知识科普 树脂基复合材料的界面（三）

  该理论认为，纤维表面的化学基团与树脂基体中的另一个与之相容的化学基团之间形成一个新的化学键。这一理论已得到证实，并大量应用在纤维材料的表面改性上。

  该理论认为，机械嵌合是由于纤维增强体和树脂基体表面不光滑而产生的。基体树脂必须渗入纤维表面上的沟槽和孔隙中，使复合材料固化后树脂与纤维发生机械嵌合而固定。根据以上阐述，纤维表面粗糙度越大，基体树脂与纤维接触面积就越大，嵌合部位就越多，复合材料的界面粘结性越好。因此能通过对纤维进行表面刻蚀等解决方法，来增强纤维与基体材料的结合。但是如果纤维表面粗糙度过高，纤维缺陷也将随之增多，这将影响复合材料的综合性能。

  该理论认为，复合材料要想获得优良的性能，树脂和纤维之间要拥有非常良好的浸润性。若浸润不良，则无法覆盖复合材料界面上的微孔和裂纹等缺陷，从而易在这些缺陷处由于应力作用而发生开裂。由润湿引起的界面结合发生在原子级尺度的范德华力或酸-碱相互作用。润湿是复合材料界面改性和优化的必要条件，是研究复合材料界面性能的重要因素。

  综合以上三个复合材料界面理论，复合材料的界面要想得到改善，一般遵从以下几条原则：

  （3）适当增加纤维的粗糖度，提高复合材料界面的机械嵌合，改善复合材料界面结合。

  纤维表面的研究手段和表征方法主要有：SEM、原子力显微镜（AFM）、表面能（SE）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（LRS）、反气相色谱法（IGC）、X射线衍射（XRD，主要分析纤维处理前后本体结构的变化）等。

  基体和增强材料的表面薄层之间相互影响、相互制约，同时该表面薄层还受表面本身的结构和组成的影响。界面层的厚度是界面表征的重要指标之一，它反映了界面反应的程度。界面层的厚度目前还没有完全弄清楚，但界面层厚度的数量级应在纳米级以上。

  首先需要搞清楚的问题是，界面结合强度和界面剪切强度（ISS）是否是同一个概念？

  需要明确说明的是，界面结合强度这个概念不仅仅用于描述纤维增强树脂基复合材料中增强纤维与树脂基体之间的界面，也可用来描述混凝土等无机材料。

  界面剪切强度是用来表征纤维增强树脂基复合材料界面结合强度的一种方式，如果纤维增强树脂基复合材料有更好的表征其界面结合强度的物理量，也不一定非要用界面剪切强度来表征其界面结合强度。但是到目前为止，可以认为界面剪切强度是表征纤维增强树脂基复合材料界面结合强度的最有效的一个力学表征参数。

  如前所述，对于纤维增强树脂基复合材料而言，界面结合强度并不是越强越好。例如当材料受到冲击作用时，若界面结合强度过强，将使得树脂基体在破坏后，裂纹直接通过纤维，引起复合材料的脆性断裂；界面结合强度太弱时，则基体不能将载荷有效传递给纤维，起不到增强的作用；界面结合强度适中时，树脂基体会起到一定的缓冲作用，复合材料不至于产生脆性断裂。

  界面结合强度的表征一直是复合材料研究领域里十分活跃的课题。由于界面区相对于整个复合材料所占比重甚微，欲单独对其某一性能进行度量有很大困难，因此常常借用整个复合材料的力学性能来表征界面性能。整体看来目前用于测定复合材料界面强度的方法可分为三类：复合材料宏观实验、微复合材料实验和复合材料原位（微观）实验等方法。

  主要包括纤维表面改性（即各类纤维表面处理方法），树脂基体改性（从官能团的角度对树脂体系进行改性，以便于树脂基体与增强纤维能够更好地接触），复合材料界面应力的控制（即从优化成型工艺的角度来控制界面应力的产生和分布，减小界面的残余应力），界面化学反应及界面恒定性的控制等。

  例如，复合材料成型工艺的优劣，对复合材料的性能有着直接的影响，而根据之前的分析，复合材料的性能（尤其是承载方面）主要根据树脂与增强纤维之间的结合情况，也就是界面性能的好坏，因此，优化成型工艺对改善树脂基复合材料中树脂和纤维的界面性能有着直接的影响。

  除了从传统的成型工艺参数方面做调整和优化（这需要大量的实验和经验积累）外，新型的树脂固化成型工艺和表面处理技术也是一种选择。

  电子束固化技术是近年来研究的意在取代传统热固化的新技术，它的独特之处在于成本低、固化温度可调、固化时间很短、工艺匹配性好、环境污染小。

  电子束固化存在的问题是在固化过程中，没有压力的作用，这可能会引起复合材料制品的层间剪切强度（ILSS）较低。

  超声处理技术是一种新型的处理技术，它具有对增强体纤维进行表面改性和改善浸胶工艺的双重作用，因此它既是一种纤维表面改性技术，又是一种新型的复合材料浸胶工艺。

  超声作用于树脂体系时，可以促使树脂内部空化泡涨落的交替作用，诱发空化效应，产生巨大的能量，克服树脂体系分子运动的摩擦阻力，降低树脂体系的粘度；另一方面，超声的声流作用提供给树脂体系内分子一个很大的加速度，使其迅速运动，也使树脂体系的粘度降低。超声波的负压相可产生强大的抽吸作用，除去纤维表面吸附的杂质和氧化物，使其表面能提高。

  树脂的粘度降低、纤维的表面能提高，这就使充模过程中树脂对纤维的浸润性提高，提高浸润速率，从而使界面粘结性能也得到改善。

  需要特别说明的是，通过界面层控制来改善复合材料的界面结合强度，减少界面残余应力，效果是非常有限的。返回搜狐，查看更加多