CFRP復合材料中，界面是決定其力學性能的關鍵因素。顯微組織、化學成分、力學特性、CFRP界面的強化機制導致了相似纖維-基體系統界面性能的差異。不同的復合材料界面行為多樣而微妙，需要系統多層次的界面表征技術進行綜合分析。依靠分子動力學模擬、界面微觀結構、界面破壞特征、復合力學性能這些界面表征技術，可以有效地研究纖維-基質界面的形態演化、化學成分和微觀力學特征，為研究界面復雜的物理化學性質提供基礎。

CFRP 的界面定義——指碳纖維與樹脂基體之間通過一系列物化相互作用形成的具有一定厚度的第三相（如圖1所示），是一個高度復雜的具有多層結構的過渡區域。這些物化相互作用機制包括：

• 物理吸附（physical adsorption）

• 化學鍵合（chemical bonding）

• 吸附潤濕性（wettability by adsorption）

• 機械接合（mechanical engagement）

• 靜電相互作用（ electrostatic interaction）等。

  

圖1 CFRP 復合材料相間區域示意圖

碳纖維-基體界面特點

1)物理化學鍵的共存

在CFRP復合材料中，纖維與基體之間存在著物理和化學結合。這些鍵合方式共同提高了界面的鍵合強度。

物理鍵包括：范德華力和機械聯鎖

化學鍵包括：化學鍵和氫鍵。

2)界面有效應力傳遞

由于熱塑性樹脂基體具有較高的塑性和韌性，碳纖維與基體之間的應力傳遞更為有效。當復合材料受到應力作用時，纖維可承擔大部分載荷，并通過界面將應力傳遞給基體，實現載荷的均勻分布。

3)界面性能可控

對于給定的基體和增強體系，界面的結構和性能是影響復合材料整體性能的決定性因素。因此，復合材料界面行為的研究往往成為復合材料領域的核心問題。對于以增強為目的的復合材料，通過賦予纖維表面新的化學或物理性質以與基體形成更強的結合，尋求各種方法來加強纖維與基體之間的結合。此外，通過改變基體組成和加工工藝，可以對CFRP界面進行修改和設計，使材料具有優異的性能，從而得到廣泛的應用。

界面理論

界面一直是復合材料力學性能研究中的一個重要問題，每一種理論都只能部分地解釋現象或結果，有一定的局限性。實際的界面現象更為復雜，必須從多個方面和角度進行分析。目前具有代表性的界面理論有：

• 化學鍵合理論（chemical bonding theory）

• 機械互鎖理論（mechanical interlocking theory）

• 浸潤理論（infiltration theory）

• 擴散理論（diffusion theory）

• 靜電理論（electrostatic theory）

• 過渡層理論（transition layer theory）

• 吸附理論（adsorption theory）

（1）化學鍵合理論

化學鍵合理論是指在纖維表面引入反應性功能團，通常是羥基、羧基、環氧、氨基等，與樹脂發生反應，使纖維與基體發生化學鍵合。迄今為止，共價鍵（covalent bonding）被認為是纖維-樹脂鍵合中最強的類型。此外，化學鍵不僅指共價鍵，還包括氫鍵、酸堿等化學鍵相互作用。

（2）機械互鎖理論

機械互鎖理論是指由于纖維表面存在不光滑的結構，在與基體復合時，樹脂基體熱熔融浸入纖維表面的凹槽中，固化后通過纖維表面的粗糙形態，使兩者機械聯鎖在一起，從而增強界面粘合。此外，通過MD模擬計算了機械結合強度，結果表明差異較大的兩相具有較大的應力梯度。

（3）浸潤理論

浸潤理論是指在復合成型過程中，樹脂基體會與CF表面材料充分接觸的現象。

如果纖維和基質不能達到很好地滲透，它們的接觸就會不足，界面固化后會導致一些空隙和缺陷，最終會造成應力集中。導致裂紋萌生和擴展，嚴重削弱復合材料的性能。

（4）擴散理論

擴散理論是指樹脂分子與纖維原子之間通過擴散、滲透、纏結等作用力形成界面層結構。第一，纖維和樹脂發生了緊密接觸，并通過分子吸引力（如：共價鍵力、靜電力和范德華力）形成了永久的粘合。那么，只有良好的浸潤才能實現分子的相互擴散。擴散程度本質上取決于兩種成分的化學相容性和樹脂的滲透性。化學反應前的擴散期為獲得充分交聯是必不可少的。擴散行為可以形成具有一定寬度的界面，即有利于提高界面相交密度。

（5）靜電理論

靜電理論是指當復合材料的不同組分的表面攜帶相反的電荷時，相互接觸觸發電荷轉移，進而產生靜電吸引和導致界面鍵合。

（6）過渡層理論

過渡層理論是指纖維與基體之間的中間界面相可分為兩種類型：模量過渡層（modulus transition layer ）和柔性界面層（flexible interface layer）。模量過渡層，即界面層的模量值處于纖維與樹脂模量值之間，可以消除模量差過大引起的應力集中，使應力從基質到纖維均勻傳遞。柔性界面層，即界面層的模量值低于纖維和樹脂的模量，可以通過變形釋放界面層應力集中。

（7）吸附理論

吸附理論是指纖維與基體之間的非共價鍵相互作用，如范德華力、氫鍵和靜電相互作用。它可以反映附著力的大小。

圖4

• (A) MD模擬的復合材料模型示意圖

• (B) CF/PTFE復合材料界面處的拉伸和剪切應力-應變曲線(MD模擬)

