第三章材料的界面理论第三章材料的界面理论3.1概论复合材料界面理论对于复合材料界面理论的研究是试图提出一个能够适用于各种复合材料的理论，诸如化学反应理论、浸润理论、可形变层理论、约束层理论、静电作用理论以及把一些理论结合起来的理论。但它们都有许多矛盾，常不能自圆其说。由于对界面认识的逐步深化，了解到界面相的复杂性与多重性是和原组成材料、加工工艺和使用环境密切有关。因此，理论研究转向针对某一具体体系，探讨界面微结构与宏观性能的关系，界面浸润过程和界面反应的热力学与动力学关系，建立某种体系的界面相模型并作理论处理等。3.2.1表面现象3.2表面现象与表面张力表面张力表面张力是物质内部分子间相互吸引的一种表现。分子间作用力越大，表面张力越大。表面张力1、金属键物质>离子键物质>极性分子物质>非极性分子物质。2、物质的表面张力，同它接触的另一相物质的性质有关。3、温度越高，表面张力越小。3.2表面现象与表面张力（2）润湿现象浸润或不浸润取决于液体对固体和液体自身引力的大小。当液体对固体的吸引力大于液体自身的吸引力时，就产生浸润现象。反之，则不浸润。当σSA<σSL，>90º，液体不润湿固体；当=180º，固体表面完全不能被液体润湿；当σLA>σSA-σSL，<90º，液体润湿固体；当σLA=σSA-σSL，=0º，液体完全平铺在固体表面。黏附功与铺展系数黏附功与界面张力的关系：Wa=σLA+σSA-σSLWa：将1cm2的固液连接面拉开所需的功。结合功与界面张力的关系：Wc=2σLAWc：将1CM2截面的该液体柱拉开所需的功。铺展系数φ=Wa-Wcφ>0，产生浸润。（3）吸附作用固体表面层的原子或分子处于力场不平衡的状态，表面质点具有较大的表面自由能。这种不平衡的力场使固体表面吸附其它物质，从而降低质点的表面自由能。物理吸附化学吸附3.2.2聚合物固体的表面张力为使纤维和树脂之间有良好的浸润性，纤维的表面张力必须大于树脂的表面张力。研究复合材料（界面）必须研究聚合物的表面张力与增强材料的表面张力。固体表面的张力没有直接可靠的研究方法，主要是间接测定，或是从理论上计算。（1）实验测定固体表面张力的方法①临界表面张力测定法认为被测定的固体临界表面张力与液体表面张力存在下列关系：COSθ=1+b(σSA-σLA)θ是接触角，b是物质的特性常数。测试方法：将已知表面张力的液体，置于树脂固化体系表面，当树脂体系达到固化临界状态时，测定这些液体的接触角θ。假设COSθ与液体的表面张力σLA是线性关系，利用COSθ与σLA作图，外推COSθ=1，对应的液体表面张力就是树脂固化体系的临界表面张力。②利用聚合物液体或熔体的表面张力与温度的关系求固体表面张力一般液体物质的表面张力随温度的升高而降低。利用此原理测定聚合物液体或熔体的表面张力，并外推到相当于聚合物处于固体状态时某一温度下的表面张力。③Legrand与Gaines测定表面张力法表面张力与分子量关系：σ=σ∞-KeMn-2/3以σ对Mn-2/3作图，所得直线外推Mn到∞，可求得聚合物固体表面张力。④Girifalco和Good研究固液间张力方法Girifalco和Good提出固体，液体的表面张力与固/液间的界面张力存在以下关系：σSL=σSA+σLA-2φ（σSA.σLA）1/2其中φ为摩尔体积数，φ=4（VSVL）1/3/(VS1/3+VL1/3)2VS为固体的摩尔体积，VL为液体的摩尔体积。将σSA=σSL+σLACOSθ带入上式得到：COSθ=2φ（σSA/σLA）1/2-1当已测得接触角时，可计算固体的表面张力，若已知界面张力，可计算接触角。【例】计算二碘甲烷在甲基丙烯酸甲酯表面的接触角。已知：VS=86.5cm3/mol，VL=80.6cm3/mol，σSA=42.5dyn/cm，σLA=50.8dyn/cm。解：φ=4（VSVL）1/3/(VS1/3+VL1/3)2=1COSθ=2φ（σSA/σLA）1/2-1=2x（42.5/50.8）1/2=0.83θ=34o⑤界面张力一般公式σ12=σ1+σ2-2φ（σ1.σ2）1/2φ=1时，σ12=（σ11/2-σ21/2）2当两界面上发生氢键时，则界面张力计算公式改为：σ12=σ1+σ2-2（σ1d.σ2d）1/2-2（σ1n.σ2n）1/2=【（σ1d)1/2-（σ2d)1/2】2+【（σ1n)1/2-（σ2n)1/2】2σd为色散形成的表面张力，σn为偶极力与氢键形成的表面张力。σ=σd+σn。3.2表面现象与表面张力3.2表面现象与表面张力3.2表面现象与表面张力3.3.1增强材料的表面性质增强材料的表面性