在树脂基复合材料中，界面层的形成分为两个阶段：

1）基体与增强纤维的接触与浸润阶段；

由于增强纤维对树脂基体分子的各种基团或树脂基体中各组分的吸附能力不同，它总是要吸附那些能降低其表面能的物质，并优先吸附那些能较多降低其表面能的物质，因此界面聚合层在结构上与聚合物本体是不同的。

2）树脂的固化阶段；

此阶段中，树脂基体通过物理的或化学的变化而固化,形成固定的界面层。此阶段受第一阶段影响,同时它直接决定着所形成的界面层的结构。

需要说明的是，树脂基体与增强纤维之间的界面相并不是均匀的区域，而是一个相互渗透的渐变区域。靠近树脂基体的界面相，其性质更接近于树脂基体；靠近增强纤维的界面相，其性质更接近增强纤维。所以界面也可以称为树脂基体和增强纤维之间的过渡区。在真实复合材料中，界面与树脂基体/增强纤维之间并不像图1中所示的那样，一般不具备明显的分界。

1.1 纤维增强树脂基复合材料中纤维承担主要载荷基本原理推导

纤维增强树脂基复合材料可简化为以下模型，如图2所示：

图2纤维增强树脂基复合材料承载模型

为了简化讨论，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应为：

σc=F/Sc （1）

假定以下三个前提（理想状态）：属于小应变；符合虎克定理；纤维与树脂两者的结合界面没有相对滑移，此时纤维和树脂应具有相同的应变ε，即有：

σc=σf+σm=Ef·ε+Em·ε （2）

式中的Ef和Em分别为纤维和树脂的弹性模量（弹性模量的定义是单向应力状态下应力除以该方向的应变），σm和σf分别为树脂基体与纤维所承担的应力。

实际情况下，由于Ef远远大于Em，所以Em·ε可以忽略不计。此时有：

σc=Ef·ε （3）

即纤维承担了主要的外部载荷，这就是纤维增强树脂基复合材料中，纤维承担主要载荷的基本原理。

1）假定增强纤维与树脂基体在界面上没有任何相互作用；

由于纤维是分散相，树脂基体是连续相，在受到外力F的作用下，由于树脂和纤维之间不存在任何相互作用，树脂基体无法将外力F通过界面剪切应力τint传递给纤维，纤维也不会产生任何的应变。式（2）中的Ef ·ε为零，此时整个复合材料承受的应力σc为：

σc=σm=F/Sm=F/（Sc-n·Sf）

由于在复合材料的截面积中，纤维（n·Sf）占有相当大的比例，从上式可以看到，树脂基体在复合材料中，要比在单纯树脂基体材料中承受更大的应力。而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，降低了树脂材料总体的承载能力。由此可见，如果没有良好的界面结合，复合材料承载能力反而有很大的衰减，复合材料本身就失去了意义，性能还不如原单一的树脂基体材料。

2）假定增强纤维与树脂基体在界面上完全结合良好（没有任何的相对滑移）；

此时树脂和纤维产生同样的应变，也就是式（2）所表达的理想状态。但事实上这是不可能做到的。

在外力作用下，复合材料整体产生应变ε，由于基体树脂的断裂延伸率通常大于增强纤维的，所以必然是纤维首先断裂。在复合材料制备过程中纤维的排列方向也不可能完全一致，不可能同样伸直，也不可能长短一致，因而在外力的作用下，纤维的张紧程度也是不一样的。在图1中，假定纤维4原本是最伸直的，在外力作用下，该纤维产生的应变最大，当应变超过其断裂延伸率后，该纤维率先断裂，断口发生在该纤维有缺陷的K点处。此时，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的树脂基体上，形成了应力集中点。这种高速冲击式应力导致了K点四周的树脂基体被破坏，形成一条呈尖锐的裂缝。在外力的作用下，该裂缝沿垂直于纤维轴向的方向，向树脂基体纵深方向进一步发展，直至引起附近纤维的连锁断裂，使材料产生脆性破坏。这就是通常认为复合材料中纤维和树脂界面结合越强，复合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的作用，在四季冷热循环过程中，强结合的界面也会因为树脂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，只可能是使树脂的冲击强度超过树脂与纤维间的界面剪切强度（ISS），从而使界面产生一定的滑移，分散在K点产生的应力集中。

针对以上情况，有两种可以克服的方法供选择：一是基体树脂的韧性特别好（这也是目前环氧树脂体系增韧的主要研究动力），利用基体树脂的充分变形来分散K点处的应力集中；另一种方法就是让界面具有迅速产生一定程度滑移的能力，那么当外力施加于复合材料，造成纤维断裂后，K点所产生的应力集中会因界面上有限程度的脱粘或滑移而分散，同样也可达到保护K点处的基体树脂不遭破坏的目标。

第一种方法对基体树脂提出了过高的要求，也并非绝大多数树脂可以胜任的，而且还造成复合材料的刚度不足（刚度的定义为材料在外力作用下不发生变形的能力，刚度对应的一般为弹性模量）。第二种方法比较可取，因为它是通过调整纤维与树脂的界面结合，来避免基体树脂遭受破坏的，因而既没有对基体树脂提出过高的要求，也不会造成复合材料刚度不足。

第二种方法本质上就是复合材料界面科学要研究的内容。

同时由以上分析也可以看出，树脂基体与增强纤维之间相互作用（即界面结合强度）的不足或过量都是不利的，如果增强纤维与树脂基体的界面结合强度很大，复合材料在遇到外界施加的较大载荷时，原有的裂缝将快速扩展，穿越复合材料整体，产生一个完整的平面型断裂面，这是一种低能量消耗的断裂过程，这导致复合材料显示脆性，更容易损伤纤维，从而降低复合材料强度（但可以提高复合材料的抗蠕变性能）。在低界面结合强度（即界面效应较弱）时，由于界面脱粘，裂缝扩展方向会转向与原始裂纹不同的方向，产生沿着界面的裂缝，消耗了额外的能量，这可以增强复合材料的韧性。但是如果界面结合强度过低，也会导致材料的整体强度下降，例如在较大外载下，被拉断的纤维的断头容易从树脂基体中拔出，裂纹跨过增强纤维在树脂基体中扩展，造成复合材料整体的断裂。图3分别给出了纤维增强复合材料在不同界面结合强度下的典型破坏型式，从图中可以看到，只有当界面结合强度比较适中（处于增强相和基体相的破坏强度之间）时，界面才能最大限度地发挥其增强作用。

图3 复合材料在不同界面结合强度情况下的典型破坏情况返回搜狐，查看更多