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树脂基复合材料界面结合的研究
郑安呐胡福增
(华东理工大学材料科学与工程学院，上海200237)

摘要分析了树脂基复合材料受力状况下对界面结合的要求，着重介绍了微量冲击和临界纤
维断裂长度分析两种检测树脂基复合材料界面剪切强度的方法，及其研究成果。通过对单丝
纤维断点周围基体树脂形态的分析，提出了一种判断优化界面的方法。
关键词树脂基复合材料，界面剪切强度，临界纤维断裂长度，优化界面
中图分类号TB-18,TQ31,O33,V45

复合材料之所以具有极为优异的性能,是因为它综合了增强材料和基体各自的优
点,但这又必须建立在两者可以通过界面剪切方式传递载荷的基础之上。因此界面剪切
强度在很大程度决定了复合材料的性能。很自然，有关界面结合的研究几乎是伴随着复
合材料的发展而发展的，当然树脂基复合材料也不可能例外。本文希望就该领域的研究
进行讨论。

1.树脂基复合材料形成优化界面的分析
广义而言，树脂基复合材料是指以高分子树脂为基体，以无机粉体或纤维来增强
的复合材料。由于无机粉体对树脂的增强效果不大，往往又以降低成本为主要目的，因
此树脂基复合材料通常狭义地指纤维增强的复合材料，本文也主要将讨论限于此范围之
内。

图1纤维增强树脂基复合材料的承载模型

纤维增强树脂基复合材料可用图1所示的模型来描述。为了讨论的简化，将纤维

的排列方向设为一致，如1，2，3，4所示。复合材料的截面积为Sc，单根纤维的截面

积为Sf，树脂基体的截面积为Sm。当外力F施加于复合材料时，复合材料承受的拉伸

应力σc为：

σc＝F/Sc（1）
假定属于小应变，并符合虎克定理，且两者为紧结合界面没有相对滑移，从而有相同

的应变ε，因此

σc＝σf＋σm=Ef·ε＋Em·ε（2）

式中σm和σf分别为树脂基体与纤维所承担应力。可以看到由于Ef>>Em，所以σf>>σm。
也即纤维承担了主要的外部载荷，这也就是纤维增强复合材料的基本原理。
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如果纤维与树脂基体在界面上没有任何相互作用，由图1可以看到，由于纤维是
分散相，树脂基体是连续相，在外力F的作用下，树脂基体无法将外力通过界面剪切应

力(τint)传递给纤维，纤维不会产生任何应变。在式（2）中可以看到，右边第一项Ef·ε

为零，此时整个复合材料承受的应力σc完全只由树脂基体所承受的应力σm＝Em·ε来
替代了。此时树脂基体承受的应力为：

σm＝F/Sm=F/(Sc-n·Sf)（3）

由于在复合材料的截面积中纤维（n·Sf）占有相当大的比例，从式（3）可以看到，
树脂基体在复合材料中要比在单纯基体材料中承受更大的应力。此时原用作增强的纤维
却成了完全无用的杂质，破坏了材料的完整性，降低了总体的承载能力。由此可见，没
有良好的界面结合，复合材料本身也就失去了意义，还不如原单一的基体材料。
与上述相反，如果就基体与纤维间没有任何相对滑移的紧结合界面而言，如式（2）
所示，似乎完美地体现了复合材料纤维的增强作用。假定所有纤维的排列方向完全一致，同
样伸直，且长短也都完全相同，也许这种情况的确可完美地实现纤维的增强作用，但事实上

这是不可能做到的。由于纤维的模量Ef远大于基体树脂的模量Em，由式（2）可知纤维将
承担主要的外界载荷。在外力作用下复合材料整体产生应变ε。又由于通常基体树脂的断裂
延伸率是大于增强纤维的，所以必然是纤维首先断裂。复合材料在实际的制作过程中，纤维
的排列方向不可能完全一致，同样伸直，也不可能长短一致，因而在外力的作用下，各单根
纤维的张紧程度也不一样。在图1中假定纤维4原本最伸直，在外力作用下应变ε最大，超
过其断裂延伸率后率先断裂，断口发生在纤维有缺陷的K点处。这样原本由纤维4所承担
的应力在K点处一下子转移到断纤周围基体上，形成应力集中点。高速形成的冲击式应力导
致了K点四周基体的破坏,并形成一条呈尖锐的裂缝。在外力的作用下,裂缝沿垂直于纤维
轴向方向向基体纵深方向进一步发展。甚至引起附近纤维的连锁断裂，使材料产生脆性破坏。
这也就是通常认为复合材料界面结合越强，材料越显脆性的一种解释。实际上，复合材料即
便不承受外力作用，在四季冷热循环过程中，强结合的界面也会因为基体与纤维热膨胀系数
的差异而逐渐破坏。
由此可见，若要避免K点处基体树脂不遭破坏只可能是树脂