基体材料的性能及含量
增强材料的性能、含量 及分布情况
复合材料基本性能
界面结合情况
？
如何体现？
58
59
3．5．1 增强体表面的物理特性与界面结合
比表面积
物理特性
多孔性 极性 结构均一性
结晶特性
60
3.5.1.1 比表面积
纤维种类
密度 （g/cm3）
玻璃纤维 硼纤维 碳化硅纤维 Thornel 50
而式 Wsl sv sl lv 称为Dupre公式。
θ角称为液相与固相之间的接触角，其确切定义为在气、液、 固三相交界处的气-液界面与固—液界面之间的夹角。 由Dupre式可知， 当θ＝0时，界面的粘附功最大：
Wsl.m ax 2 lv
当θ＝180时：
Wsl.min 0
由此可知，接触角可以衡量液体对固体的浸润效果。
WAA 2
31
3.3.3.2 接触角 浸润现象 定义：固液接触后，体系的吉布斯自由能降低，就称为浸润。
分类
32
33
34
35
36
37
38
39
40
设液滴发生微小位移时，使 覆盖固体的面积改变了△A，如图， 伴随的表面自由能变化△G是：
G ( sl sv ) lv cos( )
5
复合材料界面的研究历程
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)随环境条件变化而改变 。
7
复合材料界面效应的分类
8
9
3.2 复合材料界面的研究对象
10
表面处理物质 I
增强体 F
当θ真实<90°，当R值增大的时候，θR将会降低。 当θ真实>90°，当R值增大的时候，θR将会增加。
对于由各种不同的小片组成的复合表面：
lv cos c f1 ( s1v s1l ) f 2 ( s2v s2 l) 或 cos c f1 cos1 f 2 cos 2
45
3.3.3.4 接触角的滞后
q浸润＝Es－Esl
式中，Es为固体表面能，Esl为固-液界面能。
50
浸润热可以用量热法测定 ， 浸润热的大小与固体表面的 物理化学性能，即结构、极性、不均匀性以及表面与浸渍液间 的相互作用而形成的各种界面现象有关。 需要注意的是： ①复合材料中，作为细微的粉状粒子(0.1mm以下)的浸润热未 必与块状固体相同； ②浸润热是以不向固体中渗透、扩散和溶解为前提。
16
17
18
物质表面张力可以表达为两种形式：
W ldx
(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。
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。
平衡时
lim G / 0
0
于是 sl sv lv cos 0
或 lv cos sv sl
在这类吸附浸润中，处于平衡态时
的浸润功W为：
为固—液界面的粘附功，
Wsl sv sl lv
Wsl lv (1 cos )
图3.5 液滴在固体表面形态
41
式 sl sv lv cos 0 称为Young公式，
2.50 2.70 3.50 1.63
直径d （um）
10 101.6 101.6
6.8
比表面积 （m2/g）
0.16 0.015 0.012 0.37
对界面的影响：是导 致复合材料中的界面 存在并引起界面效应 的根本所在。
一般认为：增强体的比表 面越大，与基体结合的物 理界面大，对粘合强度的 贡献大。当然存在浸润的 因素。
吸附过程是放热反应，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。
26
3.3.2.1 物理吸附 当固体表面的原子的原子价被相邻的原子所饱和，
表面分子与吸附物之间的作用力是分子间引力（范德华 力）。 特点：
1）、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； 3）、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。
1
2
3.1 界面效应
物理化学领域： 表面：把物体与空气接触的面叫该物体的表面。 液体表面——液体与饱和了的空气所接触的面。 固体表面——固体与它接触的空气面。 界面：把几个不同相相互交界部分叫“界面”。
界面包括表面，比表面范围大。
3
界面的分类： 根据物质的聚集态，可以得到五种类型的界面，即气-液
61
3.5.1.2 多孔性
主要体现在增强体表面 的孔隙（或空隙）上。
对任何增强体：表面 总亦多多少少地存在 部分孔隙；且孔隙中
存在有气体；
对界面的影响：部分孔 隙能被基体填充，部分 由于很难完全浸润，界 面结合不好，成为应力 传递的薄弱环节。
62
不易与树脂结
合，但易使树
脂浸透，能使
纤维间的空隙
被树脂填充得
（g-l）、气-固（g-s）、液-液（l-l）、液-固（l-s）、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。
由此可见：在物理化学中的界面是没有任何厚度的曲面。
4
复合材料的界面的定义
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
表面处理技术
增强体
F 表面 F/I 界面
表面处理物质层
I 表面 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
11
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。
Zisman等发现对于同系的液体，cosθ(前进角)通常是 γl的单调函数。 提出：
cos b l 1 ( l c )
式中，a、b、 β均为常数,γl为同系液体的表面张力 ，γc为临界表面张力
48
49
3．3．5浸润的热效应 若将洁净固体表面浸入液体，通常有热释出，即所谓浸润
热q浸润，可表示为：
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。
19
20
21
22
23
24
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。
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。
25
3．3．2 表面吸附作用
27
3.3.2.2 化学吸附
当固体表面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
转移生成化学键的吸附。
1）、无选择性，吸附量相差较大；
特点：
2）、吸附可呈单分子层或多分子层；
1）、有选择性；
3）、物理吸附、解吸速度较快，易平衡。
2）、只能单分子吸附，且不易吸附或解吸；
由Young式，可以得到：
cos sv sl lv
42
由此可知：
cos sv sl lv
43
44
影响接触角的因素： 1.表面的粗糙度 2. 接触角的滞后
3.3.3.3 不均匀表面的接触角 当固体表面不均匀时，接触角可以用经验的方法来确定。
真实＝R 投影
对粗糙表面: cos R R cos 真实
二元胺
-9
-13
多元胺
-2
-31
阳离子苯乙烯基
-6
+2
环氧基
-6
-39
30g树脂中加5gSiO2，SiO2用0.5％硅烷溶液处理。
55
3.4.2.2 偶联剂分子结构及偶联结构的影响
增强体在用不同偶联剂处理时，由于分子结构的不同， 会影响到粘结剂对增强体的浸润效果，也会影响到复合体 系的流动特性。
钛酸酯偶联剂
第3章 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。
吸附： 是一种物质的原子或分子附着在另一物质表面上的现象，
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： 由于固体表面质点处于力场不平衡的状态，即具有表面能，
这一不平衡的力场为了趋于平衡态，可以吸附别的物质而得 到补偿，以降低表面能(表面自由能)，所以固体表面自动地 吸附那些能够降低其表面自由能的物质。