碳纖維在復(fù)合材料中的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化對(duì)其應(yīng)用至關(guān)重要。界面結(jié)構(gòu)與性能是影響碳纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素之一。對(duì)碳纖維與樹(shù)脂基體材料的界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。對(duì)界面層主要的構(gòu)成部分，即上漿劑對(duì)提高碳纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率的效果進(jìn)行了討論，明確了針對(duì)特定材料體系，存在一個(gè)最佳的上漿量能夠使界面結(jié)合最強(qiáng)。對(duì)層間剪切強(qiáng)度與碳纖維的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系進(jìn)行了梳理，指出在該領(lǐng)域仍然存在一定的爭(zhēng)議和不明確性，需要進(jìn)一步的深入研究。

碳纖維具有輕量高強(qiáng)的優(yōu)良力學(xué)特征，作為先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，在航空航天、風(fēng)力發(fā)電、交通運(yùn)輸、壓力容器、體育休閑等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了大范圍的應(yīng)用。在絕大多數(shù)情況下，碳纖維并不能直接應(yīng)用，而是必須與樹(shù)脂等基體材料按一定的體積比進(jìn)行成型復(fù)合，制備成復(fù)合材料制品之后方可應(yīng)用于各種實(shí)際的環(huán)境中。應(yīng)用部門(mén)針對(duì)材料提出的各種性能上的要求，往往是對(duì)復(fù)合材料，而非直接對(duì)碳纖維本身。對(duì)于碳纖維而言，最為突出的優(yōu)勢(shì)性能是拉伸強(qiáng)度，其拉伸強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率可以定義如式（1）所示。

k=σcφ σf f? ??（1）式中，k?為碳纖維的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率，%；σc為復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，MPa；σ?f為碳纖維的拉伸強(qiáng)度，MPa；φf(shuō)為碳纖維的體積含量，%。k?的含義是碳纖維在復(fù)合材料中實(shí)際發(fā)揮出的強(qiáng)度與其理論強(qiáng)度之比值。在工程實(shí)際中，當(dāng)使用的碳纖維確定后，其拉伸強(qiáng)度是確定的，使用其制備的復(fù)合材料能發(fā)揮出來(lái)的拉伸性能越高，纖維的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率也就越高。直接針對(duì)纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率進(jìn)行的研究并不多，李翠云等和李越分析了纖維性能的離散性、基體樹(shù)脂、內(nèi)襯等因素的影響，但未進(jìn)行深入討論。程勇等指出碳纖維原絲制造工藝，即干噴濕紡和濕法紡絲的差異，會(huì)對(duì)纖維在纏繞成型體中的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率產(chǎn)生10%~15%的差異。盧天健等對(duì)樹(shù)脂基體在纏繞成型體性能發(fā)揮過(guò)程中的影響進(jìn)行了研究。他們?cè)诠潭ɡw維、設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)構(gòu)型和纏繞工藝的前提下，僅將樹(shù)脂種類(lèi)作為變量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同種類(lèi)的樹(shù)脂會(huì)對(duì)纏繞容器的爆破強(qiáng)度產(chǎn)生20%~35%的影響。張曉軍等研究了成型工藝如張力、固化時(shí)間等對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響，通過(guò)改善成型工藝，能夠提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度20%以上。在影響碳纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率的諸多因素中，碳纖維與基體材料所形成的界面狀態(tài)，是至關(guān)重要的一個(gè)。樹(shù)脂、工藝等因素，最后還是要全部或者部分的歸結(jié)到界面上來(lái)。例如，樹(shù)脂基體對(duì)碳纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率的影響主要取決于纖維與樹(shù)脂的層間剪切強(qiáng)度（ILSS），其與纏繞容器的效率具有明顯的正相關(guān)性，干噴濕紡和濕法紡絲兩種不同原絲制造工藝在纏繞成型體爆破強(qiáng)度上產(chǎn)生的差異，主要的是由于兩種纖維表面形貌的差異。因此，深入理解碳纖維復(fù)合材料中的界面以及其對(duì)復(fù)合材料性能的影響，對(duì)提高碳纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率至關(guān)重要。

1 碳纖維復(fù)合材料中的界面層

在碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料中，界面層是樹(shù)脂基體與纖維的中間過(guò)渡層，起連接、擴(kuò)散和傳遞的作用，具有一定的厚度。其理化性能與樹(shù)脂和纖維均有差異，因而形成了復(fù)合材料內(nèi)部除了纖維和樹(shù)脂之外的第三相，也稱(chēng)為界面相。碳纖維界面層的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以細(xì)分為纖維的表面層（A）、纖維與上漿劑的連接層（B）、上漿劑層（C）、上漿劑與樹(shù)脂的擴(kuò)散混合層（D）等。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，界面層的主體是上漿劑層。上漿劑是由樹(shù)脂、乳化劑、潤(rùn)滑劑等組成的復(fù)雜混合物，起到保護(hù)纖維、改善外觀以及提高纖維與樹(shù)脂親和性等作用。

