1、5 5 復合體系的典型界面反響復合體系的典型界面反響知識要點：知識要點：1 1、重點掌握硅烷偶聯劑與玻璃纖維的作、重點掌握硅烷偶聯劑與玻璃纖維的作用過程；用過程；2 2、了解碳纖維聚合物體系，填充橡膠、了解碳纖維聚合物體系，填充橡膠體系；體系；3 3、掌握無機無機復合體系的界面反響；、掌握無機無機復合體系的界面反響；4 4、了解無機金屬、金屬金屬、有機、了解無機金屬、金屬金屬、有機有機復合體系的界面反響。有機復合體系的界面反響。5 5 復合體系的典型界面反響復合體系的典型界面反響 基材間的粘結性直接與下述要素有關：基材間的粘結性直接與下述要素有關：(1)(1)固液的復合過程中，固體外表與液體的

2、良好浸固液的復合過程中，固體外表與液體的良好浸潤是得以粘結的根本條件；潤是得以粘結的根本條件；(2)(2)不同相間的分子或原子彼此間相互接近時的形狀，不同相間的分子或原子彼此間相互接近時的形狀，構成化學結合時相互作用的強弱；構成化學結合時相互作用的強弱；(3)(3)化學結合的方式化學結合的方式 主價鍵結合主價鍵結合 次價鍵結合次價鍵結合 共價鍵、離子鍵、共價鍵、離子鍵、金屬鍵等金屬鍵等分子的電荷、極化、偶分子的電荷、極化、偶極之間的靜電作用和誘極之間的靜電作用和誘導、分子間的分散等導、分子間的分散等5.1 5.1 無機無機- -有機復合體系的界面反響有機復合體系的界面反響 在無機在無機- -有

3、機復合體系中，普通是無機纖維或粉體填料有機復合體系中，普通是無機纖維或粉體填料加強聚合物基體。它們的代表物有玻璃纖維及碳纖維加強加強聚合物基體。它們的代表物有玻璃纖維及碳纖維加強聚合物，粉體填充或纖維加強橡膠等。聚合物，粉體填充或纖維加強橡膠等。5.1.1 5.1.1 玻璃纖維玻璃纖維- -聚合物復合體系聚合物復合體系 對玻璃纖維外表進展化學處置的目的：對玻璃纖維外表進展化學處置的目的： 外表處置劑的分子構造：外表處置劑的分子構造：玻璃纖維外表基團：玻璃纖維外表基團：使之構成新的使之構成新的外表，并使新外表，并使新生外表上的活生外表上的活性基團與聚合性基團與聚合物基體發生界物基體發生界面反響。

4、面反響。普通都帶有能與硅普通都帶有能與硅羥基起化學反響的羥基起化學反響的活性羥基。活性羥基。硅氧硅基團硅氧硅基團SiOSi硅羥基硅羥基 SiOH以硅烷偶聯劑為例來闡明這種反響的過程：以硅烷偶聯劑為例來闡明這種反響的過程：(1)(1)有機硅烷水解，生成硅醇：有機硅烷水解，生成硅醇：(2)(2)玻璃纖維外表吸水，生成羥基：玻璃纖維外表吸水，生成羥基： OH(3)(3)硅醇與吸水的玻璃纖維外表反響，又分三步：硅醇與吸水的玻璃纖維外表反響，又分三步：第一步：硅醇與玻璃纖維外表反響生成氫鍵：第一步：硅醇與玻璃纖維外表反響生成氫鍵：第二步：低溫枯燥第二步：低溫枯燥( (水分蒸發水分蒸發) )，硅醇進展醚化

5、反響：，硅醇進展醚化反響：第三步：高溫枯燥第三步：高溫枯燥( (水分蒸發水分蒸發) )，硅醇與吸水玻璃纖維間進展，硅醇與吸水玻璃纖維間進展醚化反響：醚化反響： 至此，有機硅烷處置劑與玻璃纖維外表結合起來了，至此，有機硅烷處置劑與玻璃纖維外表結合起來了，相當于新生的活性外表。相當于新生的活性外表。 有機硅烷中的有機硅烷中的R R基團：雙鍵、環氧基、胺基、長鏈烷基團：雙鍵、環氧基、胺基、長鏈烷基等。基等。 R R基團假設為雙鍵，可參與不飽和聚酯樹脂的交聯反基團假設為雙鍵，可參與不飽和聚酯樹脂的交聯反響，在界面構成結實的化學鍵結合。響，在界面構成結實的化學鍵結合。 R R基團假設為環氧基、胺基，可參

