CFRP复合材料中，界面是决定其力学性能的关键因素。显微组织、化学成分、力学特性、CFRP界面的强化机制导致了相似纤维-基体系统界面性能的差异。不同的复合材料界面行为多样而微妙，需要系统多层次的界面表征技术进行综合分析。依靠分子动力学模拟、界面微观结构、界面破坏特征、复合力学性能这些界面表征技术，可以有效地研究纤维-基质界面的形态演化、化学成分和微观力学特征，为研究界面复杂的物理化学性质提供基础。

CFRP 的界面定义——指碳纤维与树脂基体之间通过一系列物化相互作用形成的具有一定厚度的第三相（如图1所示），是一个高度复杂的具有多层结构的过渡区域。这些物化相互作用机制包括：

• 物理吸附（physical adsorption）

• 化学键合（chemical bonding）

• 吸附润湿性（wettability by adsorption）

• 机械接合（mechanical engagement）

• 静电相互作用（ electrostatic interaction）等。

  

图1 CFRP 复合材料相间区域示意图

碳纤维-基体界面特点

1)物理化学键的共存

在CFRP复合材料中，纤维与基体之间存在着物理和化学结合。这些键合方式共同提高了界面的键合强度。

物理键包括：范德华力和机械联锁

化学键包括：化学键和氢键。

2)界面有效应力传递

由于热塑性树脂基体具有较高的塑性和韧性，碳纤维与基体之间的应力传递更为有效。当复合材料受到应力作用时，纤维可承担大部分载荷，并通过界面将应力传递给基体，实现载荷的均匀分布。

3)界面性能可控

对于给定的基体和增强体系，界面的结构和性能是影响复合材料整体性能的决定性因素。因此，复合材料界面行为的研究往往成为复合材料领域的核心问题。对于以增强为目的的复合材料，通过赋予纤维表面新的化学或物理性质以与基体形成更强的结合，寻求各种方法来加强纤维与基体之间的结合。此外，通过改变基体组成和加工工艺，可以对CFRP界面进行修改和设计，使材料具有优异的性能，从而得到广泛的应用。

界面理论

界面一直是复合材料力学性能研究中的一个重要问题，每一种理论都只能部分地解释现象或结果，有一定的局限性。实际的界面现象更为复杂，必须从多个方面和角度进行分析。目前具有代表性的界面理论有：

• 化学键合理论（chemical bonding theory）

• 机械互锁理论（mechanical interlocking theory）

• 浸润理论（infiltration theory）

• 扩散理论（diffusion theory）

• 静电理论（electrostatic theory）

• 过渡层理论（transition layer theory）

• 吸附理论（adsorption theory）

（1）化学键合理论

化学键合理论是指在纤维表面引入反应性功能团，通常是羟基、羧基、环氧、氨基等，与树脂发生反应，使纤维与基体发生化学键合。迄今为止，共价键（covalent bonding）被认为是纤维-树脂键合中最强的类型。此外，化学键不仅指共价键，还包括氢键、酸碱等化学键相互作用。

（2）机械互锁理论

机械互锁理论是指由于纤维表面存在不光滑的结构，在与基体复合时，树脂基体热熔融浸入纤维表面的凹槽中，固化后通过纤维表面的粗糙形态，使两者机械联锁在一起，从而增强界面粘合。此外，通过MD模拟计算了机械结合强度，结果表明差异较大的两相具有较大的应力梯度。

（3）浸润理论

浸润理论是指在复合成型过程中，树脂基体会与CF表面材料充分接触的现象。

如果纤维和基质不能达到很好地渗透，它们的接触就会不足，界面固化后会导致一些空隙和缺陷，最终会造成应力集中。导致裂纹萌生和扩展，严重削弱复合材料的性能。

（4）扩散理论

扩散理论是指树脂分子与纤维原子之间通过扩散、渗透、缠结等作用力形成界面层结构。第一，纤维和树脂发生了紧密接触，并通过分子吸引力（如：共价键力、静电力和范德华力）形成了永久的粘合。那么，只有良好的浸润才能实现分子的相互扩散。扩散程度本质上取决于两种成分的化学相容性和树脂的渗透性。化学反应前的扩散期为获得充分交联是必不可少的。扩散行为可以形成具有一定宽度的界面，即有利于提高界面相交密度。

（5）静电理论

静电理论是指当复合材料的不同组分的表面携带相反的电荷时，相互接触触发电荷转移，进而产生静电吸引和导致界面键合。

（6）过渡层理论

过渡层理论是指纤维与基体之间的中间界面相可分为两种类型：模量过渡层（modulus transition layer ）和柔性界面层（flexible interface layer）。模量过渡层，即界面层的模量值处于纤维与树脂模量值之间，可以消除模量差过大引起的应力集中，使应力从基质到纤维均匀传递。柔性界面层，即界面层的模量值低于纤维和树脂的模量，可以通过变形释放界面层应力集中。

（7）吸附理论

吸附理论是指纤维与基体之间的非共价键相互作用，如范德华力、氢键和静电相互作用。它可以反映附着力的大小。

图4

• (A) MD模拟的复合材料模型示意图

• (B) CF/PTFE复合材料界面处的拉伸和剪切应力-应变曲线(MD模拟)

