聚合物共混物和复合材料

将聚合物共混或用纤维和填料增强，可以结合不同材料的优点，形成多相体系，其界面和形态决定了最终的刚度、韧性和其他性能的平衡。

Definition

聚合物共混物是两种或多种聚合物的物理混合物，聚合物复合材料是聚合物基体用纤维或颗粒增强的材料；两者都是多相体系，其性能取决于组成、相形态和界面粘合力。

Scope

本主题涵盖聚合物和增强材料的物理组合：可混溶与不可混溶共混物以及可混溶性的稀有性、相形态和增容、通过分散橡胶增韧脆性聚合物，以及纤维和颗粒增强复合材料，包括界面作用和刚度的混合法则估算。

Core questions

• 为什么大多数聚合物对不混溶，会产生什么形态？
• 增容如何改善共混物性能？
• 分散的橡胶如何增韧脆性塑料？
• 增强材料的几何形状和界面如何控制复合材料的刚度和强度？

Key theories

共混物的相行为和增容

由于长链混合获得的熵很小，大多数共混物会发生相分离；分散相的尺寸和粘合力控制性能，嵌段或接枝增容剂可降低界面张力并稳定精细、良好结合的形态。

复合材料中的增强和载荷传递

刚性纤维或颗粒通过基体-增强材料界面传递载荷，因此复合材料的刚度随增强材料含量和取向的增加而增加，而韧性和强度则关键取决于界面粘合力和纤维长度。

Mechanisms

当两种聚合物熔融混合时，小的混合熵通常使它们不混溶，因此一种聚合物以畴的形式分散在另一种聚合物中；畴尺寸和界面粘合力（可通过增容剂调节）决定了共混物是脆性还是韧性。分散的橡胶颗粒通过引发和控制许多小的银纹或剪切带吸收能量，从而增韧玻璃态基体。在复合材料中，施加的载荷通过界面从柔顺的基体传递到刚性纤维或颗粒，因此增强材料的模量、体积分数、长径比和取向，以及界面结合，共同决定了整体的刚度和强度。

Clinical relevance

共混物和复合材料在工程应用中占据主导地位，因为它们实现了单一聚合物无法提供的性能组合：橡胶增韧塑料（如高抗冲聚苯乙烯和ABS）提供抗冲击性，聚合物合金可根据成本和性能进行定制，而纤维增强复合材料则为航空航天、汽车、体育用品和建筑提供了轻质、坚硬、高强度的材料。

History

橡胶增韧塑料在20世纪中叶随着抗冲聚苯乙烯和ABS的出现而兴起，聚合物共混物和互穿网络从1970年代开始系统化，基于玻璃、碳和芳纶纤维的高性能纤维增强复合材料在同期迅速发展，以满足对轻质结构材料的需求。

Key figures

• Leslie Sperling
• Souheng Wu

Seminal works

• sperling2006
• young2011

Frequently asked questions

为什么大多数聚合物共混物不混溶？

混合长链获得的熵非常小，因此即使是很小的负面相互作用也会导致相分离。因此，大多数共混物由一种聚合物以畴的形式分散在另一种聚合物中，而不是形成均匀的溶液。

添加橡胶如何使塑料更坚韧？

分散的橡胶颗粒充当应力集中器，引发许多小的、吸收能量的银纹或剪切带，而不是单一的灾难性裂纹。这分散了变形并显著提高了抗冲击性。