轻质复合材料 南京工业大学 材料科研导论论文 .pdfVIP

中空玻璃微球增强轻质复合材料的研究进展

金奇杰

(南京工业大学材料科学与工程学院，南京210009)

摘要：中空玻璃微球以其优异的增强效果、轻质高强的特点及其它优良的物理化学性能受到了国内外学术界的广泛关注。详细综述了中

空玻璃微球表面改性等方面的研究进展，并介绍了中空玻璃微球的增强机理和对中空玻璃微球的初步设想，以及展望了中空玻璃微球的发

展趋势和前景。

关键词：中空玻璃微球；表面改性；轻质复合材料；增强

中图分类号：TQ323文献标志码：A

1.引言

复合材料已广泛应用于航空、建筑、汽车等领域。复合材料密度普遍比较高，树脂基复合材料

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密度虽然比较低，一般也超过1.5g/cm。现有复合材料内部多为实心结构，其在隔热、隔音、减震

等方面的效果并不理想。为了降低复合材料的密度，改善其某些性能，使其轻质高强的特点达到最

大化，中空玻璃微球增强复合材料受到人们越来越多的关注。

中空玻璃微球以其轻质、高强、隔热、耐腐蚀等多种优良特性不仅成为了轻质复合材料的关键

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填料，而且也可以作为特殊功能材料，在航空航天、深海探测、核聚变、贮氢、药物诊断

等方面有着大量的应用。通过调节中空玻璃微球的结构、尺寸等基本特性，可以实现其增强复合材

料对光、热、电和磁等性质的大范围裁剪，再加上相对较低的密度和较高的比表面积，中空玻璃微

球增强复合材料的应用前景将非常乐观。

2.增强机理

关于中空玻璃微球的增强机理，大多数学者的研究表明：（1）对于力学性能来说，中空玻璃微

球的比表面积相对较大，从而与复合材料基体的接触面积也增大，可以形成更多的物理和化学交联

点。当复合材料受到冲击破坏时，诱发的微裂纹容易遇到玻璃微珠而终止，即中空玻璃微球会吸收、

消化冲击强度，从而达到提高其力学性能的目的；（2）对于热学性能来说，随着中空玻璃微珠的加

入，交联密度增大，使得玻璃化温度升高，提高体系的耐热性，增大复合材料的应用温度范围。另

外，由于玻璃微球是中空结构，内部只含有非常少量的气体，其导热系数就很小，也就是说玻璃微

球的热导率与其增强的复合材料的热导率有比较大的差值，这也是中空玻璃微球增强复合材料具有

隔热效果的原因之一。

3.表面改性

中空玻璃微球属于无机非金属材料，其极性与复合材料基体一般相差较大，两者的相容性差，

如果直接在复合材料基体中填充中空玻璃微球或者填充量过大，容易导致复合材料的性能下降，因

此，中空玻璃微球在填充前一般会进行表面改性处理，这对于改善复合材料的性能非常关键。

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3.1偶联剂表面改性

偶联剂表面处理是中空玻璃微球目前最主要的方法。

未用偶联剂表面改性的中空玻璃微球与复合材料基体相容性差，两者之间容易形成比较清晰的

界面，而偶联剂（以硅烷偶联剂为例）上的烷氧基能与溶剂中的水反应，水解生成硅醇，然后这些

硅醇和微珠表面的羟基反应，生成烷氧结构并脱水，形成硅氧键结合，从而使中空玻璃微球与复合

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材料基体之间形成稳定的包覆层，结合更加紧密。白战争等制备了空心玻璃微珠/环氧复合材料，

并通过力学性能、固化收缩率等测试研究了空心玻璃微珠中硅烷偶联剂处理对树脂以及固化性能的

影响。结果表明，硅烷偶联剂改善了空心玻璃微珠与树脂的相容性，复合材料的拉伸性能也得到了

相应的提高。

该方法简单、方便，可提高微球与复合材料基体之间的相容性，但由于难以形成良好的界面层，

应力传递不太理想，所以复合材料性能改善幅度有限。

3.2表面接枝

表面接枝就是利用化学或其它手段引发高分子链接到中空玻璃微球表面的方法。它通常是在微