纳米复合材料界面粘结理论模型（要点）

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考虑到纳米复合材料巨大的界面面积对材料优异综合性能提供了机遇的同时，也对纳米粒子的分散提出了挑战，建立了界面粘结理论模型。推导出了0-3、1-3、2-3型纳米复合材料界面粘结能与分散相表面张力、连续相表面张力、它们之间的接触角以及分散相形状、分散相尺寸、分散相体积分数等因素的定量关系，并将其推广到纳米粒子分散所需克服的能垒。从理论上定量描述了界面粘结能量密度以及分散所需克服的能垒，随分散相粒子尺寸减小、分散相体积分数增大，而增大的一般趋势；进一步揭示出随接触角减小，界面粘结强度增大、分散所需克服的能垒却减小。在其它因素相同情况下，球形粒子的界面粘结强度最大、同时分散所需克服的能垒也最高；薄圆盘形粒子界面粘结强度以及分散所需克服的能垒都最小；而细棒形粒子居中。这些理论关系对设计、控制和调节纳米复合材料结构以优化其性能提供了有益的线索。

关键词：纳米复合材料， 界面粘结， 理论模型

Abstract: Considering that the tremendous interface area of nanocomposites indicate not only the potential for high performance of material but the challenge for uniform distribution of dispersion particles, the theoretic model of interface adhesion was proposed. Based on the model, we have deduced theoretic formulae in which the interface adhesion strength relates to interfacial tension of continuous medium, contact angle of dispersion particle, and shape of dispersion particles including sphere, fibre and disc type. The theoretic formulae can not only fully describe the general trend of the interface adhesion strength, but disclose the particle shape dependence. Therefore, it would provide instructive clues to design, control and tailor the interfacial structure to optimize the performance of nanocomposites.

Keywords: Nanocomposite, Interface Adhesion, Theoretic Model

复合材料是将两种或两种以上性质不同的材料，通过某种工艺方法组合而成的多相材料，它的各个组份性能起协同作用，得到单一材料所不具有的、优越的综合性能，成为一类新型高性能材料。复合材料通常是分散相均匀分布在连续相基体中，两相之间存在相界面。复合材料优异的综合性能是否能充分地发挥出来主要取决于分散相尺度和界面粘结强度这两个耦合因素。整个复合材料发展的历史都是围绕着对这两个因素的深入理解，提出新概念、发展新方法、阐明新结构、建立新模型、发现新规律，从而在更加精细的层次上设计、控制和调节分散相结构及界面相结构来最大限度地优化复合材料的性能 。
纳米复合材料是指分散相尺寸至少有一维在1-100nm之间 。由于分散相尺寸减小，纳米复合材料比一般复合材料界面面积显著增大，界面粘结强度的作用更为突出，是纳米复合材料优越综合性能实现的决定因素，同时也是能否成功制备纳米复合材料的关键。根据分散相的形状可以将纳米复合材料分成几种类型：分散相三维尺寸都达到纳米尺度，分散相可以看成是0维的点（纳米球）分散在三维连续相基体中的0-3型纳米复合材料，如纳米颗粒、纳米粉末填充复合材料；分散相二维尺寸达到纳米尺度，分散相可以看成是1维的线（纳米棒）分散在三维连续相基体中的1-3型纳米复合材料，如纳米纤维、纳米晶须复合材料；分散相只有一维尺寸达到纳米尺度，分散相可以看成是2维的面（纳米片）分散在三维连续相基体中的2-3型纳米复合材料，如纳米蒙脱土插层复合材料。
界面粘结能与分散相的表面张力、连续相的表面张力、它们之间的接触角以及分散相形状、分散相尺寸、分散相体积分数等因素有关，本文旨在提出一种理论模型，在分散相体积分数相同前提下，对等尺寸分散相的0-3、1-3、2-3型纳米复合材料推导出界面粘结能与其影响因素的定量函数关系。

一、 球形分散相0-3型纳米复合材料界面粘结能密度

二、 棒形分散相1-3型纳米复合材料界面粘结能密度

三、 片形分散相2-3型纳米复合材料界面粘结能密度

四、 界面粘结能密度与纳米分散相形状的关系

从图2可以看出，表观界面粘结强度在接触角为0（界面完全相容）时达到最大值，随接触角增大而迅速减小，当接触角接近π（界面完全不相容）时趋于0。当长径比（径厚比）等于1时，纳米棒形粒子与纳米圆盘形粒子完全相同，并趋近于纳米球形粒子。纳米圆盘形粒子在接触角0-π范围内在三者中表观界面粘结强度最小。在界面基本相容区间（接触角0-π/2范围），球形粒子表观界面粘结强度大于棒形粒子，而在界面基本不相容区间（接触角π/2-π范围），棒形粒子表观界面粘结强度略微大于球形粒子。