ④、增强体与表面处理物质的界面作用； ⑤、增强体表面特性与复合材料特性的相互关系。 （2）表面处理物质的有关问题： ①、最外层的化学、物理结构及内层的化学、物理结构； ②、表面处理物质与基体之间的相互作用； ③、表面处理物质对基体的影响； ④、处理条件及处理剂层的特性； ⑤、处理剂层随时间的变化； ⑥、处理剂层与复合材料性能的相互关系。
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01
03
02
设在恒温、恒压、恒组成条件下，由于表面变化，环境对体系所做功为W，则体系表面自由能增加值⊿G相应为：
比表面积 ＝表面积/体积 比表面积它表示物质的粉碎程度。 设物质的面积增加为⊿A，由式（3.3），则有：
3 复合材料的界面状态解析 1、了解界面的分类； 2、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； 3、掌握复合材料界面的研究对象； 4、掌握与表面张力有关的因素； 5、掌握吸附按作用力的分类及特点； 6、掌握导致接触角的滞后效应的原因； 7、掌握固体被液体的浸润性； 8、了解界面的相容性与粘接； 9、了解浸润动力学； 10、重点掌握增强体的表面特性及对复合材料界面结合的影响。
增强体
基体
表面处理物质层
增强体
表面处理物质层
增强体
基体
增强体
表面处理技术
基体
复合技术
I
F
F 表面
F/I 界面
I 表面
I 结构
F/I 界面
I/M 界面
F/M 界面
M
复合材料界面的研究对象： （1）增强体表面有关的问题： ①、增强体表面的化学、物理结构与性能； ②、增强体与表面处理物质界面层的结构与性质及对增强体表面特性的影响； ③、增强体表面特性与基体之间的相互关系及两者间的相互作用（增强体未处理时）； ④、增强体与表面处理物质的界面作用； ⑤、增强体表面特性与复合材料特性的相互关系。 （2）表面处理物质的有关问题： ①、最外层的化学、物理结构及内层的化学、物理结构； ②、表面处理物质与基体之间的相互作用； ③、表面处理物质对基体的影响； ④、处理条件及处理剂层的特性； ⑤、处理剂层随时间的变化； ⑥、处理剂层与复合材料性能的相互关系。
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01
03
02
设在恒温、恒压、恒组成条件下，由于表面变化，环境对体系所做功为W，则体系表面自由能增加值⊿G相应为：
比表面积 ＝表面积/体积 比表面积它表示物质的粉碎程度。 设物质的面积增加为⊿A，由式（3.3），则有：
3 复合材料的界面状态解析 1、了解界面的分类； 2、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； 3、掌握复合材料界面的研究对象； 4、掌握与表面张力有关的因素； 5、掌握吸附按作用力的分类及特点； 6、掌握导致接触角的滞后效应的原因； 7、掌握固体被液体的浸润性； 8、了解界面的相容性与粘接； 9、了解浸润动力学； 10、重点掌握增强体的表面特性及对复合材料界面结合的影响。
第3章复合原理good
当θ>π/2时，不浸润； 当θ<π/2时，浸润；
当θ=π时，完全不浸润。
或者：增强体表面能大时
易浸润。
1964年Zisman提出能产生良好结合的两个条件： (1)液体粘度要尽量低； (2)γSG略大于γLG。
与θ有关的度的关系
—— 温度↑，θ↓
1. 机械结合：机械咬合，再加上热膨胀系数不同，基
体收缩抱住纤维。
说明：此时粗糙度起决定作用。(要求润湿 )
钨丝/Al
Vf=12%
界面状况
结合类型 性能（拉伸）
1.φ0.2mm
光滑
化学反应 95%
2.φ0.2mm
表面有C形成光滑表面 没有反应 35%
3.腐蚀，改变粗 粗糙 糙度φ0. 165mm
通过基体改性和改进复合条件能有效地改变界面结合状 态和断裂破坏的特征。
纤维表面处理和涂层可改善纤维表面的性能，增加基体 的浸润性，防止界面不良的反应改善界面结合。例如碳 纤维增强铝基复合材料中，由于纤维表面能很低，一般 不能被铝浸润，但用化学气相沉积(CVD)法在纤维表面 上形成TiB2并含有氯化物，则铝对其浸润能力不仅大大 改善，而且遏制了碳-铝界面的不良反应（Al4C3）。
➢ 低分子物质(水)的应力浸蚀使界面化学键断裂， 而在应力作用下处理剂能沿增强纤维表面滑移， 使已断裂的键重新结合。与此同时，应力得以松 弛，减缓了界面处的应力集中。
界面类 型
要形成复合材料、必须在界面上建立一定的结 合力。界面结合力大致可分为物理结合力和化学结 合力。物理结合力一般指范德华力，包括偶极定向 力，诱导偶极定向力和色散力，也可将氢键作用力 归人物理结合力范畴，该结合力大大高于前三种结 合力；化学结合力是在界面上产生共价键和金属键。 实际上又根据界面形成中物理和化学形式进行分类。 陶瓷基和金局基复合材料分类情况类似，树脂基复 合材料与前者有一定差别。
