第十五章-复合材料的界面及界面优化设计

复合材料
第三部分 复合材料的增强材料
第十五章 复合材料的界面及界面优化设计
教学目的:通过本章的学习，掌握复合材料的界面及 作用，聚合物基复合材料的界面及改性方法，几种聚 合物基复合材料的形成和改善界面的途径，界面表征 的方式。 重点内容: 1、复合材料的界面及界面改性方法。 2、复合材料改善界面的途径。 难点:复合材料界面与性能的关系。 熟悉内容:复合材料界面的研究内容及方法。
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主要英文词汇：
Composite material---复合材料 Composite interface---复合材料界面 Residual stress of composite interface---复合材料界面 残余应力 Reaction of composite interface---复合材料界面反应 Modification of composite interface---复合材料的界 面改性 Mechanics of composite interface---复合材料界面力学
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Bonding strength of composite interface---复合材料界面 黏结强度 Optimum design of composite interface---复合材料界面 优化设计 Compatibility of composite interface---复合材料界面相 容性 Mechanics of composite---复合材料力学 Micromechanics of composite---复合材料细观力学
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参考教材或资料：
1、复合材料学----周祖福 （武汉理工大学出版社，2004年） 2、现代复合材料----陈华辉 邓海金 李 明 （中国物质出版社,1998） 3、复合材料概论----王荣国 武卫莉 （哈尔滨工业大学出版社,1999） 4、复合材料--------吴人洁（天津大学出版社,2000） 5、复合材料科学与工程---倪礼忠,陈麒(科学出版社,2002) 6、复合材料及其应用—尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社,2003） 7、高性能复合材料学---郝元恺,肖加余 (化学工业出版社,2004) 8、新材料概论--- 谭毅, 李敬锋(冶金工业出版社,2004) 9、先进复合材料----鲁 云 朱世杰 马鸣图 （机械工业已出版社,2004） 10、复合材料--------周曦亚（化学工业出版社,2005）
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15、复合材料的界面及界面优化设计
21世纪对材料要求多样化，复合材料开发有很大发 展，复合材料整体性能的优劣与界面结构和性能关系密 切。
15.1复合材料的界面概念
复合材料的界面是指基体与增强相之间化学成分有显 著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区 域。 复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域，约几个 纳米到几个微米。大量事实证明，复合材料的界面 复合材料的界面实质上 界面相 是纳米级以上厚度的界面层(Interlayer)或称界面相 (Interphase)。
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1、外力场 2、基体 3、基体表面区 4、相互渗透区 5、增强剂表面区 6、增强剂 界面特征 必然性:复合材料是两种或两种以上材料组成的新型材料，就 必然性: 具有界面的存在 复合材料的关键 首先界面是基体和增强材料的结合处，即二者的分子在界面 形成原子作用力。 其次，界面又作为基体和增强材料之间传递载荷的媒介或过 渡带。
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界面：增强体和基体接触而构成。是一层具有一定厚度
（纳米以上）、结构随基体和增强体而异的，与基体有明 显差别的新相（界面相、界面层）。 界面的作用：是增强相和基体连接的纽带，也是应力及其 它信息传递的桥梁。 界面为复合材料极为重要的微结构，其结构与性能直 接影响了复合材料的性能。 增强体（纤维、微纤、晶须、颗粒）与基体在成型过 程中发生不同相互作用和界面反应，形成了各种界面结 构。 界面的研究内容：界面的形成过程，界面的性质，界 面的粘合，应力传递行为对宏观力学性能影响规律。
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界面的性能研究： ---聚合物基复合材料：涉及化学反应，比较复杂；界面的
界面在复合材料中的必然性与重要性
硬化、强化——跨越界面的载荷传递 韧性——裂纹的偏转，纤维的拔出 塑性——界面附近峰值应力的松弛
要求：高粘结强度（可有效把载荷传递给纤维），对环境破坏 具有良好的抵抗能力。
---金属基复合材料：通常需要有适中的粘结界面；界面处
