聚合物基复合材料的界面研究进展

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1、深圳大学研究生课程论文题目聚合物基复合材料的界面研究进展成绩专业材料工程课程名称、代码1512011080405年级姓名学号时间年月任课教师聚合物基复合材料的界面研究进展【摘要】界面的好坏是直接影响复合材料性能的关键因素之一。当复合材料受到外力作用时，除增强材料和基体受力外，界面亦起着极其重要的作用。本文主要综述无机刚性粒子增强复合材料、无机纳米粒子增强复合材料、纤维增强复合材料、原位复合材料的界面特性及其改性方法，并简要介绍了各种复合材料的增强机理，界面相容性。【关键词】聚合物；复合材料；综述；增强

2、1前言界面是复合材料极为重要的微观结构，它作为增强体与基体连接的“桥梁”，对复合材料的物理机械性能有至关重要的影响。复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相(界面相)组成，它们各自都有其独特的结构、性能与作用，增强相主要起承载作用，基体相主要起连接增强相和传载作用，界面是增强相和基体相连接的桥梁，同时是应力的传递者[1]。目前对增强相和基体相的研究已取得了许多成果，但对作为复合材料三大微观结构之一的界面问题的研究却不够深入，其原因是测试界面的精细方法运用起来较困难，描述的理论尚不完整，尤其从力学的

3、角度研究界面的性质、作用及其对复合材料力学性能的影响和破坏机理等方面的工作正在开展。界面的性质直接影响着复合材料的各项力学性能[2]，尤其是层间剪切、断裂、抗冲击等性能，因此随着复合材料科学和应用的发展，复合材料界面及其力学行为将越来越受到重视。复合材料的强度、刚性及韧性是代表其物理机械性能的重要指标，对复合材料进行界面改性使两相界面具有合适的粘附力，形成一个相互作用匹配且能顺利传递应力的中间模量层，以提高聚合物基复合材料的力学性能一直是高分子材料科学的重要研究领域[3]。2无机刚性粒子增强聚合物基复

4、合材料及其界面无机刚性粒子增强聚合物是近年来研究的热点，它克服了以往用弹性体、热塑性树脂增韧聚合物时在韧性提高的同时刚性下降的缺点。常用的无机刚性粒子[4]有CaCO3、SiC、BaSO4、滑石、硅石灰、蒙脱土以及煤灰等。欧玉春[5]等提出刚性粒子增强增韧聚合物的界面结构模型，即在均匀分散的刚性粒子周围嵌入具有良好界面结合和一定厚度的柔性界面相，以便在材料经受破坏时能引发银纹，终止裂缝的扩展。在一定形态结构下它还可引发基体剪切屈服，从而消耗大量冲击能，又能较好地传递所承受的外应力，达到既增强又增韧的目

5、的。在PP/CaCO3复合体系中用酯酸类偶联剂在刚性粒子表面引入柔性或弹性界面层，降低了添加刚性粒子所引起的材料韧性下降的程度；同时由于界面层的引入，使三相复合体系在较低的橡胶含量下具有较高的模量和冲击强度。欧玉春[6]等报道了PP/三元乙丙橡胶(EPDM)/滑石粉三相复合体系，在无机填料表面形成的弹性界面相可使三相复合材料同时具有高韧性和高模量的特点。金士九[7]等用乳液聚合的方法将具有不同交联程度和带环氧官能团的刚性粒子作为环氧树脂的增韧改性剂掺到环氧树脂中，研究其界面层结构对增韧的影响，发现刚性

6、粒子与聚合物树脂基体之间发生不同程度的分子互穿，刚性粒子表面带环氧官能团后，与基体材料形成化学键合的界面层结构，从而改善材料的力学性能。刚性粒子的加入对聚合物基体的结晶行为产生影响，使晶粒尺寸变小，完善程度降低，甚至在界面附近形成择优取向的滑移阻力较小的结晶层，从而促进基体发生屈服变形，利于材料韧性的提高。欧玉春等[8]研究PP/高岭土（Kaolin）/短波纤维（GF）复合体系及其界面结晶性。通过DSC非等温结晶数据分析指出，加入Kaolin粒子和GF后发生异相成核作用，促使PP球晶尺寸变小，使材料韧

7、性提高。张云灿[9]等研究了HDPE/CaCO3填充体系界面应力的诱导结晶效应，研究了材料缺口冲击强度、产生脆韧转变现象与其基体中晶态结构间的变化关系。HDPE/CaCO3颗粒间界面应力的应变诱导结晶作用引起了材料基体晶态结构、织态结构的显著变化，而对其材料缺口冲击强度和基体结晶度带来了重要影响。在此较为强烈的诱导作用条件下，各CaCO3颗粒周围的伸展链晶体层将相互联系，并贯穿于基体之中，在整个复合材料基体中形成了一相互联系的、较为致密的伸展链晶体的网络结构。CaCO3含量大于20%以后和CaCO3颗

8、粒直径较小时，材料缺口冲击强度和基体结晶度显著增大，材料由脆性至韧性断裂转变。陈建康[10]等还用微观力学和统计方法研究了含损伤过程的刚性粒子填充高聚物的非线性本构关系，发现材料的变形过程中，刚性粒子与聚合物基体间界面的开裂引发微孔洞的成核与长大，虽然弱化了材料的宏观力学性能，但是带来了宏观本构的非线性效应，为材料的增韧奠定了基础。他分析了刚性粒子对材料的强化作用和微孔洞演化对材料的弱化作用，以及这两种竞争机制的耦合效应对宏观本构关系的影响，从理论上给出