当前课程知识点:复合材料设计与成型 > 2 手糊成型工艺 > 2.2 树脂对纤维的润湿(上) > 2.2.1 视频单元
同学们好
这一讲,我们学习
《树脂对纤维的润湿》
润湿是复合材料制备涉及的一个共性的关键科学问题
根据本课程第一部分的学习
我们知道
复合材料通常由基体和增强体复合而成
基体和增强体之间存在着界面
这个界面
称为复合材料界面
也就是基体相与增强相之间的过渡区
它具有
传递载荷
隔断裂纹
性能突变等功能和效应
是决定复合材料性能的关键因素
问题是
复合材料界面是怎么形成的
如何控制
要回答这个问题
我们需要回顾一下复合材料的概念
根据定义
复合材料是多相固体材料
增强材料通常是固相
而基体材料
无论是液相
气相
还是固相
制备过程中最终都会转换成固相
形成固/固界面
对于树脂基复合材料
这个过程包括润湿和固化定型两大步骤
而润湿是形成良好界面的前提条件
而润湿的内涵是什么
同学们回顾《物理化学》
润湿可以从动力学和热力学两个角度来理解
从动力学角度理解
润湿是指固体表面一种液体取代另一种与之不混溶流体的过程
通常是液体取代固体表面的气体
热力学角度
则是固体与液体接触后
体系的吉布斯(Gibbs)自由能G降低时
称为润湿
在我们直观印象中
液体和固体接触以后
通常都会弄湿固体
那有没有不润湿的现象
当然有
比如露珠与荷叶接触
汞液与玻璃接触
我们会看到液滴直接滚走
再比如
右图中的水滴接近尼龙纤维针
不接触、不润湿,而是绕着尼龙纤维运动
同学们想象一下
如果类似的不润湿现象
发生在制备过程中
也就是说
树脂无法润湿纤维
那我们还能制备出性能优良的复合材料制品吗
显然不能
我们再回顾《物理化学》知识
润湿的类型可以分为
沾湿
浸湿和铺展
沾湿
固体和液体接触形成液-固界面
浸湿
固体浸入液体中形成液-固界面
铺展
液体在固体表面自动展开形成液-固界面
同学们看
三种润湿类型共同的特点是
都形成了液固界面
而这恰恰是复合材料制备关心的问题
因为
只有树脂和纤维接触后
形成了新的液固界面
才能得到良好的复合材料界面
接下来的问题是
如何判断树脂能否润湿纤维
我们介绍三大判据
接触角判据
Wenzel方程和Zisman准则
第一个判据
接触角判据
接触角是液滴在固体表面平衡后
液气界面与液固界面之间的夹角
即图中的θ角
接触角判据的基本依据
就是著名的杨氏方程
根据杨氏方程(2.1)式
如果固体表面张力大于液固界面张力(如2.2式)
液滴向外扩张
形成新的液固界面
说明能润湿
反之
则向内收缩
液固界面减少
不润湿
临界接触角刚好为90度
因此
接触角判据细则
可分为四种情况
当𝜃=0°时
完全润湿
液体能在固体表面上自由铺展
当0°<𝜃<90°时
能润湿
而且接触角越小,润湿性越好
当90°<𝜃<180°时
不润湿
而且接触角越大,润湿性越差
当𝜃=0° 时
则完全不润湿
这就是接触角判据的细则
回顾沾湿概念
固体和液体接触形成了新的液固界面
显然
用接触角判据并不能直接判断沾湿的条件
需要结合热力学吉布斯自由能判据来分析
等温等压下
吉布斯自由能的变化等于体系对外所做的非体积功
沾湿过程的非体积功即是沾湿功
这个过程中
吉布斯自由能的变化主要是界面自由能的变化
如2.3式
1.由此
我们可以分析出沾湿过程中
体系吉布斯自由能的变化
固体和液体接触形成了新的“液-固”界面
液固界面自由能γSL增加
但是相应位的置液体表面(即“气-液”界面)和固体表面消失
表面自由能减少
因此
总的表面自由能变化是
液固界面自由能增加
液体表面和固体表面自由能减少
即2.4式
2.而沾湿功,数值上等于吉布斯自由能的变化量
体系对外做功,用负号表示
2.5式前两项之差,刚好是接触角余弦值的分子项
把式2.1b代入2.5式
建立起沾湿功和接触角之间的联系
