第1章界面的形成和界面的作用

1.1界面和界相002

1.2界面的形成機理003

1.2.1物理結合003

1.2.2化學結合009

1.3界面的作用011

1.4增強機制014

1.4.1理論預測014

1.4.2實驗研究018

1.5增韌機制020

1.5.1脫結合和拉出020

1.5.2裂紋轉向022

1.5.3裂紋釘扎024

1.5.4裂紋搭橋026

1.5.5微開裂和塑性區分支028

1.5.6裂紋尖端鈍化028

1.5.7增韌機制的表征029

1.6界面設計031

1.6.1基體改性032

1.6.2增強體表面改性032

參考文獻036



第2章復合材料界面的微觀結構

2.1概述040

2.2界面斷裂面的SEM表征041

2.2.1二次電子成像襯度機理041

2.2.2試樣準備043

2.2.3界面斷裂面的形貌結構044

2.3界面微觀結構的TEM表征048

2.3.1透射電子成像的襯度機理048

2.3.2選區電子衍射052

2.3.3試樣準備053

2.3.4陶瓷基復合材料界面055

2.3.5金屬基復合材料界面061

2.3.6聚合物基復合材料界面063

2.4界面微觀結構的AFM表征064

2.4.1基本原理066

2.4.2操作模式和成像模式067

2.4.3試樣準備和圖像偽跡079

2.4.4碳纖維增強復合材料的界面080

2.4.5聚合物纖維增強復合材料的界面086

2.4.6玻璃纖維增強復合材料的界面091

2.4.7納米復合材料的界面096

2.5界面微觀結構的拉曼光譜表征099

2.5.1界面碳晶粒的大小和有序度100

2.5.2界面組成物的形成102

2.5.3界面組成物的分布103

2.6界面的成分分析105

2.6.1特征X射線和熒光X射線分析106

2.6.2背散射電子分析109

2.6.3俄歇電子分析110

2.6.4X射線光電子能譜分析112

參考文獻114



第3章復合材料界面微觀力學的傳統實驗方法

3.1概述118

3.2單纖維拉出試驗119

3.2.1試驗裝置和試樣制備119

3.2.2數據分析和處理122

3.3微滴包埋拉出試驗124

3.3.1試驗裝置和試樣制備124

3.3.2數據分析和處理126

3.3.3適用範圍129

3.4單纖維斷裂試驗130

3.4.1試樣制備和試驗裝置131

3.4.2數據分析和處理132

3.4.3適用範圍133

3.5纖維壓出試驗135

3.5.1數據處理135

3.5.2適用範圍139

3.6彎曲試驗、剪切試驗和Broutman試驗139

3.6.1橫向彎曲試驗139

3.6.2層間剪切試驗140

3.6.3Broutman試驗141

3.7傳統試驗方法的缺陷141

參考文獻142



第4章界面研究的拉曼光譜術和熒光光譜術

4.1概述146

4.2拉曼光譜和熒光光譜146

4.2.1拉曼效應和拉曼光譜146

4.2.2拉曼峰特性與材料微觀結構的關繫149

4.2.3熒光的發射和熒光光譜152

4.3纖維應變對拉曼峰頻移的影響154

4.3.1壓力和溫度對拉曼峰參數的影響154

4.3.2拉曼峰頻移與纖維應變的關繫154

4.4熒光峰波數與應力的關繫156

4.4.1熒光光譜的壓譜效應156

4.4.2單晶氧化鋁的壓譜繫數及其測定156

4.4.3多晶氧化鋁纖維熒光峰波數與應變的關繫159

4.4.4玻璃纖維熒光峰波長與應變/應力的關繫162

4.5顯微拉曼光譜術164

4.5.1拉曼光譜儀164

4.5.2顯微繫統166

4.5.3試樣準備和安置167

4.6近場光學拉曼顯微術168

4.7拉曼力學傳感器174

4.7.1碳納米管拉曼力學傳感器174

4.7.2二乙炔-聚氨酯共聚物拉曼力學傳感器176

4.7.3石墨烯拉曼力學傳感器176

4.8彎曲試驗178

4.8.1四點彎曲178

4.8.2三點彎曲179

4.8.3懸臂梁彎曲179

參考文獻180



第5章碳纖維增強復合材料

5.1碳纖維表面的微觀結構184

5.2碳纖維形變微觀力學189

5.3碳纖維/聚合物復合材料的界面192

5.3.1熱固性聚合物基復合材料192

5.3.2熱塑性聚合物基復合材料198

5.4C/C復合材料的界面201

5.5碳纖維復合材料的應力集中205

5.5.1應力集中和應力集中因子205

5.5.2碳纖維/環氧樹脂復合材料的應力集中208

5.6裂縫與纖維相互作用引起的界面行為210

5.6.1纖維搭橋技術210

5.6.2搭橋纖維與裂縫的交互微觀力學213

5.7變溫拉曼光譜術217

5.7.1碳材料的變溫拉曼研究217

5.7.2樹脂基體的熱運動219