的塑性行为可能是有益的。 控制组元之间在成型时或在高温工作条件下的化学反应； 控制组元之间化学反应要比避免环境破坏更为重要。 界面效应影响因素：增强体与基体两相材料之间的湿润、吸 附、相容等热力学问题；两相材料自身的结构、形态及物理、 化学等性质有关；界面形成过程中的诱导发生的界面附加应力 有关；复合材料成型时两相材料相互作用和界面的反应程度有 关。
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15.2 界面效应及界面结合强度 界面黏结强度的重要性： PMC——高的界面强度，有效地将载荷传递给纤维 PMC——高的界面强度，有效地将载荷传递给纤维 CMC——界面处能量的耗散 CMC——界面处能量的耗散 MMC——强的界面，有益的非弹性过程 MMC——强的界面，有益的非弹性过程 15.2.1 界面效应
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种 效应： （1）传递效应：界面可将复合材料体系中基体承受的外力 传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。 （2）阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻 止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。 （3）不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界 面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性和磁 场尺寸稳定性等。
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（4）散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在 界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械 冲击性等。 （5）诱导效应：一种物质（通常是增强剂）的表面结构使另 一种（通常是聚合物基体）与之接触的物质的结构由于诱导 作用而发生改变，由此产生一些现象，如强弹性、 低膨胀 性、耐热性和冲击性等。 ★ 界面效应是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合 材料具有重要的作用。
15.2.2 界面的结合状态和强度
界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响。对 于每一种复合材料都要求有合适的界面结合强度。 界面结合较差的复合材料大多呈剪切破坏，且在材料的断 面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象。 界面结合过强的复合材料则呈脆性断裂，也降低了复合材 料的整体性能。 界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时，裂纹能转化为区 域化而不进一步界面脱粘；即这时的复合材料具有最大断裂能 和一定的韧性。
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由于界面区 界面区相对于整体材料所占比重甚微，欲单独对某一 性能进行度量有很大困难。 因此常借于整体材料的力学性能 整体材料的力学性能来表征界面性能，如层间 层间 剪切强度(ILSS)就是研究界面粘结的良好办法； 剪切强度 如再能配合断裂形貌分析 断裂形貌分析等即可对界面的其他性能作较深 入的研究。 通过力学分析 力学分析可看出，界面性能较差的材料 界面性能较差的材料大多呈剪切破 坏，且在材料的断面可观察到脱粘 纤维拔出、纤维应力松弛 脱粘、纤维拔出 纤维应力松弛 等现象。 但界面间粘结过强的材料 界面间粘结过强的材料呈脆性也降低了材料的复合性 能。
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界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时，这一裂纹能转为 这一裂纹能转为 界面最佳态 区域化而不产生近一步界面脱粘。 区域化而不产生近一步界面脱粘 即这时的复合材料具有最大断裂能 一定的韧性。 最大断裂能和一定的韧性 由此可见，在研究和设计界面 研究和设计界面时，不应只追求界面粘结 界面粘结而 应考虑到最优化和最佳综合性能 最优化和最佳综合性能。 例如，在某些应用中，如果要求能量吸收 纤维应力很大 能量吸收或纤维应力很大 时，控制界面的部分脱粘也许是所期望的，用淀粉或明胶作为 增强玻璃纤维表面浸润剂的E粗纱已用于制备具有高冲击强度 E 粗纱 的避弹衣。
由于界面尺寸很小 不均匀、化学成分及结构复杂 力 界面尺寸很小且不均匀 化学成分及结构复杂、力 学环境复杂、对于界面的结合强度、界面的厚度、界面的应力 学环境复杂 状态尚无直接的、准确的定量分析方法；所以，对于界面结合 状态、形态、结构以及它对复合材料性能的影响尚没有适当的 试验方法，通常需要借助拉曼光谱 电子质谱、红外扫描 x 拉曼光谱、电子质谱 红外扫描、x 衍射等试验逐步摸索和统一认识；另外，对于成分和相结构 成分和相结构也 衍射 很难作出全面的分析。 因此，这今为止，对复合材料界面的认识 界面的认识还是很不充分 的，不能以一个通用的模型 通用的模型来建立完整的理论。 尽管存在很大的困难，但由于界面的重要性 界面的重要性，所以吸引着 大量研究者致力于认识界面的工作，以便掌根其规律。
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15.3 复合材料组分的相容性和界面理论
