聚合物基复合材料第4章课件.ppt

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1、4.3.1影响界面的粘合强度的因素1）纤维表面晶体大小及比表面积碳纤维表面晶体增大，碳纤维石墨化程度上升，模量增高，导致表面更光滑、更惰性，它与树脂黏附性和反应性变的更差，所以界面粘合强度下降。4.3界面的破坏机理纤维的比表面积大、粘合的物理界面大、粘合强度高。但以上两点并不绝对！因为不同的纤维以及不同的表面处理使其孔径分布和表面反应基体及其浓度是各异的。同时，不同的基体体系相对分子质量大小、黏度大小，它与表面反应基团的反应能力也不一样，所以，应具体问题具体分析。2）浸润性界面的粘合强度随浸润性增加而增加。如果完全

2、浸润，树脂在界面上物理吸附所产生的粘合强度是很大的，但实际上由于纤维表面上吸附有气体及其他污物，不能完全浸润，故吸附的气体及污物没有被排挤走，留在界面成为空隙，使材料的空隙率上升，层剪强度下降；3）界面反应性界面粘合强度随界面反应性的增加而增大。比如用硅烷偶联剂改性玻璃纤维表面，复合材料性能得到改善。因此，制备复合材料时，要尽可能多地向界面引入反应基团，增加界面化学键合比例，这样有利于提高复合材料性能。4）残余应力对界面粘合强度的影响在复合材料未受外力时，界面上仍存在应力或应力分布，这就是“残余应力”。残余应力来源

3、：① 增强相与基体相热膨胀系数不匹配②成型过程中，由高温-室温化学和物理变化引起的各组元体积收缩的不同。复合材料热应力产生示意图可示意热应力产生的过程：由于界面存在内应力，因此试件破坏所需的外力就相应下降，那么粘合强度跟残余应力的关系？？4.3.2界面破坏机理破坏机理：复合材料的破坏机理要从纤维、基体及界面在载荷作用和介质作用下的变化来进行研究，其中，了解界面破坏的机理是很重要的，因为纤维和基体是通过界面构成一个复合整体的。①裂纹扩展引起界面的破坏②介质引起界面的破坏（1）破坏的来源基体内、增强体内和界面上均存在微

4、裂纹、气孔、内应力在力场或外界环境（如介质、水）———————→微裂纹和缺陷按本身的规律发展，并消散能量①裂纹扩展引起界面的破坏（2）破坏形式5种基本破坏形式———————→i)基体断裂ii)纤维断裂iii)纤维脱粘iv)纤维拔出(摩擦功)v)裂纹扩展与偏转5种形式————→综合体现复合材料的破坏与失效复合材料的破坏机制则是上述5种基本破坏形式的组合与综合体现的结果大量的实验事实证明水是通过扩散过程而进入界面，进入的途径有三条：一是从树脂的宏观微裂缝处进入，这种宏观微裂缝是树脂固化过程中所产生的化学应力和热应力引起

5、的；二是树脂内存在的杂质，尤其是水溶性无机物杂质，遇到水时，因渗透压的作用形成高压区，这些高压区将产生微裂纹，水继续沿微裂缝浸入；三是通过工艺过程中在复合材料内部形成的气泡，这些气泡在应力作用下破坏，形成互相串通的通道，水很容易沿通道达到很深的部位。1）水的浸入4.3.3水对复合材料及界面的破坏作用②介质引起界面的破坏到达纤维水分子的体积很小，极性又大，所以它很容易进入界面。清洁的玻璃纤维表面吸附水的能力很强，并且纤维表面由于水分子间的作用力，可通过已吸附的水膜传递，所以玻璃纤维表面对水的吸附是多层吸附，形成较厚的

6、水膜(其厚度约为水分子直径的100倍)。玻璃纤维表面对水的吸附过程异常迅速。在相对湿度为60％~70％条件下，只需2~3s即可完成吸附。纤维越细时，比表面积越大，吸附的水越多。被吸附在玻璃纤维表面的水异常牢固，加热到110~150℃时，只能排除l/2被吸附的水，加热到150~350℃时，也只能排除3／4被吸附的水。玻璃纤维复合材料表面上吸附的水，浸入界面后，发生水与玻璃纤维及树脂间的化学变化，引起界面粘接破坏，致使复合材料破坏。2）水对玻璃纤维表面的化学腐蚀作用当水进入复合材料达到玻璃纤维表面时，使玻璃纤维表面的碱

7、金属溶于其中，水溶液变成碱性，加速了表面的腐蚀破坏，最后导致玻璃纤维的二氧化硅骨架的解体，纤维强度下降，复合材料性能减退。这种腐蚀破坏，尤其在玻璃纤维表面有结构缺陷处更为严重。3）水对树脂的降解作用水对树脂的作用通常有两种效应：一为物理效应，即水分子可以破坏高聚物内部的氢键及其他次价键，使高聚物发生增塑作用，导致热机械性能下降，这种效应是可逆的，一旦将水驱走，性能可以复原；二为化学效应，即水分子与高聚物中某种键（入酯键、醚键等）起化学作用，使之断裂，导致高聚物降解，粘结接头失去强度。水对树脂产生降解反应，是一个不可

8、逆的反应过程，但不同的树脂，水对其降解的能力不同。由于树脂的水解引起大分子链的断裂（降解），致使树脂层破坏，进而造成界面粘结破坏。水解造成的树脂破坏，是一小块一小块的不均匀破坏，由于接触水的机会不同，所以树脂的水解，在接近复合材料表面层的部位，破坏较多，而在复合材料中心部位，破坏较少。4）水溶胀树脂导致界面脱粘破坏水进入粘接界面后，使树脂发生溶胀，当树脂溶胀