当θ=π时，完全不浸润。
或者：增强体表面能大时
易浸润。
1964年Zisman提出能产生良好结合的两个条件： (1)液体粘度要尽量低； (2)γSG略大于γLG。
与θ有关的度的关系
—— 温度↑，θ↓
1. 机械结合：机械咬合，再加上热膨胀系数不同，基
体收缩抱住纤维。
说明：此时粗糙度起决定作用。(要求润湿 )
钨丝/Al
Vf=12%
界面状况
结合类型 性能（拉伸）
1.φ0.2mm
光滑
化学反应 95%
2.φ0.2mm
表面有C形成光滑表面 没有反应 35%
3.腐蚀，改变粗 粗糙 糙度φ0. 165mm
通过基体改性和改进复合条件能有效地改变界面结合状 态和断裂破坏的特征。
纤维表面处理和涂层可改善纤维表面的性能，增加基体 的浸润性，防止界面不良的反应改善界面结合。例如碳 纤维增强铝基复合材料中，由于纤维表面能很低，一般 不能被铝浸润，但用化学气相沉积(CVD)法在纤维表面 上形成TiB2并含有氯化物，则铝对其浸润能力不仅大大 改善，而且遏制了碳-铝界面的不良反应（Al4C3）。
➢ 低分子物质(水)的应力浸蚀使界面化学键断裂， 而在应力作用下处理剂能沿增强纤维表面滑移， 使已断裂的键重新结合。与此同时，应力得以松 弛，减缓了界面处的应力集中。
界面类 型
要形成复合材料、必须在界面上建立一定的结 合力。界面结合力大致可分为物理结合力和化学结 合力。物理结合力一般指范德华力，包括偶极定向 力，诱导偶极定向力和色散力，也可将氢键作用力 归人物理结合力范畴，该结合力大大高于前三种结 合力；化学结合力是在界面上产生共价键和金属键。 实际上又根据界面形成中物理和化学形式进行分类。 陶瓷基和金局基复合材料分类情况类似，树脂基复 合材料与前者有一定差别。
《复合材料》课件——第三章 复合材料的增强体材料
热空气干燥炉(200 ~300℃) 预氧化
多级加热炉
高温炉
(1000～1500℃) （2500℃以上）
碳化
石墨化
PAN原丝
N2 废
气
（
N2 Ar2 CO,
Ar2
CO2, H2, N2.）
PAN基碳纤维生产过程的简图
黏胶碳纤维
• 碳纤维的热稳定性与 Na等含量存在着线 性关系，Na含量愈高，热稳定性愈差。 Na是碳的氧化催化剂，它的存在促进了 碳的氧化。黏胶碳纤维因为碱、碱土金 属含量低，所以热稳定较好。
⑤化学稳定性好，除硝酸等少数强酸外， 几乎对所有药品均稳定；另外，碳纤维 对碱也稳定。
此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸 收有毒气体和使中子减速等特性。
3.2.2 硼纤维
制备工艺：化学气相沉积（CVD） 2BCl3 + 3H2 2B+6HCl
中心是碳纤维或钨纤维
分两段控温
开始阶段：1100-1200℃，防止生成钨 硼化合物（H2氛围除去表面氧化物） 稳定阶段：1200-1300℃，得到较大的 沉积速度，形成硼纤维。
以氧化铝为主要纤维组分的陶瓷纤维统 称为氧化铝纤维。 影响因素主要是其微结构（气孔、瑕疵、 晶粒大小等）--提高工艺 化学稳定性好，耐高温，绝缘等。
１、玻璃纤维（Glass Fibre, GF或Gt）
1.1 玻璃纤维及其制品； 1.2 玻璃纤维的结构及化学组成； 1.3 玻璃纤维的物理性能； 1.4 玻璃纤维的化学性能。
3.2.3碳化硅纤维
碳化硅纤维（Silicon Carbide Fibre， SF或SiCf）是以碳和硅为主要组分的一 种陶瓷纤维。
界面及界 面反应层
制备SiC纤维：
复合材料原理
第二章 材料的复合原理
2.1 材料的复合效应：
二、非线性效应
（4）系统效应
多种组分复合后，复合材料出现了单一组分均不具有的新性能。
举例：
（1）彩色胶片是以红黄蓝三色感光 材料膜组成的一个系统，能显示出各种颜 色，单独存在则无此效应。
（2）交替层叠镀膜的硬度大于原来各 单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值。
金属基复合材料（铝、镁、铜、钛及其合金，等） • 碳炭复合材料
第一章 绪论
(4)复合材料具体有哪些类型？
结构功能复合材料（增强材料：玻璃纤维、碳 纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、晶须、 金属、颗粒）
功能复合材料（光学、电学、磁学、热学、声 学、生物、仿生，等等）
第一章 绪论
1.2 复合材料未来发展新领域 1）多功能，机敏、智敏复合材料 2）纳米复合材料 3）仿生复合材料
第二章 材合材料的结构类型及其典型结构的特点 1、复合材料的结构类型
复合材料主要由基体、增强体或功能体等共同组成。 由于他们在复合体中的性质、形态和分布状态不尽相同，因此根 据不同的性质或形态，他们可形成多种不同结构类型的复合材料。
