8.3. Адгезия композиционных материалов

Природа адгезии на поверхности раздела композиционных мате­риалов определяется тремя типами связей: химической, электрической, механической.

Между неполярными адгезивами и субстратами реализуются пре­имущественно Ван-дер-Ваальсово взаимодействие или водородные связи. При протекании на границе раздела фаз реакций образуются хими­ческие связи и наблюдается образование двойного электрического слоя. Изменение адгезии вследствие возникновения двойного электрического слоя в зоне контакта и образования донорно-акцепторной связи опреде­ляется для металлов и кристаллов состоянием внешних электронов ато­мов поверхностного слоя и дефектами кристаллической решетки, для полупроводников - поверхностными состояниями и наличием примес­ных атомов, а для диэлектриков - дипольным моментом функциональ­ных групп молекул на границе фаз.

Площадь контакта (и величина адгезии) твердых тел зависит от их упругости и пластичности. Усилить адгезию можно путем активации, т.е. изменением морфологии и энергетического состояния поверхности механической очисткой, очисткой с помощью растворов, вакуумированием, воздействием электромагнитного излучения, ионной бомбарди­ровкой, а также введением различных элементов. Например, значительная адгезия металлических пленок достигается методами электроосаждения, термического испарения, вакуумным и плазменным напылением и др.

Термодинамическая предпосылка адгезии состоит в снижении при сближении адгезива и субстрата на расстояния, сопоставимые с ра­диусом действия межмолекулярных сил. Молекулярно-кинетической предпосылкой адгезии является обеспечение достаточно высокой под­вижности молекул адгезивов и субстратов в граничных зонах. Для по­лимеров этот показатель увеличивается со снижением молекулярной массы, повышением гибкости макромолекул и температуры.

8.3.1. Взаимодействие контактирующих поверхностей при адгезии и прочность соединений

Прочность G адгезионных соединений определяется как межфаз­ным взаимодействием (- граничное поверхностное натяжение), так и деформационными свойствами адгезива и субстрата и возникающими в них при адгезионном контакте напряжениями, развивающимися в адгезиве при его усадке вследствие полимеризации или взаимодействия с субстратом. Вклад факторов термодинамического происхождения в из­меряемые значения можно учесть, вводя удельную адгезионную энер­гию , вклад когезионных характеристик контактирующих фаз — лю­бым физическим параметром , (например, свободным объемом, темпе­ратурой стеклования и т.п.), а вклад межфазного контакта - отноше­ниями и ( - суммарная площадь поверхности раз­рушения, , [см.(8.1)]). В общем виде:

. (8.7)

Важный критерий прочности адгезионных сред -их долговечность (), т.е. продолжительность сохранения целостности в условиях внешне­го нагружения и действия агрессивных сред.

Адгезионная прочность зависит от размеров (толщины, ширины) образца, направления и скорости приложения внешних усилий. При адгезии, слабой по сравнению с когезией, имеет место адгезионный от­рыв, при относительно слабой когезии - когезионный разрыв адгезива.

Когда площадь фактического контакта близка к молекулярному, т.е. при , адгезионные соединения разрушаются, как правило, по наименее прочной из фаз (когезионный характер разрушения). Менее вероятно разрушение по межфазной границе (адгезионный характер). Оно реализуется при наличии на поверхностях контакта загрязняющих продуктов, т.е. когда .