碳纤维/环氧树脂复合材料由于纤维和基体之间的物理和化学性质（包括模量和热膨胀系数）存在显著差异，很可能会出现界面缺陷和应力集中，严重阻碍应力的有效传递，导致复合材料过早失效。因此，缓解界面应力集中和促进有效的应力传递是 碳纤维复合材料领域的关键科学问题。
近日，天津工业大学徐志伟、刘胜凯团队在碳纤维复合材料中构建具有恒定厚度和梯度模量的界面过渡层，以减轻应力集中并加强应力传递，这项研究填补了界面过渡层理论的重要空白，为开发高性能复合材料奠定了坚实的基础。文章发表于国际知名期刊《Composites Part B-Engineering》，论文标题为“Constructing interfacial transition layers with constant thickness and gradient modulus in carbon fiber composites for mitigating stress concentration and enhancing stress transfer”。
基于“界面过渡层”理论，本研究通过调控金属有机骨架的粒径，精准构建了“恒定厚度梯度模量”界面过渡层，并系统探究了其对应力集中和应力传递机制的影响。
图 1 碳纤维及其复合材料样品的制备路线。
图 2 复合材料样品界面过渡层厚度。
研究团队精确量化碳纤维复合材料的模量梯度率，深入分析了不同梯度率复合材料的界面力学性能，并探讨了不同梯度率界面过渡层对这些性能的影响。通过热残余应力测试和有限元模拟表征了不同梯度率界面过渡层复合材料的应力集中以及应力传递。
图 3 复合材料样品的界面力学性能。
图 4 失效前后复合材料的残余应力强度。
图 5 有限元模型的建立以及与实验测试的对比。
图 6 纤维、基体以及界面过渡层的损伤起始和演变。
本研究精确构建了“恒定厚度梯度模量”界面过渡层，并深入探究了其对复合材料应力传递及应力集中行为的影响机制。成功构建了厚度为1100 nm，模量梯度率分别为-3、-2、-1.4和+1的界面过渡层。在界面过渡层厚度恒定的前提下，模量梯度率为+1的复合材料表现出最低的力学性能。相比之下，对于负模量梯度率的复合材料，其力学性能与模量梯度率大小呈正相关。拉曼光谱分析揭示了弯曲失效后不同模量梯度率复合材料界面残余应力的显著差异。模量梯度率为-3、-2、-1.4和+1的复合材料，其界面残余均显著低于纯复合材料， 表明梯度模量界面过渡层有效缓解了界面应力集中。有限元仿真结果进一步阐明，当模量梯度率为+1时，界面过渡层内部出现明显的应力集中现象，导致载荷传递效率低下，从而削弱了复合材料的界面强度。相反，对于模量梯度率为-3、-2和-1.4的复合材料，随着模量梯度率的增加，纤维与基体之间的载荷能够更平滑、更有效地传递，显著提升了复合材料的应力传递效率，进而增强了整体力学性能。
原始文献：
Zhou, X., Zhang, J., Liu, S., Wu, X., Siddique, A., Akbarjon, N., Pei, X., Liu, S., Yin, Y., Yu, C., & Xu, Z. (2026). Constructing interfacial transition layers with constant thickness and gradient modulus in carbon fiber composites for mitigating stress concentration and enhancing stress transfer. Composites Part B-Engineering, 313, 113365.
原文链接：
https:///10.1016/j.compositesb.2025.113365
编辑：复小可