在理论上可获得最强的界面粘结能（210 - 220 J / mol）。
图3 – 6 表面结合化学键示意图
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（图3 – 7）。 D = D0 exp （- Q/RT） D：扩散系数；Q：扩散激活能。
X = k t 1/2 图3 – 7 界面反应结合或扩散结合示意图 X：反应层厚度；k：反应速度常数。
四、界面的表征
界面性能较差--- 呈剪切破坏、可观察到界面脱粘、纤维拔出纤维应力松弛等现象。
界面结合过强--- 材料呈脆性断裂。
界面结合最佳状态--- 当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域而不产生进一步界面脱粘，即这时的复合材料具有最大的断裂能和一定的韧性。
1、界面结合强度的测定
1- 1 宏观测试法： 1）三点弯曲法：
图 3 – 8 三点弯曲试验示意
图3 – 9 测定界面拉伸强度时纤维的排布
? = 3（PS）/ 2（BD2） ? = (3 / 4) (P / BD)
图3 – 10 测定界面剪切强度时纤维的排布
? / ? = D / 2S, ?I /? cu< D / 2S
20
2) Iosipescu剪切试验试验
图3 – 11 Iosipescu剪切试验示意图
1- 2 单纤维试验法
图 3 – 12 纤维拔出试验示意图
图 3 – 13 纤维拔出试验应力应变曲线示意图
图3-14 压缩试验测试界面剪切强度（b）和
压缩试验测试界面拉伸强度(c)
由此试验的应力 - 应变关系图可以求出界面剪切强度以及纤维拔出（pull – out）和脱粘debonding）的能量。
采用纤维拔出试验，可通过图3-13所示的应力 - 应变关系图可以求出界面剪 切强度以及纤维拔出（pull -out）和脱粘（debonding）的能量。
压缩试验测试界面剪切强度（图3-14 b） ?I ~ 2 . 5 ? c ， 压缩试验测试界面拉伸强度（图 3-14 c） ? I u = c ? c
1 - 3 微压入试验法（图3-15） 界面剪切强度： ?I = P 2 4?u R3 E f 若采用标准金刚石压头： u = （b - a）cot 74?
图 3 – 15 纤维微压入试验示意图
21
4）声发射（Acoustic Emissin ，AE）法：
声发射是当固体材料在外部条件（如载荷、温度、磁场、环境介质等）发生 变化时，由于其内部原因而产生的瞬时弹性应力波发射。声发射信号包括有材料 内部缺陷或微观结构变化动态信息，借助灵敏的电子仪器可以检测到声发射信 号。
用仪器检测分析声发射信号，推断声发射源的技术称为声发射技术。 复合材料的损伤断裂过程十分复杂，包括纤维、基体和界面的破坏和断裂。 各组元断裂时释放的声能与其弹性模量和断裂时各组元的范性形变量有关。由于 各组元断裂时释放的声能不同，即声发射信号的强弱不同，那么利用声发射技术 就可以区分和识别复合材料界面的破坏和断裂，从而可以分析界面的结合状况， 同时计算出界面强度。
图 3 – 16 富碳处理的SiCF/Al拉伸过程中的AE行为
图 3 – 17 富SiO2处理的SiCF/Al拉伸过程中的AE行为
图3-16和图3-17分别表示了不同纤维表面处理的SiCF/Al复合材料拉 伸过程中的AE行为。图中样品AE过程出现的信号大小几及次数的不同、对应于样品中不同部位的断裂破坏、次数及其强度，同时E-A相关图包络的斜率不同的切线数目的不同也对应于不同的断裂机制。可以看出，富碳和富SiO2处理的SiCF/Al拉伸过程中具有不同的AE行为，定性地反映了两
22
种纤维复合材料具有不同的界面以及不同的断裂行为和机制。同时根据相关公式可以定量地求出复合材料的界面强度。
2、界面结构的表征
界面的微观结构、形貌和厚度可通过先进仪器观察分析。包括俄歇电子谱仪 （AES）、电子探针（EP）、 X光电子能谱仪（XPS）、扫描二次离子质谱仪 （SSIMS）、电子能量损失仪（EELS）、 X射线反射谱仪（GAXP）、透射电子 显微镜（ TEM）、扫描电镜（ SEM）和拉曼光谱（ Raman）等。
图3-18 TiB2纤维表面涂层SiCF / Ti复合 图3-19 SCS6/25Al-10Nb-3V-1Mo复合材料
材料界面SEM分析照片 界面透射电镜照片
五、界面残余应力
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。前一种情况下，如果基体发生收缩，则复合材料基体受拉应力，增强体受压应力，界面受剪切应力。后一种情况下，通常是基体膨胀系数大于增强体，在成型温度较高的情况下，复合材料基体受拉应力，增强体受压应力，界面受剪切应力。但随着使用温度的增高，热应力向反方向变化。
界面内应力的大小可用下式表示： ζ
I i
= EmεmVm / 3（1-γm）
式中 Em 为基体弹性模量，γm为基体泊松比，εm为基体发生的应变，Vm为基体的体积比。
界面内应力的大小与界面的结合情况有关。如界面结合发生松弛滑移现象，则内应力相应减少。
界面热应力的大小可用下式表示：
23
ζ
I i
= Em（Tc –t）△α
式中 Em 为基体弹性模量，Tc 为成型温度，t为使用温度，△α为基体与增强体的热膨胀系数差。
界面残余应力可以通过对复合材料进行热处理，使界面松弛而降低，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。
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。
测量界面残余应力的主要方法有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。同步辐射连续X射线能量色散法和会聚束电子衍射法也可用来测定复合材料界面附近的应力和应变变化。特别是同步辐射连续X射线能量色散法兼有较好的穿透能力和对残余应变梯度的高空间分辨率，可测量界面附近急剧变化的残余应力。此外，激光Raman光谱法可测量界面层相邻纤维的振动频率，根据纤维标定确定界面层的残余应力。目前，应用最广泛的仍是传统的X射线衍射法。
24