圖1 碳纖維與基體樹(shù)脂之間的界面層結(jié)構(gòu)圖圖1是理想狀態(tài)下碳纖維與樹(shù)脂基體的界面層結(jié)構(gòu)，所謂理想狀態(tài)的界面，是指纖維與樹(shù)脂的結(jié)合是均勻而完整的，不存在空隙。但是實(shí)際的界面狀態(tài)與之相差甚遠(yuǎn)。在碳纖維的工業(yè)化生產(chǎn)中，幅寬異常、毛絲、上漿不均、纖維束表面的單絲屈曲等纖維狀態(tài)，是實(shí)際應(yīng)用中必然產(chǎn)生且不可忽視的因素。這些因素的存在，使纖維束與樹(shù)脂的界面結(jié)合狀態(tài)與理想的界面狀態(tài)產(chǎn)生了很大的偏差，如圖2所示。

圖2 理想的碳纖維絲束-樹(shù)脂界面圖（a）與實(shí)際中的界面圖（b）一些初步的研究表明，這種生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的幅寬異常、纖維單絲的屈曲等現(xiàn)象，會(huì)較為明顯地影響到碳纖維復(fù)合材料的性能發(fā)揮。例如，通過(guò)干燥工藝等控制纖維束的相對(duì)幅寬和幅寬均一性，可以明顯地提高其在纏繞成型制品中的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率?？傮w而言，這些異?，F(xiàn)象越明顯，碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能表現(xiàn)就越差。關(guān)于這一領(lǐng)域，現(xiàn)有的研究仍舊較少，需要進(jìn)一步詳細(xì)的研究，這對(duì)提高碳纖維的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化可能是非常重要而被忽視的領(lǐng)域。

2 上漿劑層的影響

上漿劑在碳纖維生產(chǎn)到應(yīng)用過(guò)程中能夠起到防止損傷、改善工藝性、提高界面親和性等作用。其對(duì)復(fù)合材料拉伸性能發(fā)揮的提高主要通過(guò)兩方面來(lái)實(shí)現(xiàn)：通過(guò)在纖維表面形成樹(shù)脂保護(hù)膜而減少纖維在工藝過(guò)程（包括退、并、捻、紡、纏繞、擠壓等）中的損傷，減少纖維的強(qiáng)度損失；提高纖維表面與樹(shù)脂的親和性、浸潤(rùn)性和界面結(jié)合強(qiáng)度，使樹(shù)脂與纖維能夠形成更加均勻、更加強(qiáng)韌的界面結(jié)合效果。

2.1上漿劑對(duì)減少纖維損傷的作用

碳纖維在成型等工藝過(guò)程中由于各種操作而造成的纖維強(qiáng)度損失，在織造、纏繞等過(guò)程中表現(xiàn)的尤其明顯，這是由于這些工藝張力大，轉(zhuǎn)向?qū)л伓啵蚨w維與設(shè)備以及纖維彼此之間的摩擦作用更加明顯。根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，碳纖維在織造過(guò)程中由于纖維損傷而產(chǎn)生的強(qiáng)度損失在10%左右，對(duì)于玻璃纖維或者混編纖維織物而言，更是高達(dá)30%。這些由于摩擦和彎曲等產(chǎn)生的機(jī)械損傷，能夠通過(guò)上漿劑改善纖維的耐磨性和柔順性而大幅降低。上漿劑對(duì)碳纖維在成型過(guò)程中工藝性的改善，是指提高纖維的集束性和耐磨性，從而減少工藝過(guò)程中毛絲的產(chǎn)生量，降低工藝過(guò)程中纖維的強(qiáng)度損失。上漿劑的種類(lèi)以及上漿劑在碳纖維表面的附著量，也就是上漿量，都會(huì)對(duì)碳纖維的工藝性產(chǎn)生明顯的影響。

