关键字Key words：
热塑性复合材料；层间结合；表面处理
热塑性复合材料因其优异的加工性、轻质性和良好的机械性能，广泛应用于航空航天、汽车制造和3D打印等领域。然而，这些材料的性能往往受到纤维与基体界面结合力较弱的制约，导致在实际使用中发生提前失效。为了提升热塑性复合材料的整体性能，科学家们不断探索各种有效的界面增强方法，力图改善纤维-基体界面的结合力，进而提高载荷传递效率和延长材料的使用寿命。
界面问题的根源：纤维–基体结合力弱
热塑性复合材料的结构通常由纤维和基体两部分组成。在实际应用中，纤维与基体之间的界面结合力往往较弱，特别是在热塑性基体中，界面结合力较低会直接影响复合材料的力学性能。这种较弱的结合力会导致载荷传递效率低下，进而加速材料的失效。因此，如何强化纤维-基体界面，提升其结合强度和耐久性，是提高热塑性复合材料性能的关键。
界面增强方法：纳米粒子和纤维表面处理
为了提高纤维与基体之间的界面结合力，研究人员已经提出并应用了多种增强方法，其中最为常见的是通过添加纳米粒子和纤维表面处理来改善界面性能。
纳米粒子的应用
纳米粒子由于其高比表面积和独特的物理化学性质，在改善纤维-基体界面方面表现出了显著优势。研究表明，可以通过电泳沉积、化学气相沉积（CVD）和喷涂等技术，将纳米粒子沉积到纤维表面，显著改善纤维的表面粗糙度和润湿性。纳米粒子的引入不仅能增大界面接触面积，还能改善纤维表面与基体的亲和力，从而提升界面结合力。这种方法常常被用于强化聚合物基体中的纤维增强复合材料。
图1：纳米填料包合方法与纤维表面处理方法对比
纤维表面处理技术
除了纳米粒子的添加，纤维表面处理也是提高界面结合力的重要手段。常见的表面处理方法包括湿化学法和干法机械法。例如，等离子体刻蚀、化学接枝和热处理等技术，都能够有效地增强纤维表面与基体的粘结性。等离子体刻蚀通过改变纤维表面的化学组成和形态结构，增大了纤维的表面粗糙度，有助于改善纤维的润湿性和粘接性。而化学接枝则通过在纤维表面引入功能性基团，进一步增强了纤维与基体的化学相容性。热处理则通过调节纤维表面的温度，改变其物理化学性质，进而提升界面的力学性能。
图2：纤维表面处理技术
协同效应：结合纳米粒子与纤维表面处理
近年来，研究者还发现，纳米粒子与纤维表面处理技术的结合能产生协同效应，进一步提升界面性能。例如，通过在表面处理后的纤维上加入纳米粒子，不仅可以增加纤维表面的粗糙度，还能改善其表面亲水性和亲油性。这种双重作用下的界面增强效应，有助于显著提升复合材料的机械性能，尤其是在复杂载荷下，能够有效避免材料发生提前失效。
图3：制程方法
界面工程技术在3D打印中的应用
随着3D打印技术的飞速发展，热塑性复合材料在3D打印领域的应用前景愈加广阔。然而，3D打印中，特别是在聚合物长丝制造过程中，纤维-基体界面的性能对最终打印件的质量有着至关重要的影响。采用界面增强技术，不仅可以减少聚合物长丝中的缺陷，还能改善纤维与基体之间的结合力，进而提升3D打印零件的层间结合强度和整体力学性能。
通过采用纳米粒子添加和纤维表面处理等界面工程技术，能够在3D打印过程中减少材料中的空隙，增强层间结合力，最终制造出结构更加稳定、力学性能更强的复合材料零件。这些技术的应用为热塑性复合材料在3D打印中的广泛应用奠定了坚实的基础。
总结
在热塑性复合材料的研究中，纤维与基体的界面结合问题始终是影响其性能的关键因素之一。通过采用纳米粒子添加和纤维表面处理等技术，可以有效地改善纤维-基体界面的结合力，提升材料的载荷传递效率和力学性能。尤其是在3D打印领域，这些界面增强技术的应用，不仅有助于提高打印零件的质量和性能，还有助于推动热塑性复合材料在更广泛领域的应用和发展。因此，未来的研究应继续深化这些界面增强技术的探索，以期在更高性能的复合材料设计与应用中取得突破。
参考文献&素材来源
[1]Periasamy, K., Kandare, E., Das, R., Darouie, M., & A.khatibi, A. (2023, January 12). Interfacial Engineering Methods in Thermoplastic Composites: An Overview. Polymers. https://www.mdpi.com/2073-4360/15/2/415
