近日，美国橡树岭国家实验室（ORNL）提出了一种通过聚合物纳米纤维来增强碳纤维复合材料界面粘附性能的创新方法，在提升产品强度与降低成本方面表现出巨大潜力。

图中正在测试碳纤维与聚合物基体的粘附力

ORNL采用静电纺丝技术，将碳纤维前驱体聚丙烯腈在强电场作用下拉伸成宽度约200 nm的纳米纤维，并沉积在覆盖有碳纤维织物的旋转滚筒上。通过对电场强度、滚筒转速等工艺参数的精确调控，ORNL成功制备出一种既能与聚合物基体形成化学键合、又能与碳纤维实现机械嵌合的纳米纤维结构，形成了类似“桥梁”的界面连接机制，最终实现复合材料的拉伸强度提升50%，韧性翻倍。

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复合材料界面是增强体与基体材料之间形成的过渡区域。界面虽然在复合材料中的体积占比仅为1-3%，但对材料的整体性能起着至关重要的作用。研究复合材料界面问题是一个永恒的主题。

界面应力传递效应的本质是通过界面将外部载荷从基体高效传递至增强体，同时协调两相间的形变。微观角度看，界面的化学键合、机械互锁及本征特性决定了界面应力传递效率，宏观表现为材料的拉伸强度、抗弯强度、剪切强度、韧性等性能。

树脂基复合材料：界面活化与结构改性

树脂基复合材料的界面应力传递主要通过化学键合和机械互锁实现。在碳纤维增强环氧树脂基复合材料中，经氧化处理的碳纤维表面带有羟基（-OH）或者羧基（-COOH），可与树脂中的环氧基反应生成共价键（-O-CH2-CH(OH)-），其界面剪切强度从30 MPa增至65 MPa（微滴脱粘试验），拉伸强度提升约30%。

此外，对纤维表面进行上浆剂改性（如硅烷偶联剂KH-550），可以优化其与树脂浸润性，使接触角从80°降至10°，减少界面缺陷，同时KH-550分别与两相形成化学键合，提高界面强度。等离子体处理可以增加纤维表面粗糙度（Ra），使Ra从0.2 μm增至0.8 μm，从而提高界面的机械互锁效应。其中，咬合点是应力传递的关键位置，表面粗糙度越高，咬合点越多，基体在这些机械咬合点处发生微观变形，以实现应力的吸收、分散和传递。

陶瓷基复合材料：裂纹偏转与多层界面设计

对于陶瓷基复合材料，陶瓷本身的高脆性限制了其应用，界面改性主要以弱结合为核心，通过调控裂纹传递路径和应力传递效率，提升复合材料的断裂韧性。在碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基（SiCf/SiC）复合材料中，热解碳（PyC）涂层改性可使裂纹在界面处发生偏转，通过纤维拔出吸收能量，从而提高材料的韧性。单边缺口梁试验测得，PyC涂层改性SiCf/SiC的断裂韧性从5 MPa·m?/?提升至15-20 MPa·m?/?，其抗弯强度从250 MPa增至480 MPa。PyC的层状结构可使增强体与基体间发生有限滑移，在一定程度上缓解应力集中现象。

此外，PyC的热膨胀系数介于SiC纤维与SiC基体之间，可显著降低界面的热失配应力。这里还需要提到多层梯度界面设计，各层有针对性地解决不同性能问题，同时避免单一界面性能突变而导致的缺陷。在SiC/SiC复合材料中，依次引入PyC/BN/SiC梯度界面，PyC层提升界面的断裂韧性；BN涂层赋予材料较高的抗氧化性能，这是由于BN和SiC的氧化产物，B?O?和SiO?共同作用，形成连续的氧化膜，有效阻止了氧气的向内扩散；最外层SiC层具备高模量属性，以提高界面的抗热震性。在GE航空LEAP发动机验证中，应用PyC/BN/SiC梯度界面改性SiC/SiC复合材料，在1300 ℃燃气环境中寿命超5000小时，且较传统镍基合金减重40%。

金属基复合材料：界面润湿与化合物控制

金属基复合材料的问题在于界面相的本征特性及熔融金属的润湿性能。碳纤维增强铝基（CF/Al）复合材料在高温制备过程中可形成脆性化合物碳化铝（Al?C?），由于两相的热失配应力大，脆性界面Al?C?易产生裂纹并扩展，引发脆性断裂。在碳纤维表面涂覆一层高活性材料，可以显著改善CF/Al的界面性能。例如，通过化学气相沉积技术在碳纤维表面涂覆氮化钛（TiN）涂层，能够有效阻止碳纤维与铝基的直接接触，抑制Al?C?的生成。

化学镀镍（Ni）也是一种有效的改性方法，经化学镀镍处理的碳纤维在与铝基体复合后，可显著提高界面的结合强度（生成Al?Ni），同时减少Al?C?的形成。当镍涂层厚度为0.76 μm时，CF/Al复合材料的拉伸强度达到151.6 MPa，伸长率为11.7%，明显优于未涂层的复合材料。熔融金属浸润性差是导致金属基复合材料界面产生缺陷的又一重要因素。通过向铝基体中添加合金元素，如钛（Ti），可以改善熔融金属的润湿性。这是因为Ti原子具有较高的表面活性，能够在熔体表面富集，从而降低熔融金属的表面张力，减小其与碳纤维的接触角。