15.3.1 复合材料的相容性 (1) 物理相容性： ------基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷 均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续 现象。 ------由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力 不应在增强剂上形成高的局部应力。 ------基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界 面结合及各类性能产生重要的影响。
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★ 对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。 这是因为热膨胀系数较高的相，从较高的加工温度 冷却时将受到张应力； ★ 对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于 抗拉强度，处于压缩状态比较有利。 ★ 而对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求 避免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差 太大。
(2) 化学相容性： ★ 对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的， 其两相化学势相等，比表面能效应也最小。 ★ 对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。 1）相反应的自由能 ? F： 小 2）化学势U： 相近 3）表面能T： 低 4）晶界扩散系数D： 小
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15.3.2 复合材料的界面理论
粘结(或称粘合、粘着、粘接)是指不同种类的两种材料 相互接触并结合在一起的一种现象。 当基体浸润增强材料后，紧接着便发生基体与增强材料 的粘结(Bonding)。 (1) 界面润湿理论 界面润湿理论是基于液态树脂对纤维表面的浸润亲和， 即物理和化学吸附作用。 浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集 中，使界面强度下降。良好的或完全浸润可使界面强度大大 提高，甚至优于基体本身的内聚强度。
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在制备聚合物基复合材料 聚合物基复合材料时，一般是把聚合物 聚合物(液态树脂) 均匀地浸渍或涂刷在增强材料上。 树脂对增强材料的浸润性是指树脂能否均匀地分布在增强 树脂对增强材料的浸润性 材科的周围，这是树脂与增强材料能否形成良好粘结的重要前 提。 在制备金属基复合材料 金属基复合材料时，液态金属对增强材料的浸润 性，则直接影响到界面粘结强度 界面粘结强度。 浸润性是表示液体在固体表面上铺展的程度 液体在固体表面上铺展的程度。 浸润性
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好的浸润性意味着液体(基体)将在增强材料上铺展开来， 好的浸润性 并覆盖整个增强材料表面。 假如基体的粘度 基体的粘度不是太高，浸润后导致体系自由能降低的 话，就会发生基体对增强材料的浸润 基体对增强材料的浸润。 一滴液体滴落在一固体表面 固体表面时，原来固--气接触界面 固 --气接触界面将被 一滴液体 液--固界面 液--气界面 --固界面和液--气界面所代替，用 的能量)。 γLG 、γSG 、γSL分别代表 液--气、固--气和固--液的比表面能或称表面张力(即单位面积
按照热力学条件 热力学条件，只有体系自由能减少时， 液体才能铺展开来，即
γSL+γLG<γSG
因此，铺展系数SC(Spreading Coefficient)被定 铺展系数SC 义为：
SC = γ SG ? (γ SL + γ LG )
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只有当铺展系数SC＞0时，才能发生浸润 铺展系数SC＞ 发生浸润。不 完全浸润的情况如下图所示，根据力平衡，可得：
γ SG = γ SL + γ LG COS θ
式中θ称为接触角。
（a）不完全浸润
θ = COS ?1[(γ SG ? γ SL ) / γ LG ]
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（b）不浸润 不完全浸润(a)和不浸润(b)情况示意图
由θ可知浸润的程度 浸润的程度。 θ ＝0o时，液体完全浸润固体； θ ＝180o时，不浸润； 0o＜ θ ＜180o时，不完全浸润(或称部分浸润)， 随角度下降，浸润的程度增加。 θ ＞90o时常认为不发生液体浸润。
对于一个结定的体系，接触角 接触角随着温度、保持时间、吸 附气体等而变化。 浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触时的情况 液体与固体发生接触时的情况，而并 不能表示界面的粘结性能 界面的粘结性能。 一种体系的两个组元 两个组元可能有极好的浸润性 极好的浸润性，但它们之间的结 合可能很弱，如范德华物理键合形式。 因此良好的浸润性 良好的浸润性，只是两个组元间可达到良好粘结的 必要条件，并非充分条件。
