6分鐘看懂碳纖維增強聚合物復合材料界面研究方法

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

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界面：CFRP 復合材料的核心紐帶

CFRP 的界面，是碳纖維與聚合物基體之間形成的特殊過渡區(qū)。

CFRP 復合材料相間區(qū)域示意圖

別小看這個區(qū)域，它在復合材料里扮演著極為關鍵的角色，就像是連接不同區(qū)域的重要橋梁。當外力作用于 CFRP 時，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。界面的狀態(tài)對 CFRP 的整體性能影響巨大，從基本的強度和剛度，到復雜的疲勞壽命和耐環(huán)境性能，都與其息息相關。

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

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界面理論探索

CFRP 的界面結(jié)構、特性、相關界面理論及界面表征技術匯總圖

2.1

化學鍵合理論

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，它們能與聚合物基體發(fā)生化學反應，生成共價鍵、氫鍵等化學鍵，這些化學鍵就像強力膠水，將碳纖維和基體牢牢黏合在一起，顯著增強界面的結(jié)合力，從而提升 CFRP 的整體性能。

2.2

機械互鎖理論

碳纖維表面并不完全平滑，存在許多細微的凹凸結(jié)構。在復合材料成型過程中，熔融的聚合物基體會流入這些凹凸處，冷卻固化后，兩者便形成機械互鎖，如同榫卯結(jié)構一樣緊密契合，增強了界面的連接強度。這種機械互鎖作用能夠有效阻止碳纖維與基體之間的相對滑動，提高復合材料的力學性能。

2.3

浸潤理論

在 CFRP 制備過程中，確保聚合物基體與碳纖維良好浸潤至關重要。若兩者浸潤不充分，界面就會出現(xiàn)空隙和缺陷。這些缺陷就像隱藏的定時炸彈，在外力作用下，會成為應力集中點，導致裂紋產(chǎn)生和擴展，嚴重削弱復合材料的性能。因此，選擇合適的基體材料和優(yōu)化成型工藝，實現(xiàn)良好的浸潤效果，是提高 CFRP 性能的關鍵步驟之一。

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如何表征界面

CFRP 復合材料的界面表征方法

3.1

分子動力學模擬：微觀世界的虛擬探索

分子動力學模擬相關圖片A：MD 模擬復合材料模型示意圖; B：CF/PTFE 復合材料界面拉伸和剪切應力 - 應變曲線（MD 模擬）; C：CF 從 PLA 基體中脫離過程及界面結(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)氧樹脂基體中拔出實驗與模擬圖

分子動力學模擬基于牛頓運動定律，借助像 LAMMPS 這樣的專業(yè)軟件，構建出碳纖維與聚合物基體的分子模型。通過調(diào)整溫度、壓力、時間步長等參數(shù)，就能觀察在不同條件下界面的變化情況。比如，有學者就利用這種方法，研究了 CF / 聚酰亞胺復合材料的界面結(jié)構與機械性能之間的關系，成功揭示了界面增強的微觀機制。這就好比在虛擬世界中進行實驗，能為實際材料設計提供重要的理論指引，幫助工程師減少不必要的實驗嘗試，節(jié)省時間和成本。

3.2

顯微鏡技術：微觀形貌的直觀呈現(xiàn)

界面微觀結(jié)構表征相關圖片A:未改性 CF/EP 復合材料橫截面 SEM 圖像及碳元素分布; B：ANF 涂覆 CF 復合材料裂紋模式和斷裂表面 SEM 圖像;C：CF - CNTs 復合材料 AFM 圖像和直方圖; D：處理前復合材料橫截面 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，結(jié)合能譜儀（EDS），還能分析界面的元素分布。有學者研究者運用 SEM 和 EDS，驗證了在碳纖維表面構建的 “剛?cè)帷?界面層的存在。通過觀察，他們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過特殊處理后，碳纖維與樹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。它不僅能測量界面粗糙度等參數(shù)，還可通過力曲線測量，研究界面的力學性能。有學者利用 AFM 對復合材料的界面進行表征，觀察到碳纖維與樹脂之間存在明顯的過渡層，并且通過分析過渡層的模量變化，深入理解了界面的微觀特征。此外，AFM 還能在不同環(huán)境條件下進行測量，為研究環(huán)境因素對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，其超高分辨率能夠捕捉到納米尺度的細節(jié)。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(fā)現(xiàn)對于理解界面的結(jié)晶行為和微觀結(jié)構具有重要意義。TEM 還可與其他技術如電子衍射相結(jié)合，進一步分析界面的晶體結(jié)構和取向，為研究界面的微觀結(jié)構提供更全面的信息。

