碳纤维增强复合材料的界面作用力

碳纤维具有高强度、高模量、耐酸碱腐蚀、热膨胀系数低等系列优异性能，但是却很少单独使用，一般用作树脂基复合材料、金属基复合材料、C/C复合材料等增强体。在增强过程中，碳纤维与基体结合区域往往又称作“界面层”，界面层可以显著影响碳纤维增强复合材料性能。

由于碳纤维与基体力学性能差异很大，尤其是对于树脂基体而言，大多数树脂的拉伸强度不足100MPa，而碳纤维拉伸强度可以达到3000-7000MPa，因此在碳纤维增强复合材料中碳纤维是主要承载体，而当外力作用到复合材料时，界面层重要意义就凸显出来，它可以将外部载荷有效传递给增强碳纤维，如果复合材料界面区域结合不好，复合材料很容易发生界面脱黏和开裂，这也是复合材料最常见的失效方式之一。

碳纤维增强复合材料加工过程，碳纤维表面与基体间存在何种作用力，下面以碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）为例进行说明，在CFRP界面主要存在以下几种结合力：

（a）  共价键 covalentinteraction

（b）  取向力 Dipole- dipole interaction

（c）  分散力 dispersiveinteraction

（d）  机械嵌合 mechanical interlocking

四种结合情况的示意图如图1所示。

图1 CFRP中碳纤维/树脂基体间主要结合方式

复合材料界面作用力很大程度上取决于碳纤维表面结构，如表面粗糙度、孔隙结构、活性基团，同时也受到基体的化学结构影响。在碳纤维增强热固性树脂基复合材料中，界面间作用力难以得到定论，主要原因在于碳纤维表面物理化学结构及其复杂，而且热固性树脂为双组分体系，在固化过程中两种组分与碳纤维表面的活性基团会发生不同的化学反应。

中科院宁波材料所特种纤维事业部长期开展了国产高性能碳纤维表面结构调控及复合材料界面研究工作，其中通过对国产T800高强中模碳纤维增强环氧树脂基复合材料研究时发现，碳纤维表面化学活性基团与树脂基体基团之间化学键合作用是影响复合材料界面结合强度的关键因素。

进一步详细探讨了复合材料加工过程中碳纤维表面-OH、-C=O、-COOH等含氧官能团与环氧树脂基体环氧基团、固化剂中氨基作用机理，如图2所示，结果显示碳纤维表面-COOH可以同时与环氧树脂基团、固化剂基团发生化学键合反应，而且碳纤维表面-COOH含量越高，碳纤维增强环氧树脂基复合材料界面结合强度越高

图2 碳纤维表面基团与树脂、固化剂间化学反应原理

科研人员进一步通过碳纤维表面改性技术设计与调控，利用关键工艺参数优化，实现了碳纤维表面含氧官能团定性定量调控，如图3所示，而且实现了碳纤维表面-COOH基团含量定量增加，从而为大幅度提升碳纤维增强树脂基复合材料界面结合强度提供了理论依据。

图3 碳纤维表面活性基团定性定量调控

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