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68程塑料应用2004年，第32卷，第1期

玻纤增强热塑性复合材料界面结晶行为研究进展

牛艳华吴智华
(四川大学高分子科学与工程学院，成都610065)

摘要综述了玻纤增强热塑性复合材料界面结晶的形成机理及其研究进展，从结晶动力学的角度深入阐述了
不同晶型(晶和晶)横晶的形成条件和结构特点，全面归纳了横晶形成的各种影响因素及研究者的不同观点，详
细讨论了横晶对玻纤增强热塑性复合材料力学性能的影响，展望了热塑性复合材料界面结晶行为的研究动态。
关键词玻纤热塑性复合材料界面横晶影响因素力学性能

聚合物基复合材料的界面是外加载荷从树脂基体向增晶特性参数及表面能等相似或匹配程度越高，其界面越容易
强材料传递的纽带。界面的微观结构和形貌，以及界面粘结形成横晶。但这些理论并不能解释化学组成相差较大的非
强度的大小对复合材料的力学性能及破坏行为有着重大的极性的PP和许多极性纤维之间的横晶现象，也不能解释非
影响。晶的玻纤在一定条件下可以诱发横晶的事实，因此不具有普
对于半结晶性聚合物基复合材料，人们研究较多的是其遍性。
结晶行为，其中界面横晶现象已成为近年来研究的热点。界后来D．Cambell等提出了杂质成核的观点，认为在熔
面横晶是树脂基体在纤维表面沉积重排，沿纤维方向取向并融状态下，基体中的异相核如残余催化剂、灰尘等由于极性
呈柱状生长的一种异相成核现象。横晶的形成是由于纤维引力的作用迁移并吸附在纤维表面而使基体成核。随纤维
表面成核点密度大，可同时诱发生长许多晶簇，晶簇间相互含量的增加，纤维间成核点密度增大，导致纤维附近的晶片
排挤，阻止其向三维空间发展，而只能向垂直于纤维表面方沿纤维方向取向而产生横晶。但这种观点却难以解释玻纤
向生长j，如图1所示。这种现象在碳纤维、芳纶纤维与含量相同时，拉伸与不拉伸的玻纤具有不同的成核能力和横
聚丙烯(PP)、尼龙(PA)等热塑性树脂的界面中比较常晶诱导能力的事实。
见。]。但通常条件下，在玻纤(GF)增强半结晶热塑性复近年来J．L．Thomason等提出的应力诱导成核的观
合材料的界面却不容易观察到横晶现象，这与其表面特性和点认为横晶是应力诱导成核的结果。冷却过程中，由于纤维
结晶条件有关。横晶的形成对复合材料的力学性能和破坏与基体间线胀系数和导热系数的差异而产生的收缩应力和
方式影响极大，有研究表明横晶能大幅度提高材料的力学性温度梯度应力，以及在界面处所受外应力是诱导成核的主要
能]，也有研究认为横晶对材料力学性能的改善不利。因素。然而C．M．Wu等认为界面剪切应力只会产生类
因此，分析总结有关研究进展，对于了解和研究横晶的作用似于横晶的简晶，二者的差异在于横晶是基于特定基质表面
非常重要。的异相成核过程，而筒晶则是自成核过程。
纤维横品基体球晶以上各种观点虽然都能够解释一些实验现象，但也存在
大量反证，因此都不能认为是横晶产生的根本原因。Y．Q．
Cai等”综合分析了横晶形成的各种影响因素之间的相互
关系，对横晶形成机理作了较完善的叙述。他们认为基体的
化学组成和分子量、纤维的化学组成和表面形貌决定基体的
粘度及基体与纤维之间的界面粘结性，良好的界面粘结是横
图1横晶结构示意图
晶形成的基础。较大的拉伸速率和冷却速率，以及基体和纤
笔者着重阐述玻纤增强半结晶热塑性复合材料界面横
维间线胀系数和导热系数的差异等因素所产生的界面应力
晶的形成机理、结晶动力学、影响因素及其对复合材料力学
和温度梯度是诱导成核的重要条件，而较大的成核点密度和
性能的影响。
由此产生的空间位阻导致晶片取向生长，并最终形成横晶。
1横晶形成机理
2结晶动力学
关于增强纤维对基体树脂结晶性能的影响，较为普遍的玻纤增强半结晶热塑性复合材料的最终性能很大程度
观点认为是纤维表面异相成核作用的结果，然而到目前为上取决于聚合物基体的结晶结构，而结晶动力学即结晶速率
止，对横晶异相成核机理的解释仍然众说不一。比较经典的对温度和时间的依赖关系又会直接影响结晶结构。横晶形
理论有：基质(复合材料中的异相物质，如纤维等)与基体问成的结晶动力学与基体本身的结晶动力学不同，因此寻找动
化学组成相似原理，晶型或晶胞参数相近原理，基质表面能

控制原理等。以上理论认为基体和基质的化学组成、结收稿日期：2003．09．18

牛艳华，等：玻纤增强热塑性复合材料界面结晶行为研究进展69

力学条件与界面微结构的关系，合理预测横晶产生的适宜加目前人们对横晶形成的结晶动力学研究还仅限于理想
工条件是研究其结晶动力学的目的。状态的数学模拟，虽然取得了一定的成果，但与真实条件还
M．Arroyo和F．Avalos等’研究了等温结晶条件下存在较大的差距，因此在今后的研究工作中应着重考虑不同
短玻纤对PP及PP／LDPE共混体系结晶动力