2.2上漿劑對(duì)提高界面結(jié)合強(qiáng)度的作用

一般認(rèn)為，通過(guò)使用恰當(dāng)?shù)纳蠞{劑，能夠提高碳纖維與樹(shù)脂基體之間的界面結(jié)合強(qiáng)度。這里的關(guān)鍵是“恰當(dāng)”，也就是碳纖維的上漿劑需與基體樹(shù)脂有一定的適配性。通常來(lái)講，作為上漿劑主劑的聚合物的分子結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量與樹(shù)脂基體相同或相似，否則其提高親和性的效果可能不明顯。例如，對(duì)于常見(jiàn)的環(huán)氧類(lèi)樹(shù)脂基體，就要使用環(huán)氧類(lèi)上漿劑，而對(duì)于熱塑性樹(shù)脂基體，則應(yīng)使用專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的熱塑性上漿劑，如果使用傳統(tǒng)的環(huán)氧類(lèi)上漿劑，則碳纖維與樹(shù)脂的結(jié)合非常差。在這一點(diǎn)上仍存在一定的爭(zhēng)議。有研究認(rèn)為上漿后纖維表面溝槽變淺，光滑度提高，同時(shí)表面活性官能團(tuán)數(shù)量和表面自由能都減少，所有這些因素都不利于界面結(jié)合強(qiáng)度的提高，因此上漿后的碳纖維與樹(shù)脂之間的界面結(jié)合強(qiáng)度不僅不會(huì)提高，反而有所降低?；蛘邔?duì)于不同的纖維和樹(shù)脂體系，有的在上漿后會(huì)出現(xiàn)界面結(jié)合提高，有的則會(huì)降低。針對(duì)上漿劑對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度影響，以及上漿這一工藝過(guò)程對(duì)碳纖維復(fù)合材料性能的影響，即碳纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率的影響，上述這些不甚相符甚至彼此矛盾的研究對(duì)該領(lǐng)域的實(shí)踐造成了一定的困惑。在一些綜述性的文獻(xiàn)中也明確指出了這一點(diǎn)，關(guān)鍵還是由于具體的使用場(chǎng)景（纖維、樹(shù)脂、工藝）不同。也就是說(shuō)，不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)上漿劑的要求是完全不同的，不能期望以一種上漿劑滿足所有的使用環(huán)境。

2.3上漿量的影響

上漿量對(duì)碳纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率的影響，主要是通過(guò)界面層厚度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。工業(yè)上一般碳纖維的上漿量在0.5%~1.5%之間，上漿劑層的厚度大約在60~200nm左右，但是由于上漿劑中樹(shù)脂成分與基體樹(shù)脂之間的互溶與擴(kuò)散，界面層的厚度要遠(yuǎn)超于此，能夠達(dá)到1μm以上。表1中總結(jié)了一些文獻(xiàn)中的實(shí)際數(shù)據(jù)。

可以看出，多數(shù)實(shí)驗(yàn)存在一個(gè)趨勢(shì)，即存在一個(gè)最佳的上漿量，這個(gè)上漿量通常在1%~2%之間，此時(shí)界面結(jié)合強(qiáng)度最大，上漿量過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)使界面結(jié)合強(qiáng)度下降。這種趨勢(shì)的原因在于，當(dāng)上漿量偏低時(shí)，上漿劑對(duì)纖維的保護(hù)作用不夠，纖維束比較松散，容易產(chǎn)生毛絲，強(qiáng)度損失比較大，當(dāng)上漿量偏高時(shí)，一方面纖維束的柔軟性降低，在受到彎曲等作用時(shí)，上漿劑會(huì)在纖維表面發(fā)生遷移而造成漿料凝聚，與樹(shù)脂的結(jié)合性下降；另一方面隨著上漿量的提高，上漿劑層的厚度增加，而上漿劑通常是未固化的環(huán)氧樹(shù)脂，本身強(qiáng)度并不高，從而導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度的下降。