3.根据吉布斯自由能判据
等温等压条件下
自发过程的吉布斯自由能降低
反过来
沾湿过程能够自发进行的条件是沾湿功要大于0
由此可知
接触角小于180°
沾湿自发发生
等于180°
则不能沾湿
1.接下来
分析浸湿条件
浸湿是固体浸入液体中形成液固界面的过程
同理
等温等压下
浸湿功等于体系吉布斯自由能的变化
1、固体浸入液体中
形成了新的液固界面
液固界面自由能γSL增加
相应位置的固体表面消失
固体表面自由能γSV减少
这就是浸湿过程吉布斯自由能的变化
2、变化量刚好是接触角余弦的分子项
由此便可建立浸湿功与接触角的联系
浸湿能够自发发生的条件是
浸湿功大于0
由此可知
接触角小于90°
浸湿自发发生
大于90°
需要做功浸湿
3、巧合的是
90度是润湿和不润湿的分界线
1、再来分析铺展条件
铺展是液体在固体表面自动展开形成液固界面的过程
等温等压下
铺展功等于体系吉布斯自由能的变化
1、液体在固体表面自动展开,形成了新的液固界面
液固界面自由能γSL增加
形成液膜
液体表面自由能γLV增加
相应位置的固体表面消失
固体表面自由能γSV减少
这就是铺展过程中吉布斯自由能的变化
等于铺展功
2、结合杨氏方程
建立铺展功与接触角的联系
铺展能够自发发生的条件是铺展功大于等于0
由此可知
接触角为0°时
铺展自发发生
完全润湿
否则
不存在平衡接触角
对比沾湿、浸湿和铺展的条件
显然
沾湿功大于浸湿功
浸湿功大于铺展功
如果铺展功大于零
则沾湿和浸湿功必定大于零
也就是说
能够铺展,必定能够沾湿和浸湿
铺展是润湿的最高形式。
这一节,我们学习了润湿的接触角判据
1.润湿分三种类型
沾湿
浸湿 和铺展
三种润湿状态都形成了新的液-固界面
2.接触角判据以90°为界限
0°≤θ<90°可润湿
90°≤θ<180°则不润湿
3.铺展是润湿的最高形式
能铺展则必能沾湿和浸湿
4.看这个图
图中的树脂能否润湿纤维
接触角85°,小于90°
根据接触角判据
显然此图中的环氧树脂能润湿碳纤维
5.再看这个图
接触角是多少
液固界面与液体表面之间的夹角
大约是145°
显然不能润湿
这是水滴落在玫瑰花瓣上的接触角
玫瑰花瓣表面的微观形貌是典型的微纳二级结构
这正是它具有超疏水表面的关键
-1.1 课程简介及复合材料定义
--1.1.2 作业
--1.1.3讨论
-1.2 复合材料的命名与分类
--1.2.2 作业
-1.3 复合材料的特点
--1.3.2 作业
-1.4 复合材料的应用
--1.4.2 作业
--1 引言 课件
-2.1 颗粒增强原理
--2.1.2 作业
-2.2 短纤维增强原理
--2.2.2 作业
-2.3 界面效应
--2.3.2 作业
-2.4 复合材料界面
--2.4.2 作业
-2.5 复合材料界面表征与分析
--2.5.2 作业
-3.1 增强材料概述
--3.1.2 作业
-3.2 玻璃纤维概述、生产工艺、成分与结构
--3.2.2 作业
-3.3 玻璃纤维的性能、制品与规格
--3.3.2 作业
-3.4 碳纤维概述
--3.4.2 作业
-3.5 碳纤维的制备工艺
--3.5.2 作业
-3.6 碳纤维的结构、性能、制品与规格
--3.6.2 作业
-3.7 芳纶纤维
--3.7.2 作业
-4.1 聚合物概述
--4.1.2 作业
-4.2 聚酯概述、化学结构、合成与交联
--4.2.2 作业
-4.3 聚酯的性能与应用
--4.3.2 作业
-4.4 环氧树脂概述、化学结构、合成与表征
--4.4.2 作业
-4.5 环氧树脂的交联、性能与应用
--4.5.2 作业
-4.6 酚醛树脂及其他热固性树脂
--4.6.2 作业
-4.7 热塑性树脂及聚合物基复合材料的应用
--4.7.2 作业
-5.1 陶瓷及陶瓷基复合材料概述
