紧密接触的两个物体通过界面间的结合将作用力从一个物体传导至另一个物体,界面结合的强弱将影响力的传递情况——结合强,物体间不易分离,力能通过界面有效传递;结合弱,物体易从相对薄弱的界面分裂剥离,往往不能将较强的力传递过界面。
对不同的情况,人们对界面结合有不同的需求:在异质材料结合、复合材料等领域,人们希望材料间界面结合较强,连接的物质能作为一个整体共同作用;而在铸件脱模、地面机械脱附减阻或高分子聚合物脱膜等领域,人们又希望材料间的界面结合较弱,从而能够轻易将不同物质分离开。
图一 不同界面结合强弱在受力作用下不同的表现情况
(1)物质接触部分形成界面产物,有较大结合强度,在受力作用下不发生开裂;(2)物质界面结合强度较弱,在受力作用下于界面处出现开裂剥离现象
研究表明,物质的表面成分和微观结构能够明显影响界面结合情况。界面处成分相容性好,可以发生化学反应生成界面产物时,界面通过化学键力相结合,能够获得极大的结合强度;相容性不佳时,界面只能依靠粗糙界面的机械咬合作用和分子间作用力结合,结合相对较弱。在物质表面引入微观结构,在两种材料能够充分接触时,能够在增强机械咬合的同时明显增大物质间实际接触面积,从而增强界面结合;而在材料不能接触充分时,将极大地减小实际接触面积,对界面结合起到削弱效果。
图二 表面结构对界面结合的影响
(1)光滑表面物质接触情况;(2)表面结构存在,物质微观充分接触时,实际接触面积更大,界面结合较强;(3)表面结构存在,物质微观接触不良时,实际接触面积更小,存在薄弱部位,界面结合较弱
超快激光是一种高效强大的表面制备改性手段,几乎可以作用于所有固体,在微纳结构制备上拥有明显优势。它具有可控改变物质表面成分并同时制备图案化微结构表面的能力,对界面结合能够起到显著的调节效果,是调整界面结合强有力的手段。利用超快激光表面改性调控界面间的结合已在焊接、减阻、传热、脱模等多个领域得到充分的研究与应用,具有巨大的潜力,有望得到大规模的普遍应用。
图三 超快激光处理增强界面结合的实例
铜与钨之间因超快激光制备得到的表面结构增大了实际接触面积,而有了更强的机械结合强度和更高的导热能力,界面结合强度超过铜基体的拉伸强度
图四 激光制备微结构表面减少界面处材料间的实际接触面积,从而减弱界面结合粘附作用的实例
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