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(2) 机械作用理论： 当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不平将发生机械互锁 [interlocking) 。 根据力的合成 ： γL cos θ = γS - γ SL 粘合功可表示为：WA = γS + γL - γ SL= γL（1+ cos θ ） 粘合功WA最大时： cos θ =1，即θ = 0， 液体完全平铺在固体表面。 同时： γ = γS L , γS = γL 尽管表面积随着粗糙度增大而增大，但其中有相当多的 孔穴，粘稠的液体是无法流入的。无法流入液体的孔不仅造 成界面脱粘的缺陷，而且也形成了应力集中点。
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润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条件。
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( 3) 静电理论： 当复合材料不同组分表面带有异性电荷时，将发生静电吸 引。 仅在原子尺度量级内静电作用力才有效 。
(5) 界面反应或界面扩散理论 在复合材料组分之间发生原子或分子间的扩散或反应，从 而形成反应结合或扩散结合。
(4) 化学键理论： 在复合材料组分之间发生化学作用(chemical bonding) ，在 界面上形成共价键结合。 在理论上可获得最强的界面粘结能 （210 - 220 J / mol）。
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界面粘结机理示意图
聚合物的反应粘结（reaction bonding）
15.3.3 界面残余应力及其表征 (A) 界面残余应力可以通过对复合材料进行热处理，使界面松 (1) 界面残余应力 弛而降低，但受界面结合强度的控制，在界面结合很强的情况 下效果不明显。 复合材料成型后，由于基体的固化或凝固发生体积收缩或 膨胀（通常为收缩），而增强体则体积相对稳定使界面产生内 应力，同时又因增强体与基体之间存在热膨胀系数的差异，在 不同环境温度下界面产生热应力。这两种应力的加和总称为界 面残余应力。 (B) 界面残余应力的存在对复合材料的力学性能有影响，其利 弊与加载方向和复合材料残余应力的状态有关。已经发现，由 于复合材料界面存在残 余应力使之拉伸与压缩性能有明显差 异。
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15.4 复合材料的增强机制和复合规律
(2) 界面残余应力的测量 主要方法X射线衍射法和中子衍射法。 ★ 中子的穿透能力较X射线强，可用来测量界面内应力；其 结果是很大区域的应力平均值。 ★ X射线衍射法只能测定样品表面的残余应力。 目前，应用最广泛的仍是传统的X射线衍射法。
15.4.1 复合材料增强机制 (1) 颗粒增强复合材料增强机制
基体和颗粒共同承受外来载荷；颗粒起着阻碍基体位 错运动的作用，从而降低了位错的移动 性。另外，复合 材料中的裂纹的扩展在颗粒前受阻，发生应力钝化或扩展 路径发生偏转，同样可以消耗较多的断裂能，提高材料的 强度。
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颗粒增强复合材料的屈服强度可有下式表示： (2) 弥散增强复合材料增强机制
1 3GmGP bVP 2 2d（ －VP）C 1
基体是承受外来载荷的主要相；颗粒起着阻碍基体位 错运动的作用，从而降低了错的流 动性。另外，复合材 料中的裂纹的扩展在颗粒 前受阻，发生应力钝化或扩展 路径发生偏转，同样可以消耗较多的断裂能，提高材料 的强度。
σ y＝
式中：
σy －复合材料屈服强度；Gm －基体的切变模量； b － 为柏氏矢量； d － 颗粒直径；C － 常数 VP － 颗粒体积分数； Gp －颗粒的切变模量。
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弥散增强复合材料的屈服强度可由下式表示：
(3) 纤维（包括晶须、短纤维）复合材料增强机制
基体通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶须、纤 维等），不是主承力相。 纤维承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。 受力分析如下： 假定：纤维、基体理想结合，且松泊比相同； 在外力作用下，由于组分模量的不同产生了不同形 变（位移），在基体上产生了剪切应变，通过 界面将外力传递到纤维上。
σy =
Gm ? b ? 2d 2 ? 2 ? ? ? 3V ? ? (1 ? VP ) ? P?
1
式中： σy －复合材料屈服强度；Gm －基体的切变模量； b － 为柏氏矢量； VP － 颗粒体积分数。
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d － 颗粒直径；
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短纤维增强复合材料的拉伸强度可由下式表示：
? σ F = σ fF ? 1 ?
? ?
lc ? ? ?V f ＋σ m 1 ? V f 2l ?