• (C) CF與PLA基體的分離過程及CF與PLA基體的界面結合能

• (D)最初構建的碳納米管涂層CF和含有BM/CF的周期性非晶電池示意圖

• (E)環氧基-碳纖維的拉拔實驗與模擬

界面表征

近年來CFRP復合材料界面表征方法如圖3所示。

• 分子動力學MD模擬：碳纖維剪切試驗與模擬對比；

• 單軸拉伸試驗：拉伸試件尺寸；

• 三點彎曲試驗：不同加載條件下CF/PPS復合材料的彎曲破壞模式；

• SBS試驗：短梁剪切試件變形模式及破壞圖；

• 雙懸臂梁試驗：設置DCB斷裂試驗和CFRPA-PA66與AA5052組合粘連DCB異型接頭；

• 橫向纖維束拉伸試驗：在硅膠模具中制備TFBT樣品并對TFBT樣品進行拉伸加載；

• 微滴脫粘試驗：單絲CF/ PA6微滴復合材料制備示意圖及微粘測試；

• 單纖維拉伸拉拔試驗：單絲拉伸實際操作照片；

• SFFT：單纖維碎片實驗原理圖；

• 納米壓痕表征：納米壓痕的具體位置示意圖；

• 拉曼光譜表征：根據TAPc和PGMA在界面處的波段強度，從CF-(Pc- PGMA-Pc)/EP的截面得到拉曼圖；

• EELS表征：CF/環氧樹脂中的EELS探針點圖像和C-K、N-K和O-K邊緣的能量損失譜；

• 透射電鏡（TEM）表征：施膠劑薄膜的TEM分析；

• AFM表征：CF- CNTs復合材料的AFM圖像和直方圖；

• SEM表征：anf涂層CF復合材料的裂紋模式和斷裂表面的SEM圖像。

分子動力學（Molecular dynamics，MD）模擬是一種基于牛頓運動定律的分子模擬方法。可以幫助我們理解實際應用中的界面行為。實際上,通過通過調整仿真參數，MD可以研究不同條件下的界面，比如：不同的溫度，不同的基體材料，不同的表面處理工藝。通過對材料進行MD模擬，可以預測和優化其性能，為材料設計提供理論依據和準備。

MD模擬通常使用大規模原子/分子大規模并行模擬器（LAMMPS）進行。MD模擬提供了微觀結構變化和分子相互作用的詳細信息，由于局部碳纖維/環氧樹脂界面的納米級尺寸，在實驗中難以捕捉到這些信息，因此越來越多地用于研究纖維與基體之間的界面行為。

MD模擬以原子精度模擬界面的結構和相互作用，可以高保真地反映環境和載荷條件對界面變化的影響。在定義模型和仿真細節后，模型將在不同的系綜中進行結構平衡，并通過隨機施加脈沖力和控制溫度和壓力來達到原子運動的穩定狀態，即材料的平衡穩定結構。

（2）顯微鏡技術

通過提供樣品的形貌和組織信息，有助于解釋復合材料的性能和行為，并被廣泛用于分析復合材料截面的形貌，可以從圖中確定復合材料在載荷作用下的損傷模式以及韌性。根據這些信息可以了解復合材料的附著力等性能。在表征復合材料界面時，SEM的附件能譜儀（EDS）被廣泛用于計算復合材料界面的元素分布。SEM的EDS線性掃描系統分析界面表面元素分布的變化趨勢，分析復合材料表面是否存在界面相，從而反映復合材料的界面性能。

在表征復合材料界面時，SEM直觀地表征了復合材料的斷裂形貌，從而指示了復合材料的性能。同時，EDS光譜分析通過觀察和分析界面元素含量的變化趨勢，驗證復合材料界面相的構建，從而推斷出復合材料界面性能改善的效果。

原子力顯微鏡利用探針與表面原子之間的相互作用力（弱力相互作用）得到樣品表面的形貌信息。高分辨率AFM成像顯示了復合材料界面的形貌特征，如界面粗糙度、界面相分布等，這對我們的認識界面的形成機理、界面結構與性能之間的關系，以及界面的優化有很大的價值。

TEM是一種常用的材料微觀結構屬性研究方法。它的基本原則是利用電子槍發射的高速電子束來照亮一個超薄的樣本，當電子束穿過時，然后使用電磁透鏡逐步放大和可視化電子束。

目前，TEM的分辨率已發展到亞埃級尺度，用于從中尺度到原子水平材料表征。具體來說，就是掃描透射電子顯微鏡（STEM），配備其高角度環形暗場圖像，提供精確測定原子的實際位置。與傳統的高分辨率圖像相反，這一先進技術更進一步增強了納米顆粒表面結構的表征。

TEM 可以深入到材料內部，觀察微觀結構，其超高分辨率能夠捕捉到納米尺度的細節。有學者通過 TEM 觀察到單纖維 PP/PP 復合材料基體中靠近纖維表面的晶體層，這一發現對于理解界面的結晶行為和微觀結構具有重要意義。TEM 還可與其他技術如電子衍射相結合，進一步分析界面的晶體結構和取向，為研究界面的微觀結構提供更全面的信息。

力學性能測試

參考文獻

1.Xiaomin Yuan, Zhihua Zhang, Xuanyu Mu, Chuan Shan, Xueping Gao，Bo Zhu. Recent progress on interface characterization methods of carbon fiber reinforced polymer composites. Chemical Engineering Journal, 2024, 499, 156220