• (C) CF与PLA基体的分离过程及CF与PLA基体的界面结合能

• (D)最初构建的碳纳米管涂层CF和含有BM/CF的周期性非晶电池示意图

• (E)环氧基-碳纤维的拉拔实验与模拟

界面表征

近年来CFRP复合材料界面表征方法如图3所示。

• 分子动力学MD模拟：碳纤维剪切试验与模拟对比；

• 单轴拉伸试验：拉伸试件尺寸；

• 三点弯曲试验：不同加载条件下CF/PPS复合材料的弯曲破坏模式；

• SBS试验：短梁剪切试件变形模式及破坏图；

• 双悬臂梁试验：设置DCB断裂试验和CFRPA-PA66与AA5052组合粘连DCB异型接头；

• 横向纤维束拉伸试验：在硅胶模具中制备TFBT样品并对TFBT样品进行拉伸加载；

• 微滴脱粘试验：单丝CF/ PA6微滴复合材料制备示意图及微粘测试；

• 单纤维拉伸拉拔试验：单丝拉伸实际操作照片；

• SFFT：单纤维碎片实验原理图；

• 纳米压痕表征：纳米压痕的具体位置示意图；

• 拉曼光谱表征：根据TAPc和PGMA在界面处的波段强度，从CF-(Pc- PGMA-Pc)/EP的截面得到拉曼图；

• EELS表征：CF/环氧树脂中的EELS探针点图像和C-K、N-K和O-K边缘的能量损失谱；

• 透射电镜（TEM）表征：施胶剂薄膜的TEM分析；

• AFM表征：CF- CNTs复合材料的AFM图像和直方图；

• SEM表征：anf涂层CF复合材料的裂纹模式和断裂表面的SEM图像。

分子动力学（Molecular dynamics，MD）模拟是一种基于牛顿运动定律的分子模拟方法。可以帮助我们理解实际应用中的界面行为。实际上,通过通过调整仿真参数，MD可以研究不同条件下的界面，比如：不同的温度，不同的基体材料，不同的表面处理工艺。通过对材料进行MD模拟，可以预测和优化其性能，为材料设计提供理论依据和准备。

MD模拟通常使用大规模原子/分子大规模并行模拟器（LAMMPS）进行。MD模拟提供了微观结构变化和分子相互作用的详细信息，由于局部碳纤维/环氧树脂界面的纳米级尺寸，在实验中难以捕捉到这些信息，因此越来越多地用于研究纤维与基体之间的界面行为。

MD模拟以原子精度模拟界面的结构和相互作用，可以高保真地反映环境和载荷条件对界面变化的影响。在定义模型和仿真细节后，模型将在不同的系综中进行结构平衡，并通过随机施加脉冲力和控制温度和压力来达到原子运动的稳定状态，即材料的平衡稳定结构。

（2）显微镜技术

通过提供样品的形貌和组织信息，有助于解释复合材料的性能和行为，并被广泛用于分析复合材料截面的形貌，可以从图中确定复合材料在载荷作用下的损伤模式以及韧性。根据这些信息可以了解复合材料的附着力等性能。在表征复合材料界面时，SEM的附件能谱仪（EDS）被广泛用于计算复合材料界面的元素分布。SEM的EDS线性扫描系统分析界面表面元素分布的变化趋势，分析复合材料表面是否存在界面相，从而反映复合材料的界面性能。

在表征复合材料界面时，SEM直观地表征了复合材料的断裂形貌，从而指示了复合材料的性能。同时，EDS光谱分析通过观察和分析界面元素含量的变化趋势，验证复合材料界面相的构建，从而推断出复合材料界面性能改善的效果。

原子力显微镜利用探针与表面原子之间的相互作用力（弱力相互作用）得到样品表面的形貌信息。高分辨率AFM成像显示了复合材料界面的形貌特征，如界面粗糙度、界面相分布等，这对我们的认识界面的形成机理、界面结构与性能之间的关系，以及界面的优化有很大的价值。

TEM是一种常用的材料微观结构属性研究方法。它的基本原则是利用电子枪发射的高速电子束来照亮一个超薄的样本，当电子束穿过时，然后使用电磁透镜逐步放大和可视化电子束。

目前，TEM的分辨率已发展到亚埃级尺度，用于从中尺度到原子水平材料表征。具体来说，就是扫描透射电子显微镜（STEM），配备其高角度环形暗场图像，提供精确测定原子的实际位置。与传统的高分辨率图像相反，这一先进技术更进一步增强了纳米颗粒表面结构的表征。

TEM 可以深入到材料内部，观察微观结构，其超高分辨率能够捕捉到纳米尺度的细节。有学者通过 TEM 观察到单纤维 PP/PP 复合材料基体中靠近纤维表面的晶体层，这一发现对于理解界面的结晶行为和微观结构具有重要意义。TEM 还可与其他技术如电子衍射相结合，进一步分析界面的晶体结构和取向，为研究界面的微观结构提供更全面的信息。

力学性能测试

参考文献

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