5.7.3復合材料內部的微觀應力變化221

參考文獻223



第6章碳納米管增強復合材料

6.1概述228

6.2碳納米管形變行為的拉曼光譜響應230

6.3碳納米管/聚合物復合材料的界面結合和應力傳遞236

6.3.1界面應力傳遞236

6.3.2界面結合物理242

6.3.3界面結合化學244

6.4碳納米管/聚合物復合材料的界面能248

參考文獻251



第7章石墨烯增強復合材料

7.1概述254

7.2石墨烯的拉曼峰行為對應變的響應257

7.2.1實驗方法257

7.2.2峰頻移與應變的函數關繫259

7.3界面應力傳遞262

7.3.1Cox模型剪切－滯後理論的有效性262

7.3.2應變分布和界面剪切應力263

7.3.3石墨烯尺寸266

7.3.4應變圖266

7.3.5壓縮負載下的界面應力傳遞268

7.3.6石墨烯片層數272

7.4聚二甲基硅氧烷（PDMS）基納米復合材料的界面應力傳遞278

7.5氧化石墨烯納米復合材料的界面應力傳遞282

參考文獻284





第8章玻璃纖維增強復合材料

8.1概述288

8.2玻璃纖維增強復合材料的界面應力289

8.2.1間接測量法289

8.2.2直接測量法295

8.3界面附近基體的應力場296

8.4纖維斷裂引起的應力集中299

8.5光學纖維內芯/外殼界面的應力場302

參考文獻305



第9章陶瓷纖維增強復合材料

9.1概述308

9.2陶瓷纖維的表面處理309

9.2.1塗層材料和塗覆技術309

9.2.2碳化硅纖維的表面塗層310

9.2.3氧化鋁纖維的表面塗層313

9.3陶瓷纖維的形變微觀力學314

9.3.1碳化硅纖維和碳化硅單絲314

9.3.2應變氧化鋁纖維的拉曼光譜行為320

9.3.3應變氧化鋁纖維的熒光光譜行為322

9.4碳化硅纖維增強復合材料的界面行為323

9.4.1碳化硅纖維/玻璃復合材料323

9.4.2壓縮負載下SiC/SiC復合材料的界面行為328

9.4.3纖維搭橋331

9.5氧化鋁纖維增強復合材料的界面行為334

9.5.1氧化鋁纖維/玻璃復合材料334

9.5.2氧化鋁纖維/金屬復合材料344

9.5.3纖維的徑向應力347

9.5.4纖維間的相互作用353

9.6陶瓷纖維復合材料的熱殘餘應力356

9.6.1理論預測356

9.6.2實驗測定357

參考文獻360



第10章高性能聚合物纖維增強復合材料

10.1高性能聚合物纖維的形變364

10.1.1芳香族纖維和PBO纖維的分子形變364

10.1.2超高分子量聚乙烯纖維的分子形變369

10.1.3分子形變和晶體形變372

10.2界面剪切應力373

10.2.1概述373

10.2.2芳香族纖維/環氧樹脂復合材料375

10.2.3PBO纖維/環氧樹脂復合材料377

10.2.4PE纖維/環氧樹脂復合材料382

10.3纖維表面改性對界面行為的作用384

10.3.1PPTA纖維表面的化學改性384

10.3.2PE纖維的等離子體處理386

10.4裂縫與纖維相互作用引起的界面行為387

參考文獻390

本書在《復合材料界面》（化學工業出版社，2010年出版）一書基礎上進行編寫，沿用了原本的結構和框架，增補了近年來這一領域的重要研究成果，對某些內容則做了刪節，篇幅增加約50%。為了與全書內容更為貼切，將書名確定為“復合材料的界面行為”。

近年來，研究人員對界面在復合材料增強和增韌中所起的作用做了更為深入的研究，取得了重要研究成果，本書第1章主要增補了這方面的內容。此外，第1章還增補了有關界面設計的內容，包括界面改性和增強體表面改性。第2章涉及復合材料界面的微觀結構及其表征方法和技術，主要增補了近年來獲得廣泛應用的原子力顯微術在探索復合材料界面結構方面的主要技術和獲得的重要成果。第3章增加了單纖維拉出試驗的一個實例，敘述了試樣的制備過程。近場光學的應用是近年來拉曼光譜術獲得的重大進展，它使顯微拉曼光譜術的空間分辨率從目前的微米級大幅提高到納米級，將很有可能在復合材料界面研究上獲得新的突破，因而在第4章增補了近場光學顯微拉曼術的相關內容。第5章討論了碳纖維增強復合材料微觀力學，近獲得的有關纖維搭橋和變溫下的界面行為的研究成果很有理論和應用價值，該章增補了相關的研究內容。石墨烯納米復合材料是當前材料科技領域的研究熱點，己有大量的文獻報道了這類復合材料界面行為的研究成果，一些重要內容被增補在第7章中。其餘各章則有少量刪節和修正。

本書的完成得到諸多同事和親友的鼓勵和支持，程朝歌、宋雲佳、賈立雙、夏銘等博士、碩士研究生在查找資料和示圖處理方面做了許多工作，在此表示深切感謝。

著者學識有限，書中不妥之處在所難免，敬請讀者批評指正。



著者於上海

2019年12月