6、與環氧樹脂的固化基團假設為環氧基、胺基，可參與環氧樹脂的固化反響，構成化學鍵結合的界面層。反響，構成化學鍵結合的界面層。 R R基團還可以是長鏈烷基，主要針對熱塑性樹脂，基團還可以是長鏈烷基，主要針對熱塑性樹脂，那么，以實現與基體分子的插入與纏結。那么，以實現與基體分子的插入與纏結。 總之，這些界面反響都加強了界面粘結，提高了復總之，這些界面反響都加強了界面粘結，提高了復合資料的性能。合資料的性能。 5.1.2 5.1.2 碳纖維碳纖維- -聚合物復合體系聚合物復合體系 以環氧樹脂為例來闡明它們之間的界面反響。以環氧樹脂為例來闡明它們之間的界面反響。 普通常用極性外表官能團來解釋碳纖維的外表特

7、性。氧普通常用極性外表官能團來解釋碳纖維的外表特性。氧原子是碳纖維外表構造的主要成分之一，它具有不同的結合原子是碳纖維外表構造的主要成分之一，它具有不同的結合方式。碳纖維經氧化處置后，氧含量顯著添加，其氧化過程方式。碳纖維經氧化處置后，氧含量顯著添加，其氧化過程如下：如下：碳纖維的外表官能團能夠以以下方式存在：碳纖維的外表官能團能夠以以下方式存在： 胺固化的環氧樹脂中的胺基能夠與纖維外表的羧基構成胺固化的環氧樹脂中的胺基能夠與纖維外表的羧基構成氫鍵，環氧樹脂的環氧基也能與羥基和羧基構成氫鍵，在過量氫鍵，環氧樹脂的環氧基也能與羥基和羧基構成氫鍵，在過量單體尤其是在較高溫度時，這些氫鍵就轉變成共價

8、鍵：單體尤其是在較高溫度時，這些氫鍵就轉變成共價鍵： 外表處置后的碳纖維外表上構成各種不同類型的化外表處置后的碳纖維外表上構成各種不同類型的化學絡合物，除了含氧官能團與樹脂構成氫鍵締合或化學學絡合物，除了含氧官能團與樹脂構成氫鍵締合或化學鍵外，其他類型的基團也能夠使各種聚合物在凝膠化時鍵外，其他類型的基團也能夠使各種聚合物在凝膠化時改性，在界面構成不同力學和流變性能的層區。改性，在界面構成不同力學和流變性能的層區。 因此，經過各種途徑來改動外表官能團的種類和數因此，經過各種途徑來改動外表官能團的種類和數量，就有能夠使纖維樹脂構成更好的粘結而提高其復合量，就有能夠使纖維樹脂構成更好的粘結而提高其

9、復合資料的綜合性能。資料的綜合性能。 5.1.3 5.1.3 填充橡膠體系填充橡膠體系 典型的炭黑外表構造如下：典型的炭黑外表構造如下： 炭黑外表含有的官能團能在加工過程中與橡膠分子發生炭黑外表含有的官能團能在加工過程中與橡膠分子發生化學反響，微粒炭黑外表構成接枝有以下幾種方式：化學反響，微粒炭黑外表構成接枝有以下幾種方式：(1)(1)對簡單烯烴的化學吸附，硫存在時，吸附作用加強；對簡單烯烴的化學吸附，硫存在時，吸附作用加強；(2)(2)在猛烈的混料過程中，剪切作用產生高聚物自在基，曾在猛烈的混料過程中，剪切作用產生高聚物自在基，曾經證明這種自在基可接枝到炭黑上去；經證明這種自在基可接枝到炭黑

10、上去；(3)(3)組成炭黑層面的大芳環邊緣的氫和橡膠之間進展氫原子組成炭黑層面的大芳環邊緣的氫和橡膠之間進展氫原子交換反響。交換反響。 經過以上界面反響，往往使炭黑的加強效果得以提高。經過以上界面反響，往往使炭黑的加強效果得以提高。 5 52 2 無機無機- -無機復合體系的界面反響無機復合體系的界面反響 重點以水泥基復合資料為例引見它們的界面反響以重點以水泥基復合資料為例引見它們的界面反響以及對復合資料性能的影響。及對復合資料性能的影響。 5.2.1 5.2.1 纖維增韌陶瓷纖維增韌陶瓷 研討闡明，碳纖維和氮化硅基體之間所構成的界面研討闡明，碳纖維和氮化硅基體之間所構成的界面是硅和碳相互反響

