【环氧板】材料的塑性

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sp',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。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。

颗粒是指三个维度上的尺度均较小,且长径比接近于1的材料。在环氧板材料中，颗粒作为分散相,常用于改善一-些对结构不敏感的性能，如模量、密度、热导率和硬度等。而对于结构敏感的性能，如强度和韧性，颗粒的改善效果不大。

对于聚合物材料，颗粒的加人可以提高其硬度和热稳定性。金属材料中,颗粒主要起提高硬度、屈服强度和耐磨性的作用。也可通过以下两种效应提高材料的强度:首先，当颗粒的长径比大于1时，可以起到一定的承载的作用;其次，金属材料中使用的颗粒一般具有比基体更低的热导率，材料从较高的制备温度下冷却时,由于热失配引发的热应力会造成颗粒周围的基体中出现位错,起到强化材料的作用。某些情况下，颗粒的加人可以改善陶瓷材料的韧性,例如氧化锆增韧氧化铝复相陶瓷。表6-1给出了环氧板材料中常用的颗粒材料。

颗粒材料的纯度对不同类型基体的环氧板材料的性能影响是不同的。聚合物基体对于颗粒材料的纯度要求不高，因而多采用天然矿物破碎后得到的颗粒。而在金属基环氧板材料中，颗粒的纯度则尤为重要。在较高的制备温度下，颗粒中的杂质会扩散到合金成分中,改变基体材料性能，并且对界面结合也会产生影响。金属基环氧板材料在使用铸造成型时，常选用氧化物颗粒,因为其一般与金属间的反应活性较低。非氧化颗粒(如SiC)增强金属基环氧板材料在采用铸造工艺时,往往需要对颗粒进行表面处理。

颗粒尺寸对于环氧板材料的性能同样存在显著影响。一般来说，细小的颗粒对于环氧板材料的屈服强度、断裂强度、模量、疲劳强度等具有更好的改善效果。颗粒过于粗大时，环氧板材料的塑性和加工性能将严重下降。然而，颗粒过于细小,尤其是达到纳米级时易于团聚。需要特别关注颗粒的分散性。

非层状界面层一般是氧化物/氧化物环氧板材料界面层。 这类界面又可分为两类:第一类 是为阻止纤维和基体直接接触发生热化学反应的界面涂层，主要有氧化钛、氧化锡、氧化锆、钛酸锆钛酸锡锆等,这类界面的主要问题是脱黏强度较高、界面易分解等;第二类是高表面能的氧化物与增强相或基体存在的弱界面层，这种高表面能氧化物主要是稀土磷酸盐和难溶金属盐，这种界面层存在的主要问题是如何获得化学计量比的界面层，非化学计量比的稀土磷酸盐或难熔金属盐会严重降低环氧板材料强度。

上述界面层都是连续界面层，而在部分氧化物/氧化物环氧板材料，还存在不连续的界面层。如向基体中掺杂活性组元，活性组元会在界面处富集,若富集的组元可降低环氧板材料界面强度，则可提高环氧板材料韧性。这种界面为非连续的界面层。此外，在多孔氧化物陶瓷中，也存在非连续的界面层。非连续的界面层应用较少,不如连续界面层的研究广泛。

关键。环氧板材料通常由增强体、界面/界面层和基体组成，其中增强体和界面层是材料强韧化的相比于块体材料,晶须、纤维，颗粒等材料中,缺陷尺寸受限，因而材料的力学性能优异，作为增强体可提高材料的力学性能。高性能的增强体一般制备技术复杂。制备工艺仍然是材料研究的重点和难点。此外,某些新型材料，如碳纳米管、碳纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维等，还具有电感热、光电等功能,是实现材料结构功能一体化的重要途径。

为了传递应 力，实现裂纹偏转、纤维拔出、纤维桥接等增制机制，合理的界面结合强度是必应。界面层材料多选用层间剥离力较低的层状状材料或较弱的多孔材料，应与环氧板材料中的其他组元具有良好的相容性。

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