碳原子間可以通過鍵合，形成鏈狀、支鏈狀和環(huán)狀等結(jié)構(gòu),這是碳原子的一大特性之一。與其他同類原子間的鍵合強(qiáng)度相比，碳一碳之間的鍵合強(qiáng)度很高(C-C單鍵的鍵能為348kJ/mol),這意味著碳材料在結(jié)構(gòu)承載方面存在著天然優(yōu)勢(shì)。

碳存在著金剛石、石墨、富勒烯等幾類同素異構(gòu)體。金剛石中的每個(gè)碳原子與周圍四個(gè)碳原子通過sp'雜化形成強(qiáng)烈的共價(jià)鍵結(jié)合,具有立方或六方的晶體結(jié)構(gòu)。金剛石具有良好的耐化學(xué)腐蝕性，是已知的硬度最高的物質(zhì),在切割刀具中被廣泛應(yīng)用;從遠(yuǎn)紅外區(qū)到深紫外區(qū)的范圍內(nèi)具有極高的透明度，電絕緣性良好;室溫下具有已知物質(zhì)中最高的熱導(dǎo)率;同時(shí),還是種性能優(yōu)越的寬禁帶半導(dǎo)體。石墨是常溫常壓下熱力學(xué)狀態(tài)最為穩(wěn)定的碳同素異構(gòu)體，其結(jié)構(gòu)和性能將在5.2.2小節(jié)介紹。富勒烯是碳原子間以六元環(huán)和五元環(huán)的形式連接形成的空心球形分子。依據(jù)分子中碳原子的數(shù)目,富勒烯有Co,Cro,C100等類型。富勒烯分子的平均 直徑為1.1 nm,是一-類0維材料。無缺陷的富勒烯是絕緣的，但摻雜其他元素可以成為半導(dǎo)體或?qū)w。目前，富勒烯主要通過電弧放電技術(shù)制備。

近年來，碳納米線、納米管、石墨烯等低維碳材料因其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和功能、性能引發(fā)了研究熱潮,也為人們更深人地認(rèn)識(shí)納米效應(yīng)、材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系等基礎(chǔ)問題提供了一個(gè)視角。當(dāng)某個(gè)碳原子與其他原子成鍵結(jié)合時(shí)，碳原子中的電子可以處于不同種類的雜化軌道中， 如sp3 ,sp?或sp等。碳原子電子軌道的多種雜化方式賦予了碳原子間及碳原子與其他原子間眾多的鍵合方式,形成了種類繁多的有機(jī)分子和無機(jī)碳材料。圖5-1所示為碳原子電子的多種成鍵方式所形成的不同有機(jī)分子，以及這些有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)經(jīng)拓展而形成的無機(jī)碳材料家族。

依據(jù)鍵合方式的不同,無機(jī)碳材料可以分為金剛石、石墨、富勒烯和卡拜四類碳家族,給出了這四類碳材料的晶體結(jié)構(gòu)特征。

在金剛石晶體中，碳原子的電子均處于sp3雜化軌道,每個(gè)原子與相鄰的四個(gè)原子形成1四面體,四面體相互連接成為長(zhǎng)程有序的3維結(jié)構(gòu)。由于金剛石晶體中碳原子間的鍵合均極強(qiáng)的純共價(jià)鍵,因而具有極高的硬度(是自然界中硬度最高的物質(zhì))和良好的絕緣性。研 發(fā)現(xiàn),金剛石具有立方晶型和六方晶型兩種同素異構(gòu)體考慮兩個(gè)碳原子四面

將在沒有外力作用下,物理、化學(xué)性質(zhì)完全相同、成分相同的均勻物質(zhì)的聚集態(tài)稱為相。不同相之間會(huì)有明確的物理界面。該物理界面不是幾何意義上的面，而是具有一定厚度的區(qū)域。由于界面原子能量不同于界面兩側(cè)原子能量，因而該區(qū)域具有不同于相鄰兩相的特殊性。一般將固相或液相與氣相的界面稱為表面。環(huán)氧板材料的界面是指基體與增強(qiáng)體之間化學(xué)