11、生成的。利用無壓燒結工藝時，燒結是硅和碳相互反響生成的。利用無壓燒結工藝時，燒結溫度為溫度為17001700以上，硅和碳之間的反響更為嚴重，這種以上，硅和碳之間的反響更為嚴重，這種反響可用以下反響式表示：反響可用以下反響式表示： Si3N4 + 3C 3SiC + 2N2 Si3N4 + 3C 3SiC + 2N2 SiO2 + C SiO + CO SiO2 + C SiO + CO 5.2.2 5.2.2 水泥基復合資料水泥基復合資料5.2.2.1 5.2.2.1 混凝土混凝土 水泥基復合資料中最普遍的有混疑土和纖維加強水泥。水泥基復合資料中最普遍的有混疑土和纖維加強水泥。 在混凝土中，發

12、生界面反響的能夠性：集料具有一定活性在混凝土中，發生界面反響的能夠性：集料具有一定活性與存在的水泥漿體。與存在的水泥漿體。 eg eg：石灰石集料外表發生的變化。：石灰石集料外表發生的變化。 曾經發現，石灰石曾經發現，石灰石- -水泥漿體界面能發生化學反響并有較水泥漿體界面能發生化學反響并有較強的鍵構成。強的鍵構成。 1 1、首先是石灰石和熟料中鋁酸鹽水化產物反響構成、首先是石灰石和熟料中鋁酸鹽水化產物反響構成4Ca0A120312H204Ca0A120312H20，它們隨齡期增長而數量增多，但隨水，它們隨齡期增長而數量增多，但隨水灰比降低而降低。有能夠進一步轉化為碳鋁酸鈣晶體。灰比降低而降低

13、。有能夠進一步轉化為碳鋁酸鈣晶體。 顯然，由于石灰石集料外表被鋁腐蝕，故在惰性集料外顯然，由于石灰石集料外表被鋁腐蝕，故在惰性集料外表構成的雙層膜已不再存在，因此在石灰石漿體界面區，表構成的雙層膜已不再存在，因此在石灰石漿體界面區，只能找到一些次生的只能找到一些次生的CHCH晶體。晶體。 2 2、石灰石集料除了同鋁酸鹽發生化學反響以外，還、石灰石集料除了同鋁酸鹽發生化學反響以外，還能進一步同水化硅酸鹽反響，構成堿式碳酸鈣新相，分子能進一步同水化硅酸鹽反響，構成堿式碳酸鈣新相，分子式為式為3CaC03Ca(0H)2xH203CaC03Ca(0H)2xH20。 顯然，這一新相的構成，不僅能改善石灰

14、石漿體界顯然，這一新相的構成，不僅能改善石灰石漿體界面區的構造，還能促使面區的構造，還能促使C3SC3S相加速水化，對整個體系的力相加速水化，對整個體系的力學性能提高是非常有利的。學性能提高是非常有利的。5.2.2.2 5.2.2.2 玻璃纖維加強水泥玻璃纖維加強水泥 采用纖維的目的：采用纖維的目的： 玻璃纖維是水泥基復合資料常用的加強資料。玻璃纖維是水泥基復合資料常用的加強資料。 中堿與無堿玻璃纖維在普通硅酸鹽水泥水化物中遭到了中堿與無堿玻璃纖維在普通硅酸鹽水泥水化物中遭到了兩種類型的侵蝕：兩種類型的侵蝕： 一種是化學侵蝕，即水泥水化生成的一種是化學侵蝕，即水泥水化生成的Ca(OH)2Ca(

15、OH)2與玻璃纖與玻璃纖維的硅氧骨架之間發生化學反響生成水化硅酸鈣，當水泥液維的硅氧骨架之間發生化學反響生成水化硅酸鈣，當水泥液相中有相中有NaOHNaOH、KOHKOH存在時那么加速了這一反響；存在時那么加速了這一反響； 另一種是應力侵蝕，由于玻璃纖維外表存在著缺陷，水另一種是應力侵蝕，由于玻璃纖維外表存在著缺陷，水泥水化生成的晶體可進入這些缺陷中，在缺陷端部呵斥應力泥水化生成的晶體可進入這些缺陷中，在缺陷端部呵斥應力集中并使缺陷擴展。集中并使缺陷擴展。 從而破壞了玻璃纖維與水泥基體之間的界面結合。從而破壞了玻璃纖維與水泥基體之間的界面結合。 為了抑制水泥硬化體抗拉強度低、為了抑制水泥硬化體

