碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）復(fù)合材料質(zhì)量輕，強(qiáng)度卻超高，在航空航天、汽車制造、體育器材等眾多行業(yè)廣泛應(yīng)用。想讓 CFRP 復(fù)合材料性能更上一層樓，對(duì)其界面的研究必不可少。下面，就為大家詳細(xì)介紹探究 CFRP 界面的有效方法。

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界面：CFRP 復(fù)合材料的核心紐帶

CFRP 的界面，是碳纖維與聚合物基體之間形成的特殊過(guò)渡區(qū)。

CFRP 復(fù)合材料相間區(qū)域示意圖

別小看這個(gè)區(qū)域，它在復(fù)合材料里扮演著極為關(guān)鍵的角色，就像是連接不同區(qū)域的重要橋梁。當(dāng)外力作用于 CFRP 時(shí)，界面能將碳纖維承受的載荷均勻傳遞給聚合物基體，讓兩者緊密協(xié)作，充分發(fā)揮出各自優(yōu)勢(shì)。界面的狀態(tài)對(duì) CFRP 的整體性能影響巨大，從基本的強(qiáng)度和剛度，到復(fù)雜的疲勞壽命和耐環(huán)境性能，都與其息息相關(guān)。

界面結(jié)合不好，碳纖維和基體就無(wú)法有效協(xié)同工作，復(fù)合材料的性能就會(huì)大打折扣。

2

界面理論探索

CFRP 的界面結(jié)構(gòu)、特性、相關(guān)界面理論及界面表征技術(shù)匯總圖

2.1

化學(xué)鍵合理論

該理論指出，在碳纖維表面引入像羥基、羧基這樣的活性官能團(tuán)，它們能與聚合物基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成共價(jià)鍵、氫鍵等化學(xué)鍵，這些化學(xué)鍵就像強(qiáng)力膠水，將碳纖維和基體牢牢黏合在一起，顯著增強(qiáng)界面的結(jié)合力，從而提升 CFRP 的整體性能。

2.2

機(jī)械互鎖理論

碳纖維表面并不完全平滑，存在許多細(xì)微的凹凸結(jié)構(gòu)。在復(fù)合材料成型過(guò)程中，熔融的聚合物基體會(huì)流入這些凹凸處，冷卻固化后，兩者便形成機(jī)械互鎖，如同榫卯結(jié)構(gòu)一樣緊密契合，增強(qiáng)了界面的連接強(qiáng)度。這種機(jī)械互鎖作用能夠有效阻止碳纖維與基體之間的相對(duì)滑動(dòng)，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

2.3

浸潤(rùn)理論

在 CFRP 制備過(guò)程中，確保聚合物基體與碳纖維良好浸潤(rùn)至關(guān)重要。若兩者浸潤(rùn)不充分，界面就會(huì)出現(xiàn)空隙和缺陷。這些缺陷就像隱藏的定時(shí)炸彈，在外力作用下，會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展，嚴(yán)重削弱復(fù)合材料的性能。因此，選擇合適的基體材料和優(yōu)化成型工藝，實(shí)現(xiàn)良好的浸潤(rùn)效果，是提高 CFRP 性能的關(guān)鍵步驟之一。

3

如何表征界面

CFRP 復(fù)合材料的界面表征方法

3.1

分子動(dòng)力學(xué)模擬：微觀世界的虛擬探索

分子動(dòng)力學(xué)模擬相關(guān)圖片A：MD 模擬復(fù)合材料模型示意圖; B：CF/PTFE 復(fù)合材料界面拉伸和剪切應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線（MD 模擬）; C：CF 從 PLA 基體中脫離過(guò)程及界面結(jié)合能變化圖; D：CNT 涂覆 CF 及含 BM/CF 的周期非晶胞示意圖; E：碳纖維從環(huán)氧樹(shù)脂基體中拔出實(shí)驗(yàn)與模擬圖

分子動(dòng)力學(xué)模擬基于牛頓運(yùn)動(dòng)定律，借助像 LAMMPS 這樣的專業(yè)軟件，構(gòu)建出碳纖維與聚合物基體的分子模型。通過(guò)調(diào)整溫度、壓力、時(shí)間步長(zhǎng)等參數(shù)，就能觀察在不同條件下界面的變化情況。比如，有學(xué)者就利用這種方法，研究了 CF / 聚酰亞胺復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能之間的關(guān)系，成功揭示了界面增強(qiáng)的微觀機(jī)制。這就好比在虛擬世界中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能為實(shí)際材料設(shè)計(jì)提供重要的理論指引，幫助工程師減少不必要的實(shí)驗(yàn)嘗試，節(jié)省時(shí)間和成本。

