複合材料的界面是獨立於摻雜相和基體之外的區域，它與基體和分散相有不同的理化性質。界面作為一個影響複合材料宏觀性能的重要因素而引起學者們的廣泛關注。當複合材料中分散相為微米級時，複合材料宏觀性能主要取決於兩相成分的變化。相對於微米尺度的分散相而言，納米分散相表面原子所佔百分數劇增，導致表面張力變大，懸掛鍵和缺陷密度急劇變大，表面原子不穩定且具有高活性，納米分散相獨特的表面效應使納米材料與基體間的界面結合程度較強。
納米材料表面積大，同等體積分數的納米分散相中納米顆粒的數量是微米粒子數量的10億倍，因此納米複合材料中的界面區域遠遠大於微米複合材料中的界面區域。界面性質是納米複合材料性能變化的關鍵。界面區域的大小和界面結合強度已經成為納米複合材料研究的重點。
為此，國內外眾多學者採用一維或二維納米材料對複合材料進行改性，並建立了相應的模型來解釋界面作用機理對納米複合材料宏觀性能的影響，如“介電雙層”結構、多核模型、體積模型、界面勢壘模型。
工程電介質及其應用教育部重點實驗室（哈爾濱理工大學）、哈爾濱理工大學材料科學與工程學院的研究人員吳子劍、王晨等，在2018年第16期《電工技術學報》上撰文，以環氧樹脂（Epoxy Resin, EP）為基體材料，選用一維碳納米管（MWCNTs）作為環氧樹脂改性劑。用混酸、硅烷偶聯劑（KH560）、環氧樹脂對MWCNTs進行表面改性，試圖在碳納米管表面接枝上羧基（-COOH）、羥基（-OH）、環氧基等有機官能團，從而使MWCNTs與基體間形成不同的相互作用界面。
MWCNTs作為高導電增強材料，在其高含量的情況下會形成局部導電網絡。為提高碳管摻雜的滲流閾值，本課題組前期通過降低MWCNTs的長徑比和在基體中摻雜有機化蒙脫土（Organic Montmorillonite, O-MMT）來抑制MWCNTs在基體中形成局部導電網絡，實驗結果表明O-MMT與MWCNTs可以形成類似於貝殼的結構，這種特有的納米尺度的平面互鎖結構能在一定程度上阻止基體中局部導電網絡的形成。
因此本文實驗採用MWCNTs和O-MMT共同改性環氧樹脂，並借鑑界面結構模型來分析環氧樹脂納米複合材料界面區域對其電性能的影響。
圖1 高低摻雜量下的界面模型
圖8 納米複合材料斷面掃面圖
作者最後得出以下結論：
1）在酸酐固化環氧樹脂體系中，攜帶與環氧基體官能團相同的官能團的MWCNTs能與基體間形成以化學鍵方式連接的界面，其界面結合程度較好。其界面結合強度大於以物理力結合的C-MWCNTs與基體間界面結合強度。
2）環氧樹脂納米複合材料中界面結合強度和界面區域的增加，使鍵合區域對偶極極化限制作用增強，導致環氧樹脂納米複合材料的介電常數和介質損耗降低；同時會使過渡區域內缺陷密度增加，減少因電場不均勻而產生的電樹枝，環氧樹脂納米複合材料擊穿場強得到提高。C-MWCNTs/EP、E-MWCNTs/ EP和Si-MWCNTs/EP納米複合材料的介電常數均在MWCNTs質量分數為0.3%時出現了最小值，分別為3.19、3.09和3.07。
3）片層納米材料的加入使MWCNTs與基體間界面厚度變大，能減緩MWCNTs的團聚現象，提高滲流閾值，使環氧樹脂納米複合材料的絕緣性能得到提高。
閱讀更多 電氣技術 的文章