16、抗拉強度低、抗裂性差、脆性大等缺陷。抗裂性差、脆性大等缺陷。 為防止水泥水化物對玻璃纖維的侵蝕，可采取以下三種為防止水泥水化物對玻璃纖維的侵蝕，可采取以下三種主要措施：主要措施： (1) (1)改動玻纖的化學組分：改動玻纖的化學組分： eg eg：在玻纖中參與較多量的：在玻纖中參與較多量的ZrO2ZrO2成分可提高其抗堿性；成分可提高其抗堿性； (2) (2)對玻纖外表進展被覆處置，以隔絕水泥水化物對纖維對玻纖外表進展被覆處置，以隔絕水泥水化物對纖維的侵蝕。的侵蝕。 eg eg：可用鍺、鈦、鋅、鋁等金屬的水溶性鹽對纖維進展：可用鍺、鈦、鋅、鋁等金屬的水溶性鹽對纖維進展處置，也可用某些抗堿性好的

17、樹脂如環氧、呋喃等對玻纖進處置，也可用某些抗堿性好的樹脂如環氧、呋喃等對玻纖進展浸漬處置而后使之固化；展浸漬處置而后使之固化； (3) (3)運用水化物堿度低的水泥以減緩或防止對玻璃纖維的運用水化物堿度低的水泥以減緩或防止對玻璃纖維的侵蝕。侵蝕。 主要是采用水化產物中主要是采用水化產物中Ca(OH)2Ca(OH)2含量低的甚至無含量低的甚至無Ca(OH)2Ca(OH)2的水泥。的水泥。 eg eg：高鋁水泥、硫鋁酸鹽水泥等。：高鋁水泥、硫鋁酸鹽水泥等。 5.2.2.3 5.2.2.3 碳纖維加強混凝土碳纖維加強混凝土 碳纖維加強混凝土是一種高強度的混凝土。在碳纖碳纖維加強混凝土是一種高強度的混

18、凝土。在碳纖維外表未作任何處置時，碳纖維外表與水泥并無明顯的維外表未作任何處置時，碳纖維外表與水泥并無明顯的作用。作用。 研討闡明，當碳纖維經過熱研討闡明，當碳纖維經過熱NaOHNaOH溶液處置后，除了溶液處置后，除了外表有明顯刻蝕外，同時產生了外表有明顯刻蝕外，同時產生了 C CO O基團及基團及C00H(C00H(或或COONa)COONa)基團基團 。 在水泥水化過程中，經處置的碳纖維有富集在水泥水化過程中，經處置的碳纖維有富集Ca2+Ca2+的的作用，能夠導致纖維外表的水泥早期水化，表現為堿處作用，能夠導致纖維外表的水泥早期水化，表現為堿處置碳纖維水泥漿體的屈服應力及表觀粘度增大。置碳

19、纖維水泥漿體的屈服應力及表觀粘度增大。5.3 5.3 無機無機- -金屬復合體系的界面反響金屬復合體系的界面反響 復合資料的界面必需堅持良好的結合形狀，且在運復合資料的界面必需堅持良好的結合形狀，且在運用的高溫條件下堅持長時間的化學穩定性，使之不致因用的高溫條件下堅持長時間的化學穩定性，使之不致因發生化學反響而降低力學性能。發生化學反響而降低力學性能。 5.3.1 5.3.1 碳纖維碳纖維- -鋁復合體系鋁復合體系 纖維中的碳在纖維中的碳在400400以上與鋁發生化學反響以上與鋁發生化學反響 ，在，在500500以上其界面上生成很強的化合物以上其界面上生成很強的化合物A1C3A1C3，化學反響式，化學反響式為：為： 3C + 4Al Al4C3 3C + 4Al Al4C35.3.2 5.3.2 碳化硅碳化硅- -鋁基復合體系鋁基復合體系 碳化硅纖維具有極高的熔點，在空氣和金屬中它的碳化硅纖維具有極高的熔點，在空氣和金屬中它的化學惰性也較強。碳化硅纖維主要由非晶態化學惰性也較強。碳化硅纖維主要由非晶態SiCSiC構成，構成，外表缺陷很小，并且非常光滑。這種纖維在真空中于外表缺陷很小，并且非常光滑。這種纖維在真空中于14001400時強度開場下降。時強度開場下降。 5.3.3 5.3.3 氧化鋁纖維氧化鋁纖維- -鋁基復合體系鋁基復合體系 5.3.4 5