3.2

顯微鏡技術(shù)：微觀形貌的直觀呈現(xiàn)

界面微觀結(jié)構(gòu)表征相關(guān)圖片A:未改性 CF/EP 復(fù)合材料橫截面 SEM 圖像及碳元素分布; B：ANF 涂覆 CF 復(fù)合材料裂紋模式和斷裂表面 SEM 圖像;C：CF - CNTs 復(fù)合材料 AFM 圖像和直方圖; D：處理前復(fù)合材料橫截面 A?B?的 AFM 形貌和高度線輪廓圖; E：150℃成型的單纖維 PP/PP 基體復(fù)合材料纖維附近基體的 TEM 圖

掃描電子顯微鏡（SEM）：SEM 能夠?qū)悠返谋砻嫘蚊睬逦爻尸F(xiàn)出來(lái)，結(jié)合能譜儀（EDS），還能分析界面的元素分布。有學(xué)者研究者運(yùn)用 SEM 和 EDS，驗(yàn)證了在碳纖維表面構(gòu)建的 “剛?cè)帷?界面層的存在。通過(guò)觀察，他們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)特殊處理后，碳纖維與樹(shù)脂之間的界面邊界變得模糊，元素分布呈現(xiàn)出梯度變化，這一發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)提供了重要依據(jù)。

原子力顯微鏡（AFM）：AFM 利用探針與樣品表面原子的相互作用力，獲取高分辨率的界面圖像。它不僅能測(cè)量界面粗糙度等參數(shù)，還可通過(guò)力曲線測(cè)量，研究界面的力學(xué)性能。有學(xué)者利用 AFM 對(duì)復(fù)合材料的界面進(jìn)行表征，觀察到碳纖維與樹(shù)脂之間存在明顯的過(guò)渡層，并且通過(guò)分析過(guò)渡層的模量變化，深入理解了界面的微觀特征。此外，AFM 還能在不同環(huán)境條件下進(jìn)行測(cè)量，為研究環(huán)境因素對(duì)界面性能的影響提供了便利。

透射電子顯微鏡（TEM）：TEM 可以深入到材料內(nèi)部，觀察微觀結(jié)構(gòu)，其超高分辨率能夠捕捉到納米尺度的細(xì)節(jié)。有學(xué)者通過(guò) TEM觀察到單纖維 PP/PP 復(fù)合材料基體中靠近纖維表面的晶體層，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解界面的結(jié)晶行為和微觀結(jié)構(gòu)具有重要意義。TEM 還可與其他技術(shù)如電子衍射相結(jié)合，進(jìn)一步分析界面的晶體結(jié)構(gòu)和取向，為研究界面的微觀結(jié)構(gòu)提供更全面的信息。

3.3

光譜技術(shù)：界面化學(xué)信息的解碼器

拉曼光譜：拉曼光譜基于拉曼散射現(xiàn)象，能夠獲取分子振動(dòng)的信息，從而分析界面的化學(xué)組成和微觀應(yīng)力。有學(xué)者運(yùn)用拉曼光譜研究了碳纖維在熱氧化老化過(guò)程中的微觀應(yīng)力變化。通過(guò)對(duì)不同老化時(shí)間的碳纖維進(jìn)行拉曼光譜測(cè)量，觀察到拉曼峰的位置和強(qiáng)度發(fā)生了變化，進(jìn)而推斷出碳纖維內(nèi)部的應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)變化。這一研究成果揭示了界面的失效機(jī)制，為提高 CFRP 的耐久性提供了理論支持。

電子能量損失譜（EELS）：EELS 通過(guò)分析電子束與樣品相互作用時(shí)的能量損失，提供關(guān)于元素組成、化學(xué)狀態(tài)等信息。與傳統(tǒng)的能量色散 X 射線光譜（EDX）相比，EELS 具有更高的分辨率，尤其適用于分析輕元素和元素的價(jià)態(tài)。有學(xué)者利用 EELS 與其他技術(shù)相結(jié)合，對(duì)復(fù)合材料的界面進(jìn)行分析，獲取了界面的微觀結(jié)構(gòu)、組成、擴(kuò)散程度等詳細(xì)信息。他們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性，可以改變界面的元素分布和化學(xué)狀態(tài)，從而優(yōu)化界面性能。

