对聚合物纳米复合材料机械增强机制的新见解：颗粒-基体界面梯度的影响

《ACS Applied Materials & Interfaces》：A New Insight into the Mechanical Reinforcement of Polymer Nanocomposites: Effect of Gradient Particle–Matrix Interfaces

研究通过原子力显微镜弹性模量分布映射发现聚合物纳米复合材料的粒子-基体界面（PMI）普遍存在弹性模量梯度分布，且纳米级粒子PMI梯度层厚度占比随粒径减小显著增加，理论计算和有限元分析表明高PMI比率通过界面应变松弛和应力集中缓解显著提升材料刚度，提出PMI比率作为新的力学强化评估参数。

　　

颗粒-基体界面（PMI）在聚合物纳米复合材料的宏观力学性能中起着重要作用。然而，这一界面层的形成机制及其对复合材料力学增强的影响目前尚未得到充分理解。在本研究中，我们利用原子力显微镜（AFM）的模量测绘技术，直接检测了颗粒尺寸介于100纳米到10微米之间的典型聚合物复合材料的PMI结构。研究结果表明，在所有测试的复合材料中，PMI内部的弹性模量都存在普遍的梯度分布。更重要的是，随着颗粒尺寸从微米级减小到纳米级，PMI的梯度厚度与颗粒尺寸的比值也随之增加。通过理论计算和有限元建模进一步分析发现，较高的PMI比值能够显著提高复合材料的刚性。我们认为这种增强效应源于PMI内部的应变松弛以及应力浓度的降低。因此，我们提出将PMI比值作为衡量聚合物纳米复合材料力学增强的新参数，这有助于揭示其增强机制，并为复合材料的优化设计提供指导，从而进一步提升其力学性能。