(
)
式中：σm* －与纤维的屈服应变同时发生的基体应力； σfF －纤维的平均拉伸应力； Vf －纤维的体积分数； l －纤维的长度； lc －最大拉应力等于纤维断裂强度时纤维的强度， 纤维的临界长度。
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分析上式可得：
（1）l / lc愈大，复合材料的拉伸强度愈大。 当l / lc＝10时， 增强效果可达到连续纤维的95%。 （2）引入纤维直径d ，
裂纹扩展时界面剥离的机理
(a)裂纹向界面接近
（l /d ）c 为纤维临界长径比 ，
当（l /d ）c ≥ 10 时， 复合材料可获得理想的增强效果。
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(b)主裂纹尖端的界面剥离 (c) 主裂纹与剥离界面的合体
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裂纹扩展
15.4.2 复合材料的复合法则—混合定律 ----混合定律 （不考虑界面效应时）
当复合材料满足以下条件: (连续纤维增强）
a. 无界面剥离与滑动
（1）复合材料宏观上是均质的，不存在内应力； （2）各组分材料是均质的各向同性及线弹性材料； （3）各组分之间粘结牢靠，无空隙，不产生相对滑移。
b. 界面滑动
复合材料力学性能同组分之间的关系 Xc = Xm Vm + XfVf 或 Xc = XfVf + Xm（1 - Vf） 式中： X：材料的性能，如强度、弹性模量、密度等； V：材料的体积百分比； 下脚标 c、m、f 分别代表复合材料、基体和纤维。
c. 界面剥离
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----短纤维增强复合材料 ----连续纤维单向增强复合材料
弹性模量 、抗张强度、泊松比、剪切强度等性能均符 合混合定律。 如果考虑界面效应，通常是在纤维的影响因子前面乘 以一个系数。 在平行于纤维长度方向的强度计算，主要考虑基体的 强度和纤维与基体的结合强度。
短纤维复合材料的强度与纤维长度的关系示意图
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15.5 聚合物基复合材料的界面及改性方法 15.5.1 改善聚合物基复合材料的原则： 1、改善基体对增强材料的浸润程度；
热塑性基：熔体与增强材料之间的接触和润湿；复合材料 体系冷却凝固成型。 问题：熔体粘度高，很难通过纤维束中的单根纤维之间的 狭小缝隙而渗透到所用的单根纤维的表面。 改善：延长浸渍时间，加大压力，降低熔体粘度，改善增 强材料织物结构等。
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热固性基复合材料：基体树脂粘度低，又可溶于溶剂中， 有利于相互浸润， 常用的改善工艺：预先形成预浸料。 浸润要求：基体对增强材料充分浸润，使界面不出现空隙 和缺陷，如界面不完整会导致界面应力集中及传递载荷能 力降低，影响复合材料的力学性能。
2、 适度的界面粘结
界面粘结方式： 物理机械结合，通过等离子刻蚀或化学腐蚀，使增强体表 面凹凸不平，基体扩散嵌入凹坑，缝隙，微孔中，起锚固 作用。
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化学结合，即基体与增强体之间形成化学键，方法：设法 使增强体表面带有极性基团，使之与基体间形成化学键或 其它作用力（如氢键）。 界面的粘结，影响了应力传递效果，并影响了材料的性 能。 如果界面粘结太弱，复合材料在应力作用下，容易发生界 面的脱粘破坏，纤维不能很好的发挥增强作用。 纤维增强体的表面处理后，可以提高材料的层间的剪切强 度，改善拉伸强度和模量，但会导致材料的冲击韧性下 降。
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冲击能量的耗散通过以下方式：界面脱粘；纤维的拨出； 增强体与基体之间的磨察；界面的可塑性形变。 如果界面粘结太强，在应力作用下，材料破坏过程中正增 长的裂纹容易扩散到界面，直接冲击材料而发生脆性断 裂。 如果界面的粘结强度适当，使增强材料的裂纹沿着界面扩 展，形成了曲折的路径，耗散较多的能量，则可提高韧 性。 结论：不能因为了提高材料的拉伸、抗弯曲强度而片面的 提高界面的粘结强度，因从综合的性能出发，设计适度的 界面粘结。
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3、减少成型时形成的残余应力。
形成原因：两相的热导率，热膨胀系数，弹性模量，泊 松比等差异，造成成型时界面处形成了热应力，成型时 如果得不到松弛，成为界面残留应力。 界面处的残余应力：使传递应力能力下降，性能下降。 改善：如果两相引入可产生形变的界面层，界面层在应 力的作用下可吸收导致微小裂纹增长的能量，抑制裂缝 沿着尖端扩展，可形变界面层能有效地松弛界面残余应 力。
4、调节界面内应力、减缓应力集中。