3.4

力學(xué)測(cè)試：量化界面性能的標(biāo)尺

界面失效及力學(xué)表征相關(guān)圖片A:單纖維碎片實(shí)驗(yàn)示意圖; B：復(fù)合材料單纖維碎片試驗(yàn)中事件峰值頻率與應(yīng)變及不同事件累積信號(hào)數(shù)與應(yīng)變關(guān)系圖; C：?jiǎn)谓z拉伸實(shí)際操作照片; D：?jiǎn)卫w維拔出試驗(yàn)典型載荷 - 位移曲線; E：通過(guò)噴涂法制備微滴及微粘結(jié)試驗(yàn)示意圖; F：?jiǎn)谓z CF/PA6 微滴復(fù)合材料制備及微粘結(jié)測(cè)試示意圖

單纖維碎片試驗(yàn)（SFFT）：在 SFFT 中，對(duì)基體施加軸向載荷，使纖維斷裂，通過(guò)分析纖維碎片的長(zhǎng)度分布，就能評(píng)估界面的粘結(jié)性能。纖維碎片越短，意味著界面的粘結(jié)性能越好，載荷傳遞越有效。有學(xué)者利用 SFFT 和聲學(xué)發(fā)射測(cè)試，研究了不同處理的碳纖維復(fù)合材料的界面性能。結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)特定處理的碳纖維，如復(fù)合材料，與未處理的相比，界面損傷更少，基體中的微裂紋更多，這表明其界面粘結(jié)更強(qiáng)，載荷傳遞能力更好。

單纖維拉伸和拔出試驗(yàn)：?jiǎn)卫w維拉伸試驗(yàn)可測(cè)量纖維的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率等參數(shù)，單纖維拔出試驗(yàn)則能測(cè)量纖維與基體之間的拔出力和拔出位移等參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)可以計(jì)算出界面剪切強(qiáng)度和粘結(jié)功等指標(biāo)，為評(píng)估界面性能提供量化數(shù)據(jù)。有學(xué)者等通過(guò)單纖維拉伸試驗(yàn)測(cè)試了改性纖維的拉伸強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)表面改性的碳纖維拉伸強(qiáng)度顯著提高。還有學(xué)者等則通過(guò)單纖維拔出模擬，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，深入研究了纖維與基體之間的相互作用機(jī)制。

界面失效及力學(xué)表征相關(guān)圖片A:拉伸試驗(yàn)試樣尺寸圖; B：施膠和脫膠 CF/PP 復(fù)合材料的應(yīng)力 - 應(yīng)變響應(yīng)、沖擊能量及斷裂表面形貌圖; C：CF/PPS 復(fù)合材料在不同加載條件下的彎曲失效模式圖; D：三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過(guò)程圖; E：短梁剪切試樣的變形模式和失效圖; F：DCB 斷裂測(cè)試裝置及 CFRP - PA66 與 AA5052 粘結(jié)的 DCB 接頭圖

其他力學(xué)測(cè)試：橫向纖維束拉伸試驗(yàn)通過(guò)對(duì)纖維束施加橫向拉力，評(píng)估纖維束在橫向方向上的力學(xué)性能，間接反映界面的粘結(jié)性能。單向拉伸試驗(yàn)測(cè)量復(fù)合材料在單向拉伸載荷下的力學(xué)性能，如拉伸強(qiáng)度、彈性模量等，這些性能與界面的粘結(jié)強(qiáng)度密切相關(guān)。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)通過(guò)測(cè)量樣品在彎曲載荷下的變形和載荷，評(píng)估復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、韌性等性能，常用于研究碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的界面性能。短梁剪切試驗(yàn)主要用于測(cè)定復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度（ILSS），反映了界面抵抗剪切破壞的能力。雙懸臂梁試驗(yàn)則通過(guò)測(cè)量樣品在動(dòng)態(tài)載荷下的斷裂韌性和裂紋擴(kuò)展行為，評(píng)估復(fù)合材料的界面性能和損傷容限。