3.3

光譜技術：界面化學信息的解碼器

拉曼光譜：拉曼光譜基于拉曼散射現(xiàn)象，能夠獲取分子振動的信息，從而分析界面的化學組成和微觀應力。有學者運用拉曼光譜研究了碳纖維在熱氧化老化過程中的微觀應力變化。通過對不同老化時間的碳纖維進行拉曼光譜測量，觀察到拉曼峰的位置和強度發(fā)生了變化，進而推斷出碳纖維內(nèi)部的應力分布和結(jié)構變化。這一研究成果揭示了界面的失效機制，為提高 CFRP 的耐久性提供了理論支持。

電子能量損失譜（EELS）：EELS 通過分析電子束與樣品相互作用時的能量損失，提供關于元素組成、化學狀態(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態(tài)。有學者利用 EELS 與其他技術相結(jié)合，對復合材料的界面進行分析，獲取了界面的微觀結(jié)構、組成、擴散程度等詳細信息。他們發(fā)現(xiàn)，通過對碳纖維表面進行改性，可以改變界面的元素分布和化學狀態(tài)，從而優(yōu)化界面性能。

3.4

力學測試：量化界面性能的標尺

界面失效及力學表征相關圖片A:單纖維碎片實驗示意圖; B：復合材料單纖維碎片試驗中事件峰值頻率與應變及不同事件累積信號數(shù)與應變關系圖; C：單絲拉伸實際操作照片; D：單纖維拔出試驗典型載荷 - 位移曲線; E：通過噴涂法制備微滴及微粘結(jié)試驗示意圖; F：單絲 CF/PA6 微滴復合材料制備及微粘結(jié)測試示意圖

單纖維碎片試驗（SFFT）：在 SFFT 中，對基體施加軸向載荷，使纖維斷裂，通過分析纖維碎片的長度分布，就能評估界面的粘結(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。有學者利用 SFFT 和聲學發(fā)射測試，研究了不同處理的碳纖維復合材料的界面性能。結(jié)果顯示，經(jīng)過特定處理的碳纖維，如復合材料，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，載荷傳遞能力更好。

單纖維拉伸和拔出試驗：單纖維拉伸試驗可測量纖維的拉伸強度和斷裂伸長率等參數(shù)，單纖維拔出試驗則能測量纖維與基體之間的拔出力和拔出位移等參數(shù)，通過這些參數(shù)可以計算出界面剪切強度和粘結(jié)功等指標，為評估界面性能提供量化數(shù)據(jù)。有學者等通過單纖維拉伸試驗測試了改性纖維的拉伸強度，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過表面改性的碳纖維拉伸強度顯著提高。還有學者等則通過單纖維拔出模擬，結(jié)合實驗，深入研究了纖維與基體之間的相互作用機制。

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

其他力學測試：橫向纖維束拉伸試驗通過對纖維束施加橫向拉力，評估纖維束在橫向方向上的力學性能，間接反映界面的粘結(jié)性能。單向拉伸試驗測量復合材料在單向拉伸載荷下的力學性能，如拉伸強度、彈性模量等，這些性能與界面的粘結(jié)強度密切相關。三點彎曲試驗通過測量樣品在彎曲載荷下的變形和載荷，評估復合材料的彎曲強度、韌性等性能，常用于研究碳纖維增強熱塑性復合材料的界面性能。短梁剪切試驗主要用于測定復合材料的層間剪切強度（ILSS），反映了界面抵抗剪切破壞的能力。雙懸臂梁試驗則通過測量樣品在動態(tài)載荷下的斷裂韌性和裂紋擴展行為，評估復合材料的界面性能和損傷容限。