基体通常是三维连续的物质，也就是将不同组分相形 成整体材料的物质。
复合材料原理
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南京工业大学
Nanjing University of Technology
明德 厚学 沉毅 笃行
《材料复合原理》
陆春华
E-mail:chhlu2019hotmail Tel: 13951739343
复合效应本质上是组分A、B的性能，及两 者间形成的界面性能，相互作用、相互补充， 使得复合材料在其组分材料性能的基础上产生 线性和非线性的特性。
南京工业大学 复合材料原理 第3章 复合材料力学性能的复合规律(全)
V E
f f
f
V f E m (1 V f )
Vm E
m
高性能纤维复合材料，由于Ef>Em
E1 E f V f E2 Em /Vm
第3章 复合材料力学性能的复合规律
3.1.1 单向板的力学性能
3、单向板的主泊松比
主泊松比定义为:
12 2 / 1
W W
f
f
(1 V f )
在外力作用下，复合材料的强度取决于基体以及纤维的性能， 主要是材料的应变情况 ,
u f u m
u f
; m
u
u f
; m
u
u f
u m
第3章 复合材料力学性能的复合规律
3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能
1、均匀强度的纤维单向板的纵向拉伸强度
结构简化模型
承受的应力：
2
2 f
2m
（2.1）
2
复合料应变：
E
2
;
E2
2 f
产生的应变：
增强体应变：
f
;
（2.2）
基体的应变：
m
2
Em
第3章 复合材料力学性能的复合规律
3.1.1 单向板的力学性能 2、纵向弹性模量E2
材料宽度W上变形是由增强体和基体共同产生的：
3.1.1 单向板的力学性能 1、纵向弹性模量E1
单向板 模型
产生的应变（外力作用下长度变化量）
对于复合材料有： 1 E 1 1
（1.1） （1.2） （1.3）
f f
f
V f E m (1 V f )
Vm E
m
高性能纤维复合材料，由于Ef>Em
E1 E f V f E2 Em /Vm
第3章 复合材料力学性能的复合规律
3.1.1 单向板的力学性能
3、单向板的主泊松比
主泊松比定义为:
12 2 / 1
W W
f
f
(1 V f )
在外力作用下，复合材料的强度取决于基体以及纤维的性能， 主要是材料的应变情况 ,
u f u m
u f
; m
u
u f
; m
u
u f
u m
第3章 复合材料力学性能的复合规律
3.1.3 材料力学法分析单向板的强度性能
1、均匀强度的纤维单向板的纵向拉伸强度
结构简化模型
承受的应力：
2
2 f
2m
（2.1）
2
复合料应变：
E
2
;
E2
2 f
产生的应变：
增强体应变：
f
;
（2.2）
基体的应变：
m
2
Em
第3章 复合材料力学性能的复合规律
3.1.1 单向板的力学性能 2、纵向弹性模量E2
材料宽度W上变形是由增强体和基体共同产生的：
3.1.1 单向板的力学性能 1、纵向弹性模量E1
单向板 模型
产生的应变（外力作用下长度变化量）
对于复合材料有： 1 E 1 1
（1.1） （1.2） （1.3）
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增强体 F
表面处理技术
增强体
F 表面 F/I 界面
I 表面 表面处理物质层 I 结构
增强体
F/I 界面
表面处理物质层
复合技术
基体
I/M 界面
基体 M
增强体 基体
F/M 界面
复合材料界面的研究对象： （1）增强体表面有关的问题：
①、增强体表面的化学、物理结构与性能； ②、增强体与表面处理物质界面层的结构与性质及对增 强体表面特性的影响； ③、增强体表面特性与基体之间的相互关系及两者间的 相互作用（增强体未处理时）； ④、增强体与表面处理物质的界面作用； ⑤、增强体表面特性与复合材料特性的相互关系。 （2）表面处理物质的有关问题： ①、最外层的化学、物理结构及内层的化学、物理结构； ②、表面处理物质与基体之间的相互作用； ③、表面处理物质对基体的影响； ④、处理条件及处理剂层的特性； ⑤、处理剂层随时间的变化； ⑥、处理剂层与复合材料性能的相互关系。
表面张力是物质的一种特性，它是物质内部分子之间相 互作用的一种表现。有关表面张力或界面张力，需要明确以 下三个问题：
(1)表面张力与物质结构、性质有关。 不同物质性质、结构的分子间相互作用力不同，分子
间作用力愈大，相应表面张力也愈大。通常：金属键物质 (金、银等)＞离子键物质(氧化物熔体、熔盐)＞极性分子物 质(水等)＞弱极性物质(丙酮等)＞非极性物质(液H2、液Cl2 等)。
3 复合材料的界面状态解析