复合材料受力时，产生的应力在材料中分布是不均匀 的，界面某些较强的部位常聚集比平均应力高得多的应 力。 界面不完整性和缺陷也会引起界面处的应力集中。 应力集中的结果：首先会引起集中点的破坏，形成新裂 纹，并引起新的应力集中，使界面传递应力的能力下 降。 改善：引入柔性的界面层，可使集中于界面处的应力得 到分散，使应力均匀地传递。
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15.5.2 几种聚合物基复合材料的形成和改善界面途径 1、原位复合界面
加入两性相容剂（增容剂） 如在液晶/PA基体，加入相容剂，与两相分别构成接枝共 聚物，并成为相间界面。 相容剂的作用：降低了界面张力，优化了界面的粘结性 能，改善了应力的传递。
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2、刚性粒子增韧聚合物
需聚合物对刚性粒子有良好的浸润性，有利于提高刚性粒 子在熔体中的分散速度和分散能量； 要具备适应的界面粘附强度，界面层有一定的厚度和形变 能力，当受到外力作用时，界面层自身可以形变和诱导基 体产生形变，以耗散有效断裂能。 例如：改善PP/高岭土复合体系 加入柔性分子链改性剂，冲击强度提高很大。 例如：硬性粒子增韧环氧树脂时，加入二乙烯基苯交联 剂，机理：先发生塑性形变，而后脱粘。
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B:在纤维表面涂覆界面层。
3、玻璃纤维增强复合材料的界面
该复合材料中起承担载荷作用的主要是纤维，为发挥作 用，界面改善。 A:纤维表面的偶联剂改性处理 目前玻璃纤维是复合材料中用量最大的增强体，界面改善 一般采用硅烷偶联剂，偶联的机理为：
4、增强体的表面改性
处理原因：增强体的表面由于界面能低，呈现化学惰 性，表面被污染以及存在弱边界层，因而影响了基体树 脂的湿润性和粘结性。 连续化改性方法有： --等离子改性，被改性的表面5-10纳米薄层起到物理或化 学变化，不影响基体的性能； --电化学改性（电解氧化，电聚合改性）；
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R ? (CH 2 ) nSiX 3
R-有机官能团，根据基体而确定。 R-有机官能团，根据基体而确定。 n=0-3 X-可水解的基团，? Cl ,?O (OCH 3 ),?OR,? N (CH 3 ) 2
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--辐射改性（高能射线：高能电子束，X射线等）； --光化学改性，如玻璃纤维/PP； PP+顺丁烯酸酐，通过紫外光，形成接枝聚合物； --超声波表面改性：使树脂中微小的气泡崩溃而空 化； 如在纤维/环氧树脂复合材料中，超声波负压可抽吸纤维 界面杂质；但超声波过大时，产生气蚀作用，引入更多 的气泡，性能下降； --臭氧氧化法：活性氧与碳纤维表面不饱和碳发生反应。
15.6 复合材料的界面表征 1、界面形态及界面层结构的表征
形态：计算机图像处理技术研究聚合物基复合材料的界 面形态，包括界面的形态和厚度。 对于TEM分析，界面层次更清晰。 结构：例如用Raman光谱分析表征了界面层的结构及官 能团的变化。
2、界面结合强度的表征
--界面结合强度测试法：采用界面微脱离法，在显微镜下 用金刚石探针对复合材料中选定的单根纤维的端部施加 轴向载荷，使之在一定深度内与基体脱粘记录压力。
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顶出法测试界面剪切强度。 --声显微技术：可研究光学不透明材料的表面、亚表面状 态和性质，而且可以观察材料内部的结构和性质，界面力 学不均匀性，相当于照片中明暗相间的图案。 --单纤维拔出测试法。对样埋置深度有要求。 --声发射技术：测试纤维的临界断裂强度，了解断裂段长 度分布，还可测试界面强度。 --SEM下进行动态加载观察断裂过程（配置拉伸装置的 SEM），直接观察、跟踪界面裂纹萌发、扩展、断裂的全 过程。
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--扭辫分析表征界面效应，扭辫分析支撑体辫子表面对被 测试物有活性，可形成界面键，有界面效应。 --宏观测试技术。万能拉伸机、特殊夹具测试。
3、衍射法对界面残余应力的表征。
困难，原因：界面层很薄；基体有透明、不透明之分。 方法：X射线衍射法，中子衍射法。
4、增强体表面性能的表征
--X光电子能谱（XPS）：研究固态材料表面与性能的先进 技术，表面元素分析、官能团的结构、性能变化等测试。
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--扫描隧道显微镜对表面性质的表征（形貌、粗糙情况 等）。 --以表面力显微镜对界面表征，研究了解界面力的分布。
作业题： 1、复合材料界面的定义及作用。 2、改善聚合物基复合材料的界面原则。 3、改善聚合物基复合材料的形式及途径。 4、界面表征的内容。
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