得分：_______
南 京 林 业 大 学
研究生课程论文
2012 ～ 2013 学年 第 二 学期
课 程 号：
课程名称：
论文题目：
学科专业：
学 号：
73301 材料表面与界面 复合材料界面研究进展 材料表面与界面 3120163
姓 名： 张欢 任课教师： 罗振扬
二○一三 年 四 月
复合材料界面研究进展
摘要本文在复合材料界面研究现状的基础上，着重介绍了复合材料
的界面控制、界面表征及界面微观力学方面的研究，对比国内研究现状并阐述了国外最新进展。
关键词 复合材料 界面控制研究 界面表征界及面微观力学研究
进展
1 引言
界面是复合材料极为重要的微结构, 它作为增强纤维与基体连接的“扭带”对复合材料的物理、化学及力学性能有着至关重要的影响【1】。材料各个层次的结构确定了其存在的形式, 从而确定了材料在一外界条件下的表现,也就确定了它的性能【2】。许多国家相继展开了界微面区的研究和优化设计 (界面工程) 以充分挖掘复合材料的潜力(图1 ),制得综合性能更加优异的复合材料。国际上已专门就复合材料界面问题召开过四次国际性会议(ICCI )，国内也召开过三届全国性的界面工程研讨会，足见人们对于复合材料界面重视程度。 随着对界面认识的不断深入, 发现复合材料界面是在热、化学及力学等环境下形成的体系,具有极为复杂的结构[3-5]。例如纤维增强复合材料界面通常包括①与增强纤维本体能不同的纤维表面过渡区，② 具有一定形貌及化学特性的纤维表面层，③纤维表面吸附层，④纤维表面上浆剂或涂层，⑤与本体基体性能不同的基体表面过渡区等众多层
次。因此以上某一层次发生变化都将导致复合材料性能的改变，所以国内外学者围绕表征、改善界面的结构及性能以及探求界面微观结构及性能与复合材料综合性能的联系等方面进行了大量的研究工作。
2 界面研究方法
2.1 浸润性及表面张力的测定
大量的事实表明欲使纤维与树脂得到较好的粘合强度,首先要求
二者有比较好的浸润性,这个浸润性大小通过接触角测定仪,测定树脂在纤维上的浸润角大小来表征。如果接触角等于零则为完全浸润, 树脂在纤维表面上能自动扩展而来,这种情况粘合强度高,所得的复合材料性能就好。
2.2 电子显微镜技术
电镜可用来观察原纤的表面形态以及缺陷,比如玻纤用电镜观察
到有104名内裂缝/厘米,碳纤表面随着石墨化程度的增加沟槽减少,表面越来越光滑。此外还可以利用电镜观察硅烷偶联剂在玻纤表面上的情况,发现偶联剂在玻纤表面上形成“海岛结构”,观察试样断口破坏类型,可以判断界面粘合的状态,以及界面破坏时裂缝生长的过程。
2.3 ESCA技术
利用ESCA测定表面组份,发现表面组份不同于本体组分,这对于研
究表面反应性与组份关系很重要,过去都以本体组份来表征。
2.4 光谱技术
2.5 偏光椭圆测厚技术 2.6 放射性示踪原子技术
3 复合材料的界面控制研究
3.1 纤维表面处理
改善增强材料与基体间界面粘合性能是复合材料界面控制技术中最关键的因素,对于纤维增强复合材料,三胜要通过对增强纤维表面进行改性处理的手段来实现。从资料上看,美日等发达国家研究的较多,处理方法概括起来主要有: 气相氧化，夜相氧化，化学偶联剂处理, ( 涂覆) 沉积，电聚合、电沉积, 化学接枝, 等离子体处理, 纤维表面涂层等等。 3.1.1 气相氧化法
多用臭氧、空气( 或空气里加入一定量的氧气) 作为氧化介质[6-7],一般空气氧化时温度在350～360 ℃ 之间, 由氧化时间控制纤维的氧化程度。此方法的特点是设备简单、操作方便、反应快、可连续处理, 但反应不易控制, 易向纤维纵深氧化, 从而导致纤维强度的严重下降, 所以需要精心选择氧化条件和严格控制工艺参数。 3.1.2 液相氧化法
液相氧化法[8]一般分为介质直接氧化[9]与阳极氧化两种。前者所采用的氧化剂有硝酸、铬酸、次氯酸钠和高锰酸钾等,处理时,将纤维束浸入含有氧化剂的溶液中一定时间,然后洗涤1小时左右。与气相氧化法比较,该方法对纤维损伤小,增加了碳纤维表面叛其含量与表面粗糙度,但多为间歇操作,处理时间长。
3.1.3 化学偶联剂处理法
用偶联剂处理玻璃纤维表面以改善界面的粘合已得到广泛的应用。偶联剂品种较多,主要有铬合物、硅有机化合物、钦酸醋及铝、硼、碳等有机化合物,应用较广泛的为前面三种。偶联剂在树脂基复合材料中起“架桥作用”,一端与纤维表面反应,另一端与基体树脂反应,因此它有一定的适用围范,即某种偶联剂只与某类树脂匹配。不饱和聚醋树脂常选用含双键的硅有机化合物,而环氧类树脂则选用含有环氧基、氨基的硅烷偶联剂。然而用硅烷处理碳纤维效果并不理[10]。有文献报导,用钦酸盐偶联剂处理碳纤维效果稍好些[11]。 3．1．4 聚合物涂层法
关于为提高碳纤维与树脂基体之间的粘合性能而采用聚合物涂层浸涂纤维表面的文献很多。通常涂覆涂层均在纤维表面处理后进行
[12]
。一方面,聚合物涂层使纤维毛丝多、集束性差、不耐折等缺点得
以避免, 从而提高了纤维强度的发挥程度。另一方面,聚合物涂层溶液对处理后的纤维表面起到保护作用,或引入功能基团改善了界面粘结性。对于碳纤维/环氧复合材料,经常采用的涂层材料有酚醛树脂、糠醇树脂、环氧树脂和聚乙烯醇等。对于聚醚亚胺基体,有人采用聚醚亚胺薄膜层。通常涂层为纤维重量的1～2 % (纤维直径为6～8微米), 但涂层厚度的控制一直是至关重要的问题[20]。 3.1.5 (涂覆) 沉积法
一般指在高温或还原性气试中,烃类、金属卤化物等以碳、碳化物、硅化物等形式在纤维表面形成沉积膜或成长晶须。沉积到碳纤维表面
复合材料界面研究进展