1、了解界面的分类； 2、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； 3、掌握复合材料界面的研究对象； 4、掌握与表面张力有关的因素； 5、掌握吸附按作用力的分类及特点； 6、掌握导致接触角的滞后效应的原因； 7、掌握固体被液体的浸润性； 8、了解界面的相容性与粘接； 9、了解浸润动力学； 10、重点掌握增强体的表面特性及对复合材料界面结合的 影响。
降低表面能的措施： 1）、通过自动收缩表面积实现； 2）、通过降低比表面能来实现。
设在恒温、恒压、恒组成条件下，由于表面变化， 环境对体系所做功为W，则体系表面自由能增加值⊿G相应为：
GW (3.3)
比表面积 ＝表面积/体积
比表面积它表示物质的粉碎程度。
设物质的面积增加为⊿A，由式（3.3），则有：
GW
（3.4）
dGdA （3.5）
这样，定义物质单位表面积的自由能σ为比表面自由能。
3.3 表面及界面化学基础 3.3.1 表面张力、表面自由能及比表面能
物质表面具有的性质是由于表面分子所处状态与 相内分子所处状态不同所引起的。
物质表面张力可以表达为两种形式：
Wldx
(3.1)
W dA
(3.2)
l为长度，x为位移，A为面积，W为所做的功； γ即为物质的表面张力。
Wldx
W dA
根据物质的聚集态，可以得到五种类型的界面，即 气-液（g-l）、气-固（g-s）、液-液（l-l）、液-固（ls）、固-固（s-s）界面。
通常的研究中，习惯于把气-液（g-l） 、气-固 （g-s）界面分别称为液相表面、固相表面。
注意： 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： 复合材料中相与相之间的两相交接区是一个具有相
(2)物质的表面张力与它相接触的另一相物质有关。 当与不同性质的物质接触时，表面层分子受到的力场
不同，致使表面张力不同。 (3)表面张力随温度不同而不同，一般温度升高，表面
张力下降。 这是因为温度提高，物质体积膨胀，即分子间距增大，
使分子间作用力变小。
恒温、恒压条件下，任何物质都有自动向自由能 减小的方向移动的趋势，因此，表面能也有自动减小的趋 势。
3 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： 1、基体和增强体或功能体的性能； 2、复合材料的结构和成型技术； 3、界面结合状态(物理的和化学的)及由此产生的复合效 应。
这三个方面都可以成为复合材料的薄弱环节； 换言之，复合材料的的性能应是以上三个因素综合效果 的作用结果。
3.1 界面效应 界面的分类：
(3)随环境条件变化而改变 。
界面层的存在，导致界面效应的发生。林毅把复合 材料的界面效应归结四类：
(1)分割效应：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；
(2)不连续效应：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；
(3.1) (3.2)
式（3.1）中，γ可以理解为表征表层分子作用 于单位长度上的收缩力，单位是牛顿每厘米；
而式（3.2）中， γ可以理解为物质单位面积上 的能量，即发生单位面积变化时，外力所需做的功，其单 位可以是焦耳每平方厘米，又称为物质的表面能。
界面上单位长度的力和单位表面积的能量在数学 上是相等的。
(3)散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等 界面产生的散射和吸收，如 透光性、隔热性、隔音性、耐 冲击性及耐热冲击性等；
(4)感应效应：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—高的象 表面处理物质 I
当厚度的界面层，两相的接触会引起多种界面效应，使界面 层的结构和性能不同于它两侧邻近的结构和性质。
图3.1 聚合物复合材料界面示意 （a）含界面物质； （b）不含界面物质
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，还具有如下特点：
(1)具有一定的厚度；
(2)性能在厚度方向上有一定的梯度变化；
（3）表面处理的最优化技术。 （4）粉体材料在基体中的分散：
①、分散状态的评价； ②、分散技术及机理； ③、分散状态与复合材料性能。 （5）复合技术的优化及其机理。
图3.3 材料粘接的破坏形式
作业： 6、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，还具有哪些特点； 7、简述复合材料界面的研究对象； 8、简述与表面张力有关的因素。 9、吸附按作用力的性质可分为哪几类？各有什么特点？ 10、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？