--5.1.2 作业
-5.2 陶瓷基复合材料成型工艺
--5.2.2 作业
-5.3 陶瓷基复合材料的界面及强韧化
--5.3.2 作业
-5.4 碳碳复合材料及陶瓷基复合材料的应用
--5.4.2 作业
-6.1 金属基体
--6.1.2 作业
-6.2 金属基复合材料成型工艺
--6.2.2 作业
-6.3 金属基复合材料的界面
--6.3.2 作业
-6.4 金属基复合材料的性能与应用
--6.4.2 作业
-1.2 作业
-2.1 应力与应变
--2.1.2 作业
-2.2 广义胡克定律
--2.2.2 作业
-2.3 工程常数、平面应力状态、应力应变转换
--2.3.2 作业
-3.1 单向板的正轴刚度、刚度柔度变换
--3.1.2 作业
-3.2 倍角变换、偏轴工程常数
--3.2.2 作业
-4.1 层合板的代号、面内刚度
--4.1.2 作业
-4.2 典型层合板的面内刚度
--4.2.2 作业
-4.3 层合板的弯曲刚度
--4.3.2 作业
-4.4 单向层合板、对称层合板及夹芯结构的弯曲刚度
--4.4.2 作业
-5.1 最大应力与最大应变准则
--5.1.2 作业
-5.2 蔡-希尔、蔡-吴强度准则
--5.2.2 作业
-5.3 层合板的强度分析
--5.3.2 作业
-5.4 层合板的极限强度
--5.4.2 作业
-6.1 细观力学引言、平均性质
--6.1.2 作业
-6.2 单向板的工程常数
--6.2.2 作业
-6.3 单向板的强度
--6.3.2 作业
-6.4 热膨胀与湿溶胀系数
--6.4.2 作业
-6.5 层合板的残余应力
--6.5.2 作业
-7.1 复合材料结构控制方程
--7.1.2 作业
-7.2 简单构型复合材料一维受力构件的力学分析
--7.2.2 作业
-8.1 复合材料层合梁
--8.1.2 作业
-8.2 复合材料板梁
--8.2.2 作业
-8.3 复合材料薄壁梁
--8.3.2 作业
-1.1 绪论
--1.1.2 作业
--1.1.3 讨论
-2.1 手糊基本原理
--2.1.2 作业
-2.2 树脂对纤维的润湿(上)
--2.2.2 作业
-2.3 树脂对纤维的润湿(下)
--2.3.2 作业
-2.4 手糊技术进展和典型应用
--2.4.2 作业
-3.1 RTM基本原理
--3.1.2 作业
-3.2 树脂渗流规律
--3.2.2 作业
-3.3 树脂流动模拟分析
--3.3.2 作业
-3.4 RTM技术发展和典型应用
--3.4.2 作业
-4.1 RFI基本原理
--4.1.2 作业
-4.2 RFI树脂膜体系
--4.2.2 作业
-4.3 树脂固化制度的确定和RFI典型应用
--4.3.2 作业
-5.1 VIMP基本原理
--5.1.2 作业
-5.2 树脂的粘度特性
--5.2.2 作业
-5.3 纤维预成型体的渗透特性和VIMP典型应用
--5.3.2 作业
-6.1 拉挤基本原理
--6.1.2 作业
-6.2 拉挤内脱模剂
--6.2.2 作业
-6.3 拉挤技术发展和典型应用
--6.3.2 作业
-7.1 缠绕基本原理
--7.1.2 作业
-7.2 缠绕线型规律
--7.2.2 作业
-7.3 缠绕工艺参数、技术发展和典型应用
--7.3.2 作业
-8.1 模压基本原理和模压料工艺性
--8.1.2 作业
-8.2 SMC片状模塑料
--8.2.2 作业
-8.3 模压关键工艺参数和典型应用
--8.3.2 作业
-9.1 概述
--9.1.2 作业
-9.2 PIP基本原理
--9.2.2 作业
-9.3 PIP关键步骤
--9.3.2 作业
-9.4 致密化和典型应用
--9.4.2 作业
-课程考试



