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了解【环氧板】材料的界面结合机理

将在没有外力作用下物理、化学性质完全相同、成分相同的均勾物质的聚多集态称为相。不同相之间会有明确的物理界面。该物理界面不是几何意义上的面,而是具有一定厚度的区域。由于界面原子能量不同于界面两侧原子能量,因而该区;域具有不同于相邻两相的特殊性质。般将固相或液相与气相的界面称为表面。复合材料的界面是指基体与增强体之间化学成分有显著变化、构成彼此结合、能起载荷传递作用的微小区域。界面相则是复合材料中组元材料之间具有一一定尺度、在结构和原组元材料上有明显差别的新相。


环氧板材料界面在物理结构上呈层状或带状,厚度-一般是不均匀的,其厚度约在数纳米至数微米之间。虽然界面较小,但其仍有自己独特的结构和性质,且不同于基体和增强体中的任何-一相。复合材料界面在化学成分上也较为复杂,可以是基体和增强体相互扩散的产物,也可以是基体和增强相的化学反应物,还可以是单独制备的一层物质,其化学组 成也会完全不同于基体和反应物。此外,界面还可能含有增强体涂层元素和环境带来的杂质元素等。复合材料界面是复合材料中极为重要的结构,其结构和性能直接影响复合材料的性能。因此,深人研究界面性质,进而对其进行控制,是获得高性能复合材料的关键。


了解环氧板材料的界面结合机理,是究界面性质的基础。不同类型的复合材料,其界面结合机理有所不同,进而造成界面性能存在较大区别。发生化学反应而分为物理结合和化学结合。


街正不发生化学反皮的站合称为物理结合,主要有润提现象机被作用静电作用和带(1)界面浸润理论。在此,首先介绍润湿现象。润湿是液体与固体接触时所产生的种表面现象,主要研究的是液体对固体表面的亲和情况。如果一滴液滴在固体表面上,则可形成如图1-3所示情况。其中f是液体表面张力(将在第9章做进一步介绍,由于液气界面张力之差别较小,故可代用)0-和液固张力0.同的夹角称为接触角。0为固一气张力。通常将作为润湿与否的依据。当0=0°时,称为完全润湿;当θ< 90°时,称为润湿:当θ>90时,称为不润湿;当θ=180°时,则称为完全不润湿,液体在固体表面呈球状。


根据润湿现象,Zsiman于1963年提出界面浸润理论。其主要论点是增强体被液体聚合物良好浸润是极其重要的,浸润不良会在界面上产生空隙,易使应力集中而导致复合材料开裂。如果完全浸润,则基体与增强体间的黏结强度将大于基体的内聚强度,增强体可以起到良好的增强效果。润湿理论认为聚合物与增强体的结合属于机械黏结和润湿吸附。前者是一种机械镶嵌现象,在基体和增强体间充分润湿的基础上,通过机械镶嵌黏结;后者则是主要通过范德华力的作用实现黏结。


Zsiman还提出基体与增强体产生良好结合的两个条件,即:


1)液体黏度要尽量低。这是因为当液体较黏稠时,不能充分流人增强体表面小的孔穴,造成界面的机械结合强度降低,从而导致复合材料性能下降;


2)σg要略大于or,即液态聚合物的表面张力必须低于增强体的表面张力,有利于提高基体与增强体的润湿吸附,提高界面结合强度,进而提高复合材料的性能。


润湿理论解释了增强体表面粗化、表面积增加有利于提高与基体聚合物界面结合力的现象。但单纯以基体和增强体的润湿性好坏来判定两者之间的黏结强度是不全面的。一方面,这仅从热力学角度判断能否润湿,没有考虑动力学因素。前者说明了两个表面结合的内在因素,表示了结合的可能性,但没有时间的概念。后者则能说明实际应用中产生界面结合的外部因素,如温度、压力等的影响。这也是影响界面结合强度的因素。另一方面,润湿理论不能解释在增强体表面加入偶联剂后降低了聚合物都纤维的浸润能力,但却使复合材料界面黏结强度提高的现象。因此,偶联剂在复合材料界面上的偶联效果还存在更本质的原因。


(2)机械作用。两个表面接触时,将会由于表面粗糙不平而发生机械互锁,如图7-4所示。大部分材料表面是粗糙不平的,具有一定的粗糙度。当增强体和基体接触后发生相对运动或具有运动趋势时,两者会产生摩擦力,从而实现界面力学传递的作用。该理论解释了部分复合材料中增强体表面越粗糙,界面结合强度越高的现象。但对于聚合物基复合材料,当增强体表面粗糙度较大时,其表面就会存在较多小孔穴,而黏稠的聚合物是无法浸润这些小孔穴的。这不仅可能会造成界面脱黏的缺陷,也可能会造成应力集中,不利于复合材料强度的提高。


对于环氧板材料的机械结合界面,在增强体和基体不润湿时,同样可以实现界面结合,但结


(3)静电作用。机械作用虽然能很好地解释部分复合材料中增强体表面越粗糙,界面结合强度越高的现象,但却不能解释当两个表面特别光滑时,界面结合强度却增大的现象。因此,又有学者提出静电作用理论。即当复合材料不同组分带有不同电荷时,将发生静电吸引,如图7-5所示。但这只在原子尺度量级内才有效。

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