复合材料界面理论概述

朽木易折，金石可镂。千里之行，始于足下。第页/共页复合材料至少具有增强体和基体两种不同性质的组分，界面就是在这些组分复合的过程中产生的。在纤维增强复合材料中，纤维和基体都保持着它们自己的物理和化学特性，但是因为二者之间界面的存在，使得复合材料产生组合的崭新的独特的力学性能。对于复合材料，界面是一种极为重要的微结构，是复合材料的“心脏”，是联系增强体和基体的“纽带”，对各组分性能的发挥程度和复合材料的总算性能都具有举足轻重的影响。复合材料之所以比单一材料具有优异的性能，就是因为其各组分间的协同效应，而复合材料的界面就是产生这种效应的根本缘故。图1纤维-树脂复合材料界面暗示图复合材料的界面不是零厚度的二维“假想面”，而是具有一定厚度的极为复杂多变的“界面相”或者“界面层”。界面相的成分、结构、形态和能量均与本体相很不相同，同时，不同的复合材料体系界面相也是不同的。总之界面具有异常复杂而奥秘的结构，鼓励着人们去探索，去发现。通过对复合材料的深入研究，人们已经提出了多种复合材料界面理论，比较有代表性的有浸润理论、蔓延理论、化学键理论、啮合理论等。每一种理论都有一定的实验根据作为支撑，但是因为界面的复杂性，每一种理论都不能完美地解释一切界面现象。任何事物都不是不可认知的，随着科学技术的发展和界面表征技术的长进，界面理论将会发展和完美，蒙在“界面相”上的奥秘面纱必将在不久的未来被人们揭开。下面向几种重要的界面理论作容易的推荐：（1）浸润理论：由Zisman于1963年提出。界面的粘结强度受浸润作用影响，良好的浸润是形成良好界面的基本条件之一。润湿良好对两相界面的接触有益，可以减少缺陷的发生，增多机械锚合的接触点，也可以提高断裂能。因此，增大纤维表面的自由能，提高纤维的浸润性能对增强纤维和树脂间的界面粘结性能有很大协助。然而，粘结毕竟是异常复杂的过程，不能单纯从浸润性解释所有的界面现象，偶尔候处理后的纤维浸润性变差界面粘结性却浮上了很大的提高。因此，浸润理论尚待完美。（2）化学键理论：这是应用最广，也最胜利的理论，能够被多数人采纳。两相之间倘若能通过活性基团直接发生化学反应，或者通过偶联剂的“协助”间接地以化学键的形式结合，这样形成的界面粘结强度要比不存在化学作用或仅仅存在次键作用的情况强得多。化学键理论在改善界面粘结强度方面具有重要的指导意义：对各种表面惰性的纤维举行各种处理后，表面产生大量的活性基团如-COOH、-OH、-COOR、-NH2等含氧、氮基团或活性自由基；对彼此不能发生化学作用的两相之间引入偶联剂作为“媒介”，使得基体和增强体之间实现化学键合，从而有效提高复合材料的性能。然而，普通地化学键的数量是有限的，比次键作用要小得多。因此化学键理论也不完美，至今仍存在着一些争议。（3）蔓延理论：由Boronzncui首先提出。两高分子相间的界面粘结，是因为分子蔓延和分子间的缠结决定的。已经有大量实验支持这种理论，粘结强度与两种分子的互相接触时光、高聚物的相对分子质量、分子链的柔性、温度、溶剂等因素有关，并通过理论计算证实了这种理论的可靠性。然而，这种理论有很大的局限性，尤其是对于高聚物和无机物之间的界面粘结现象无法解释。（4）啮合理论：这种理论是建立在良好的浸润性的基础上的，并且强调固体表面的微观粗糙度及相宜的形貌对粘结强度具有重要意义。一些报道甚至提出复合材料界面强度的改善主要由啮合作用增强所致。然而，啮合作用在定量分析上存在很大的障碍，因而对增强体表面粗糙度的控制上缺少理论根据。（5）过渡层理论：复合材料基体和增强体之间应该存在一个过渡层以消除成型过程中的内应力，而对这个过渡层的形态和作用却存在着商议。一种理论认为，过渡层是柔性的塑性层，可以松弛应力，即为“变形层”；另一种理论认为这个过渡层不是柔性层，而是模量介于基体和增强体之间的“抑制层”，可以起到匀称传递应力的作用。此外，还有静电理论、酸碱作用理论、摩擦理论、物理吸附理论等界面理论。每种理论都有一定的实验根据和理论支持，然而因为复合材料界面的复杂性，至今人们对其都仅有深沉的认识。纤维与树脂的界面相