成分有顯著變化、構(gòu)成彼此結(jié)合、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。界面相則是環(huán)氧板材料中組元材料之間具有一定尺度 、在結(jié)構(gòu)和原組元材料上有明顯差別的新相。

環(huán)氧板材料界面在物理結(jié)構(gòu)上呈層狀或帶狀，厚度一般是不均勻的，其厚度約在數(shù)納米至數(shù)微米之間。雖然界面較小,但其仍有自己獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，且不同于基體和增強(qiáng)體中的任何-一相。環(huán)氧板材料界面在化學(xué)成分上也較為復(fù)雜，可以是基體和增強(qiáng)體相互擴(kuò)散的產(chǎn)物，也可以是基體和增強(qiáng)相的化學(xué)反應(yīng)物，還可以是單獨(dú)制備的一層物質(zhì),其化學(xué)組成也會(huì)完全不同于基體和反應(yīng)物。此外，界面還可能含有增強(qiáng)體涂層元素和環(huán)境帶來的雜質(zhì)元素等。環(huán)氧板材料界面是環(huán)氧板材料中極為重要的結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)和性能直接影響環(huán)氧板材料的性能。因此，深入研究界面性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行控制，是獲得高性能環(huán)氧板材料的關(guān)鍵。

了解環(huán)氧板材料的界面結(jié)合機(jī)理，是研究界面性質(zhì)的基礎(chǔ)。不同類型的環(huán)氧板材料,其界面結(jié)合機(jī)理有所不同，進(jìn)而造成界面性能存在較大區(qū)別。但不論哪種界面結(jié)合，都可根據(jù)界面是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而分為物理結(jié)合和化學(xué)結(jié)合。下面對(duì)這二者分別予以介紹。

界面浸潤(rùn)理論。在此，首先介紹潤(rùn)濕現(xiàn)象。潤(rùn)濕是液體與固體接觸時(shí)所產(chǎn)生的一種表面現(xiàn)象，主要研究的是液體對(duì)固體表面的親和情況。如果一滴液滴在固體表面上,則可形成如圖7-3所示情況。其中θ是液體表面張力(將在第9章做進(jìn)一步介紹，由于液 氣界面張力與之差別較小，故可代用)σg -1 和液固張力01-s間的夾角，稱為接觸角。σg-s 為固氣張力。通常將θ作為潤(rùn)濕與否的依據(jù)。當(dāng)θ=0° 時(shí)，稱為完全潤(rùn)濕;當(dāng)θ< 90° 時(shí)，稱為潤(rùn)濕;當(dāng)θ> 90° 時(shí)，稱為不潤(rùn)濕;當(dāng)θ=180°時(shí),則稱為完全不潤(rùn)濕，液體在固體表面呈球狀。根據(jù)潤(rùn)濕現(xiàn)象,Zsiman于1963年提出界面浸潤(rùn)理論。其主要論點(diǎn)是增強(qiáng)體被液體聚合物良好浸潤(rùn)是極其重要的，浸潤(rùn)不良會(huì)在界面上產(chǎn)生空隙，易使應(yīng)力集中而導(dǎo)致環(huán)氧板材料開裂。如果完全浸潤(rùn)，則基體與增強(qiáng)體間的黏結(jié)強(qiáng)度將大于基體的內(nèi)聚強(qiáng)度,增強(qiáng)體可以起到良好的增強(qiáng)效果。潤(rùn)濕理論認(rèn)為聚合物與增強(qiáng)體的結(jié)合屬于機(jī)械黏結(jié)和潤(rùn)濕吸附。前者是一種機(jī)械鑲嵌現(xiàn)象，在基體和增強(qiáng)體間充分潤(rùn)濕的基礎(chǔ)上，通過機(jī)械鑲嵌黏結(jié);后者則是主要通過范德華力的作用實(shí)現(xiàn)黏結(jié)。

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