復(fù)合材料界面理論概述

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁復(fù)合材料至少具有增強體和基體兩種不同性質(zhì)的組分，界面就是在這些組分復(fù)合的過程中產(chǎn)生的。在纖維增強復(fù)合材料中，纖維和基體都保持著它們自己的物理和化學(xué)特性，但是因為二者之間界面的存在，使得復(fù)合材料產(chǎn)生組合的嶄新的獨特的力學(xué)性能。對于復(fù)合材料，界面是一種極為重要的微結(jié)構(gòu)，是復(fù)合材料的“心臟”，是聯(lián)系增強體和基體的“紐帶”，對各組分性能的發(fā)揮程度和復(fù)合材料的總算性能都具有舉足輕重的影響。復(fù)合材料之所以比單一材料具有優(yōu)異的性能，就是因為其各組分間的協(xié)同效應(yīng)，而復(fù)合材料的界面就是產(chǎn)生這種效應(yīng)的根本緣故。圖1纖維-樹脂復(fù)合材料界面暗示圖復(fù)合材料的界面不是零厚度的二維“假想面”，而是具有一定厚度的極為復(fù)雜多變的“界面相”或者“界面層”。界面相的成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和能量均與本體相很不相同，同時，不同的復(fù)合材料體系界面相也是不同的。總之界面具有異常復(fù)雜而奧秘的結(jié)構(gòu)，鼓勵著人們?nèi)ヌ剿?，去發(fā)現(xiàn)。通過對復(fù)合材料的深入研究，人們已經(jīng)提出了多種復(fù)合材料界面理論，比較有代表性的有浸潤理論、蔓延理論、化學(xué)鍵理論、嚙合理論等。每一種理論都有一定的實驗根據(jù)作為支撐，但是因為界面的復(fù)雜性，每一種理論都不能完美地解釋一切界面現(xiàn)象。任何事物都不是不可認(rèn)知的，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和界面表征技術(shù)的長進，界面理論將會發(fā)展和完美，蒙在“界面相”上的奧秘面紗必將在不久的未來被人們揭開。下面向幾種重要的界面理論作容易的推薦：（1）浸潤理論：由Zisman于1963年提出。界面的粘結(jié)強度受浸潤作用影響，良好的浸潤是形成良好界面的基本條件之一。潤濕良好對兩相界面的接觸有益，可以減少缺陷的發(fā)生，增多機械錨合的接觸點，也可以提高斷裂能。因此，增大纖維表面的自由能，提高纖維的浸潤性能對增強纖維和樹脂間的界面粘結(jié)性能有很大協(xié)助。然而，粘結(jié)畢竟是異常復(fù)雜的過程，不能單純從浸潤性解釋所有的界面現(xiàn)象，偶爾候處理后的纖維浸潤性變差界面粘結(jié)性卻浮上了很大的提高。因此，浸潤理論尚待完美。（2）化學(xué)鍵理論：這是應(yīng)用最廣，也最勝利的理論，能夠被多數(shù)人采納。兩相之間倘若能通過活性基團直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，或者通過偶聯(lián)劑的“協(xié)助”間接地以化學(xué)鍵的形式結(jié)合，這樣形成的界面粘結(jié)強度要比不存在化學(xué)作用或僅僅存在次鍵作用的情況強得多?；瘜W(xué)鍵理論在改善界面粘結(jié)強度方面具有重要的指導(dǎo)意義：對各種表面惰性的纖維舉行各種處理后，表面產(chǎn)生大量的活性基團如-COOH、-OH、-COOR、-NH2等含氧、氮基團或活性自由基；對彼此不能發(fā)生化學(xué)作用的兩相之間引入偶聯(lián)劑作為“媒介”，使得基體和增強體之間實現(xiàn)化學(xué)鍵合，從而有效提高復(fù)合材料的性能。然而，普通地化學(xué)鍵的數(shù)量是有限的，比次鍵作用要小得多。因此化學(xué)鍵理論也不完美，至今仍存在著一些爭議。（3）蔓延理論：由Boronzncui首先提出。兩高分子相間的界面粘結(jié)，是因為分子蔓延和分子間的纏結(jié)決定的。已經(jīng)有大量實驗支持這種理論，粘結(jié)強度與兩種分子的互相接觸時光、高聚物的相對分子質(zhì)量、分子鏈的柔性、溫度、溶劑等因素有關(guān)，并通過理論計算證實了這種理論的可靠性。然而，這種理論有很大的局限性，尤其是對于高聚物和無機物之間的界面粘結(jié)現(xiàn)象無法解釋。（4）嚙合理論：這種理論是建立在良好的浸潤性的基礎(chǔ)上的，并且強調(diào)固體表面的微觀粗糙度及相宜的形貌對粘結(jié)強度具有重要意義。一些報道甚至提出復(fù)合材料界面強度的改善主要由嚙合作用增強所致。然而，嚙合作用在定量分析上存在很大的障礙，因而對增強體表面粗糙度的控制上缺少理論根據(jù)。（5）過渡層理論：復(fù)合材料基體和增強體之間應(yīng)該存在一個過渡層以消除成型過程中的內(nèi)應(yīng)力，而對這個過渡層的形態(tài)和作用卻存在著商議。一種理論認(rèn)為，過渡層是柔性的塑性層，可以松弛應(yīng)力，即為“變形層”；另一種理論認(rèn)為這個過渡層不是柔性層，而是模量介于基體和增強體之間的“抑制層”，可以起到勻稱傳遞應(yīng)力的作用。此外，還有靜電理論、酸堿作用理論、摩擦理論、物理吸附理論等界面理論。每種理論都有一定的實驗根據(jù)和理論支持，然而因為復(fù)合材料界面的復(fù)雜性，至今人們對其都僅有深沉的認(rèn)識。纖維與樹脂的界面相