了解【环氧板】材料的界面

碳原子间可以通过键合，形成链状、支链状和环状等结构,这是碳原子的一大特性之一。与其他同类原子间的键合强度相比，碳一碳之间的键合强度很高(C-C单键的键能为348kJ/mol),这意味着碳材料在结构承载方面存在着天然优势。

碳存在着金刚石、石墨、富勒烯等几类同素异构体。金刚石中的每个碳原子与周围四个碳原子通过sp'杂化形成强烈的共价键结合,具有立方或六方的晶体结构。金刚石具有良好的耐化学腐蚀性，是已知的硬度最高的物质,在切割刀具中被广泛应用;从远红外区到深紫外区的范围内具有极高的透明度，电绝缘性良好;室温下具有已知物质中最高的热导率;同时,还是种性能优越的宽禁带半导体。石墨是常温常压下热力学状态最为稳定的碳同素异构体，其结构和性能将在5.2.2小节介绍。富勒烯是碳原子间以六元环和五元环的形式连接形成的空心球形分子。依据分子中碳原子的数目,富勒烯有Co,Cro,C100等类型。富勒烯分子的平均 直径为1.1 nm,是一-类0维材料。无缺陷的富勒烯是绝缘的，但掺杂其他元素可以成为半导体或导体。目前，富勒烯主要通过电弧放电技术制备。

近年来，碳纳米线、纳米管、石墨烯等低维碳材料因其优异的结构和功能、性能引发了研究热潮,也为人们更深人地认识纳米效应、材料的结构-性能关系等基础问题提供了一个视角。当某个碳原子与其他原子成键结合时，碳原子中的电子可以处于不同种类的杂化轨道中， 如sp3 ,sp?或sp等。碳原子电子轨道的多种杂化方式赋予了碳原子间及碳原子与其他原子间众多的键合方式,形成了种类繁多的有机分子和无机碳材料。图5-1所示为碳原子电子的多种成键方式所形成的不同有机分子，以及这些有机分子的结构经拓展而形成的无机碳材料家族。

依据键合方式的不同,无机碳材料可以分为金刚石、石墨、富勒烯和卡拜四类碳家族,给出了这四类碳材料的晶体结构特征。

在金刚石晶体中，碳原子的电子均处于sp3杂化轨道,每个原子与相邻的四个原子形成1四面体,四面体相互连接成为长程有序的3维结构。由于金刚石晶体中碳原子间的键合均极强的纯共价键,因而具有极高的硬度(是自然界中硬度最高的物质)和良好的绝缘性。研 发现,金刚石具有立方晶型和六方晶型两种同素异构体考虑两个碳原子四面

将在没有外力作用下,物理、化学性质完全相同、成分相同的均匀物质的聚集态称为相。不同相之间会有明确的物理界面。该物理界面不是几何意义上的面，而是具有一定厚度的区域。由于界面原子能量不同于界面两侧原子能量，因而该区域具有不同于相邻两相的特殊性。一般将固相或液相与气相的界面称为表面。环氧板材料的界面是指基体与增强体之间化学

成分有显著变化、构成彼此结合、能起载荷传递作用的微小区域。界面相则是环氧板材料中组元材料之间具有一定尺度 、在结构和原组元材料上有明显差别的新相。

环氧板材料界面在物理结构上呈层状或带状，厚度一般是不均匀的，其厚度约在数纳米至数微米之间。虽然界面较小,但其仍有自己独特的结构和性质，且不同于基体和增强体中的任何-一相。环氧板材料界面在化学成分上也较为复杂，可以是基体和增强体相互扩散的产物，也可以是基体和增强相的化学反应物，还可以是单独制备的一层物质,其化学组成也会完全不同于基体和反应物。此外，界面还可能含有增强体涂层元素和环境带来的杂质元素等。环氧板材料界面是环氧板材料中极为重要的结构,其结构和性能直接影响环氧板材料的性能。因此，深入研究界面性质，进而对其进行控制，是获得高性能环氧板材料的关键。

了解环氧板材料的界面结合机理，是研究界面性质的基础。不同类型的环氧板材料,其界面结合机理有所不同，进而造成界面性能存在较大区别。但不论哪种界面结合，都可根据界面是否发生化学反应而分为物理结合和化学结合。下面对这二者分别予以介绍。

界面浸润理论。在此，首先介绍润湿现象。润湿是液体与固体接触时所产生的一种表面现象，主要研究的是液体对固体表面的亲和情况。如果一滴液滴在固体表面上,则可形成如图7-3所示情况。其中θ是液体表面张力(将在第9章做进一步介绍，由于液 气界面张力与之差别较小，故可代用)σg -1 和液固张力01-s间的夹角，称为接触角。σg-s 为固气张力。通常将θ作为润湿与否的依据。当θ=0° 时，称为完全润湿;当θ< 90° 时，称为润湿;当θ> 90° 时，称为不润湿;当θ=180°时,则称为完全不润湿，液体在固体表面呈球状。根据润湿现象,Zsiman于1963年提出界面浸润理论。其主要论点是增强体被液体聚合物良好浸润是极其重要的，浸润不良会在界面上产生空隙，易使应力集中而导致环氧板材料开裂。如果完全浸润，则基体与增强体间的黏结强度将大于基体的内聚强度,增强体可以起到良好的增强效果。润湿理论认为聚合物与增强体的结合属于机械黏结和润湿吸附。前者是一种机械镶嵌现象，在基体和增强体间充分润湿的基础上，通过机械镶嵌黏结;后者则是主要通过范德华力的作用实现黏结。

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