【行业分享】碳纤维复合材料界面特征

当今科研界的一个热门领域是界面学，虽然它属于边缘学科，但其中对固体材料界面的研究是其重要的分支。为了满足新技术领域的需求，固体材料界面研究得到了迅速的发展。碳纤维复合材料的界面是指碳纤维与基体接触构成的界面。过去曾设想该界面为一层无厚度的面，但实际上，碳纤维复合材料的界面具有纳米以上的尺寸厚度，其结构与基体和增强体有明显差异，因此被定义为界面相或界面层。

对于树脂基碳纤维复合材料,其界面的形成可以分为两个阶段：

第一阶段，基体与碳纤维发生接触和浸润的过程。由于碳纤维对基体分子的不同基团或基体中各组分的吸附能力存在差异，它会优先吸附那些能够降低其表面能的物质。因此，界面聚合层在结构上与聚合物本体存在明显的差异。

第二阶段，树脂经历固化过程，通过物理或化学变化形成固定的界面层。这个阶段受到第一阶段的影响，并且直接决定了所形成的界面层的结构。

近年来，对碳纤维增强树脂基复合材料界面性能的研究已经引起了学者们越来越多的关注。在此基础上，界面工程这一材料科学中的新领域已经提出，它属于边界学科，仍需进行深入的研究。

对碳纤维增强树脂基复合材料界面层的形成及其本构关系进行更深入的研究，将有助于进一步优化复合材料的性能，并推动新型纤维复合材料的设计，以便更好地应用于开发。

对于树脂基复合材料，界面化学反应对于改善碳纤维与基体之间的粘合性能非常有利。增加界面粘合强度可以使碳纤维的增强作用更有效地发挥。当复合材料受到外力作用时，除了碳纤维和基体受力外，界面也起着非常重要的作用。只有通过界面进行应力传递，才能使碳纤维和基体的应力分布均衡。因此，界面性质和状态直接影响了复合材料的综合力学性能和热性能。

如果基体与增强体之间的相互作用不足或过量，都会对复合材料的性能产生不利影响。当反应不足时，无法获得良好的结合强度；而当反应过量时，会导致界面脆性，从而损伤碳纤维并降低复合材料的强度。因此，必须对界面反应的类型、数量和速度进行控制，以确保复合材料具有最佳的性能。

复合材料的强度、刚度和韧性是评估其物理机械性能的重要指标。碳纤维复合材料技术的核心在于利用高性能碳纤维的强度和刚度，并使基体能够有效地将应力通过碳纤维和基体之间的界面进行传递。通过对早期玻纤增强塑料和现代高性能纤维复合材料中有关界面应力传递的理论和实验结果的分析，可以发现基体树脂与纤维之间应力传递的差异会导致界面及其附近物质承受较大的应力集中。因此，对复合材料进行界面改性，使两相界面具有合适的粘附力，形成一个相互作用匹配且能顺利传递应力的中间模量层，对于提高树脂基复合材料的力学性能至关重要。