● 摘要
界面对复合材料综合性能的发挥起着至关重要的作用，碳纤维/热固性树脂复合材料的界面产生于其制备过程，目前很难通过实验手段原位地研究界面的形成机理，且由于界面尺度小、作用机制复杂，已有的界面力学分析缺乏纳米和分子尺度上的实验数据支持，尤其缺乏准确的定量依据。基于此，必须对碳纤维/树脂复合材料界面的形成过程、微结构和物理化学性质有深入的认识。此外，影响碳纤维与树脂界面的因素众多，如何将各种因素关联，综合分析界面的作用机制及其敏感性影响作用仍有待研究。本文即针对这一背景，重点对碳纤维增强树脂基复合材料界面微结构、界面作用机制和界面形成及控制规律开展实验研究与模拟分析，为国产碳纤维的改性和碳纤维复合材料的界面分子级优化设计提供理论与实验依据。
首先，分别采用聚焦离子束、离子减薄和超薄切片三种制样方法制备T300/5228环氧复合材料透射电镜试样，并结合EELS对复合材料界面的微结构、化学组成、化学键和厚度进行了定性和定量研究，并对比分析了三种制样方法的适用性。研究表明，T300/5228环氧复合材料界面是介于无定形结构树脂本体到纳米晶结构的碳纤维之间的过渡区域，厚度约为200 nm，O/C比由树脂本体经界面到纤维本体逐渐降低，N/C比在界面区和纤维皮层基本不变。聚焦离子束适合界面形貌和化学性质分析，而离子减薄法适合界面形貌和结构分析。
其次，系统分析了国内外8种T700级和T800级碳纤维表面微特性及其与典型环氧和双马树脂的界面作用机制。研究发现，碳纤维与树脂的界面粘结强度与两者的浸润性以及上浆剂和树脂间的化学反应呈正相关关系，而上浆剂自身反应活性、纤维表面粗糙度以及纤维表面氧含量与界面粘结强度弱相关。8种纤维表面上浆剂主成分均为环氧树脂，且在200oC具有化学反应活性，环氧类上浆剂有利于提高纤维与环氧树脂的浸润性和界面粘结，但对双马体系影响较复杂。
以碳纤维复合材料成型过程的相关基础问题为依据，建立了碳纤维/环氧复合材料界面微区形成过程的分子模拟方法，该方法可以模拟分析工艺条件下各组分扩散形成梯度分布的动态过程。模拟结果表明，体系中的化学成分分布规律主要取决于化学反应前的扩散阶段，升高温度可有效促进体系中各组分的相扩散速率，延长时间可明显改变微结构区域组分的梯度分布规律；标准工艺条件下，界面微区靠近纤维表面的局部区域仍有未完全反应的环氧基团，界面区的交联密度低于树脂本体，且纤维表面上浆层越厚，界面过渡区的交联点密度较低，官能团的梯度分布距离较宽。
复合材料界面产生于其制备过程，因此进一步研究了工艺温度对国产碳纤维/韧性环氧树脂复合材料宏微观界面的影响。结果表明，相同固化温度下，较快的升温速率使复合材料宏微观界面性能均较高，分别提高了5% 和25%，从增长幅度看，升温速率对碳纤维单丝复合体系界面剪切强度的影响大于其对复合材料层间剪切强度的影响。
温度和湿度是最常见的环境因素，碳纤维在储存过程中可能会存在表面氧化、吸湿和上浆剂失活等问题。因此，分别采用温度和吸湿处理模拟碳纤维储存的相关环境，研究温度和吸湿处理碳纤维对复合材料界面性能的影响。研究发现，碳纤维经200oC/2 h热处理后，其与环氧树脂的界面剪切强度提高了10%左右，界面模量增加，同时伴随着界面厚度减小；碳纤维经吸湿饱和后，其与环氧树脂的界面剪切强度降低，且未氧化裸纤体系的界面性能降低幅度最大。