3 ILSS與碳纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率的關(guān)系

層間剪切強(qiáng)度ILSS作為衡量纖維與樹(shù)脂基體之間界面結(jié)合強(qiáng)度的參量，其值越高，說(shuō)明界面結(jié)合的越緊密。由于碳纖維的表面惰性，大量針對(duì)碳纖維表界面開(kāi)展的研究，都著眼于提高其ILSS。但是，提高ILSS是否就能相應(yīng)的提高碳纖維的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率，則并未有明確的結(jié)論。早在1983年，日本工業(yè)大學(xué)高久明等針對(duì)樹(shù)脂對(duì)碳纖維浸膠紗拉伸強(qiáng)度的影響進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。通過(guò)對(duì)比多種樹(shù)脂體系，結(jié)論如下：樹(shù)脂的剛性越大，復(fù)合材料的ILSS就越大，ILSS越大，碳纖維浸膠紗表現(xiàn)出來(lái)的拉伸強(qiáng)度就越大。這是由于對(duì)于模量小，剛性弱的樹(shù)脂而言，當(dāng)絲束中較弱的纖維在應(yīng)力作用下斷裂時(shí)，通過(guò)樹(shù)脂的剪切應(yīng)力在鄰近的纖維上產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而纖維是逐漸斷裂的；當(dāng)樹(shù)脂的剛性很強(qiáng)時(shí)，在較低應(yīng)力下斷裂的纖維無(wú)法影響到周?chē)睦w維，只有當(dāng)整體應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，才會(huì)在斷裂碳纖維的附近產(chǎn)生纖維樹(shù)脂界面的剝離，纖維發(fā)生整體的同時(shí)斷裂，從而表現(xiàn)出較大的強(qiáng)度。Chen等考察了3種不同的環(huán)氧樹(shù)脂體系，它們與T800碳纖維形成的復(fù)合材料的ILSS從約70MPa到約100MPa，但是具有最高ILSS值的體系NOL環(huán)的拉伸強(qiáng)度并不是最高。這被認(rèn)為是由于樹(shù)脂黏度的影響。高黏度會(huì)影響其流動(dòng)性，從而影響到樹(shù)脂對(duì)碳纖維的浸潤(rùn)效果。通過(guò)加入稀釋劑降低樹(shù)脂體系的黏度，隨著黏度的降低，ILSS和NOL拉伸強(qiáng)度都有明顯的增加，兩者基本上具有正相關(guān)性。俄羅斯航空材料研究院的古尼亞耶夫研究了碳纖維性能與復(fù)合材料性能之間的關(guān)系。隨著界面結(jié)合強(qiáng)度的增加，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度是增加，當(dāng)界面結(jié)合強(qiáng)度超過(guò)某一數(shù)值后，復(fù)合材料的拉伸性能基本保持平穩(wěn)，甚至略有些下降。這一轉(zhuǎn)折點(diǎn)，就是基體樹(shù)脂的強(qiáng)度。當(dāng)界面結(jié)合強(qiáng)度小于基體樹(shù)脂強(qiáng)度時(shí)，增加界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料的各種性能都是有利的。但是，當(dāng)界面結(jié)合強(qiáng)度超過(guò)基體樹(shù)脂強(qiáng)度時(shí)，情況就變得稍微復(fù)雜，壓縮強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度仍會(huì)繼續(xù)增加，而斷裂韌性、沖擊韌性等都會(huì)降低。綜上所述，在較大的范圍內(nèi)，ILSS與復(fù)合材料所發(fā)揮出來(lái)的拉伸強(qiáng)度，即碳纖維的強(qiáng)度發(fā)揮率是正相關(guān)的，但是當(dāng)ILSS過(guò)大時(shí)，情況較為復(fù)雜。在碳纖維復(fù)合材料的拉伸破壞過(guò)程中，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生纖維局部損傷后，可能發(fā)生3種情況：①如果界面結(jié)合強(qiáng)度很低，纖維斷裂后會(huì)發(fā)生界面脫粘，斷面會(huì)沿纖維軸線延伸相當(dāng)長(zhǎng)的距離，這會(huì)產(chǎn)生很大的纖維無(wú)效長(zhǎng)度，不利于復(fù)合材料的性能發(fā)揮；②如果界面結(jié)合強(qiáng)度適中并且基體的模量較小，則復(fù)合材料將在不斷增加應(yīng)力的條件下按累積損傷方式破壞，即纖維陸續(xù)斷成多段，損傷達(dá)到一定程度后，微裂紋在不同平面連接導(dǎo)致最終破壞，此時(shí)能夠表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度；③如果界面粘結(jié)強(qiáng)度高并且基體模量高，復(fù)合材料整體性脆，則裂紋以脆性方式繞過(guò)纖維穿透基體，斷口齊平，脆性明顯，也不利于強(qiáng)度發(fā)揮。因此，復(fù)合材料的拉伸性能與界面層的應(yīng)力轉(zhuǎn)移效率密切相關(guān)，而應(yīng)力轉(zhuǎn)移的效率，主要取決于界面結(jié)合的強(qiáng)弱，此外也需要考慮界面相和樹(shù)脂基體的剛韌性，因?yàn)檫@些性能一起決定了復(fù)合材料的破壞模式，而不同的破壞模式對(duì)于復(fù)合材料的拉伸性能有非常重要的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

碳纖維與樹(shù)脂基體形成的界面層，對(duì)碳纖維在復(fù)合材料中的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化有重要的影響。上漿劑作為界面層的主要構(gòu)成部分，能夠提高碳纖維與樹(shù)脂的界面結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)減少纖維的工藝損傷。存在最佳的上漿量值，能夠使碳纖維與樹(shù)脂的結(jié)合強(qiáng)度最高。層間剪切強(qiáng)度ILSS較低時(shí)，碳纖維的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率隨ILSS值的增加而增加，但是當(dāng)ILSS較高時(shí)，其與碳纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系仍然存在爭(zhēng)議和不確定性。整個(gè)領(lǐng)域仍然存在較多的需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。文章來(lái)源：張明,張淑斌,顧紅星.界面對(duì)碳纖維拉伸強(qiáng)度轉(zhuǎn)化的影響[J].化工新型材料:1-7.

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