材料表面与界面第四章复合材料的界面及界面优化ppt课件.ppt

4 复合材料的界面及界面优化 Chapter4 Interfaceofcompositematerialsandoptimizationoftheirinterface 一 复合材料的概念复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的材料 复合材料船体 概述 二 复合材料的分类1 按基体材料分 1 非金属基复合材料 2 金属基复合材料 2 按增强材料分 1 纤维增强复合材料 2 粒子增强复合材料 3 叠层复合材料 三 复合材料的命名 1 以基体为主来命名例如金属基复合材料 2 以增强材料来命名如碳纤维增强复合材料 3 基体与增强相并用如 C Al复合材料 即为碳纤维增强铝基复合材料 4 商业名称命名如 玻璃钢 即为玻璃纤维增强树脂基复合材料 复合材料的增强机制及性能 1 纤维增强复合材料的增强机制 在纤维增强复合材料中 纤维是材料主要承载组分 其增强效果主要取决于纤维的特征 纤维与基体间的结合强度 纤维的体积分数 尺寸和分布 在纤维增强复合材料中 纤维是材料主要承载组分 其增强效果主要取决于纤维的特征 纤维与基体间的结合强度 纤维的体积分数 尺寸和分布 碳纤维 弹性模量及强度外力方向与纤维轴向相同时 c f m f 纤维 m 基体 c 复合材料 则 当外力垂直于纤维轴向时 则 纤维的临界长径比 纤维最小体积分数 2 粒子增强型复合材料的增强机制粒子增强型复合材料按照颗粒尺寸大小和数量多少可分为 弥散强化的复合材料 颗粒增强的复合材料 1 弥散强化的复合材料的增强机制将粒子高度弥散地分布在基体中 使其阻碍导致塑性变形的位错运动 金属基体 和分子链运动 聚合物基体 2 颗粒增强的复合材料的增强机制用金属或高分子聚合物为粘结剂 把具有耐热性好 硬度高但不耐冲击的金属氧化物 碳化物 氮化物粘结在一起而行成的材料 二 复合材料的性能特点1 比强度和比模量高 其中纤维增强复合材料的最高 2 良好的抗疲劳性能 碳纤维增强材料 1可达 b的70 80 因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用 3 破断安全性好4 优良的高温性能 5 减震性好 复合材料中的大量界面对振动有反射吸收作用 不易产生共振 常用的复合材料 一 纤维增强复合材料1 常用增强纤维 1 玻璃纤维 用量最大 价格最便宜 2 碳纤维 化学性能与碳相似 3 硼纤维 耐高温 强度 弹性模高 4 碳化硅纤维 高熔点 高硬度 5 Kevlar有机纤维 用于高温 高强复合材料 2 纤维 树脂复合材料通常用碳纤维 玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料 这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高 比强度也高得多 聚合物基纤维增强复合材料零件 3 纤维 金属 或合金 复合材料金属的熔点高 故高强度纤维增强后的金属基复合材料 MMC 可以使用在较高温的工作环境之下 常用的基体金属材料有铝合金 钛合金和镁合金 作为增强体的连续纤维主要有硼纤维 SiC和C纤维 Al2O3纤维通常以短纤维的形式用于MMC中 MMC的SEM照片 MMC虽强度和弹性模量 刚度 增加 但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低 这在一定程度上限制了MMC的应用范围 航天飞机内MMC Al B纤维 桁架 4 纤维 陶瓷复合材料陶瓷材料耐热 耐磨 耐蚀 抗氧化 但韧性低 难加工 在陶瓷材料中加入纤维增强 能大幅度提高强度 改善韧性 并提高使用温度 陶瓷中增韧纤维受外力作用 因拔出而消耗能量 耗能越多材料韧性越好 用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹性模量 但因为价格昂贵 目前仅在少数宇航器件上采用 现在发现 晶须 如SiC和Si3N4 能起到陶瓷材料增韧的作用 二 叠层复合材料叠层复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合材料 双金属 表面涂层等也是层状复合材料 结构层状材料根据材质不同 分别用于飞机制造 运输及包装等 三 粒子增强型复合材料聚合物基粒子复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电木 碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料 合成木材 等 陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷等 金属基粒子复合材料又称金属陶瓷 是由钛 镍 钴 铬等金属与碳化物 氮化物 氧化物 硼化物等组成的非均质材料 碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用 称作硬质合金 硬质合金通常以Co Ni作为粘结剂 WC TiC等作为强化相 复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的 构成彼此结合的 能起载荷传递作用的微小区域 复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域 约几个纳米到几个微米 此区域的结构与性质都不同于两相中的任何一相 这一界面区由五个亚层组成 每一亚层的性能都与基体和增强相的性质 复合材料成型方法有关 4 1复合材料的界面 1 外力场2 基体3 基体表面区4 相互渗透区5 增强剂表面区6 增强剂 复合材料的界面示意图 界面通常包含以下几个部分 基体和增强物的部分原始接触面 基体与增强物相互作用生成的反应产物 此产物与基体及增强物的接触面 界面特点 性能和结构上不同于基体和增强材料具有一定的厚度连接基体与增强体材料能够传递载荷 1 传递效应 界面能传递力 即将外力传递给增强物 起到基体和增强物之间的桥梁作用 2 阻断效应 结合适当的界面有阻止裂纹扩展 中断材料破坏 减缓应力集中的作用 4 2界面的效应 1 界面是复合材料的特征 可将界面的机能归纳为以下几种效应 阻止裂纹的扩展 4 2界面的效应 2 3 不连续效应 在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象 如抗电性 电感应性 磁性 耐热性 尺寸稳定性等 不连续效应 电阻R1 电阻R1 电阻R2 4 2界面的效应 3 4 散射和吸收效应 光波 声波 热弹性波 冲击波等在界面产生散射和吸收 如透光性 隔热性 隔音性 耐机械冲击及耐热冲击性等 散射和吸收效应 4 2界面的效应 4 5 诱导效应 一种物质 通常是增强物 的表面结构使另一种与之接触的物质 通常是聚合物基体 的结构由于诱导作用而发生改变 由此产生一些现象 如强的弹性 低的膨胀性 耐冲击性和耐热性等 诱导效应 R O M H O H O H M H O O H Si R Si H2O R M H O O H Si 无机表面 聚合物表面 界面效应是任何一种单一材料所没有的特性 它对复合材料具有重要的作用 界面效应既与界面结合状态 形态和物理 化学性质有关 也与复合材料各组分的浸润性 相容性 扩散性等密切相关 界面结合较差 增强体不能发挥作用 界面结合过强 材料破坏过程的裂纹容易扩展到界面 直接冲击增强体则呈脆性断裂 最佳状态的界面 裂纹沿界面扩展形成曲折的路径耗散较多的能量 即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性 研究和设计界面时 不应只追求界面结合强度而应考虑到复合材料综合力学性能 不同界面结合强度断裂纤维周围基体形态模型a 弱界面结合状况b 界面结合适中状况c 界面结合过强状况 界面剪切强度太低 表明界面结合过弱 在拉伸时纤维与基体脱粘 滑移 纤维断裂点周围基体的形态呈空管状 而且界面上没有任何曾经有过强烈相互作用的迹象 在这种状况下 纤维高强度和高模量的优势得不到充分发挥 复合材料得不到有效增强 界面剪切强度过高 纤维断裂 应力集中到断口周围基体上 界面结合强度大于基体强度 应力不能松弛 裂缝沿着垂直于纤维方向向基体内部发展 界面结合过强时复合材料呈脆性断裂 界面剪切强度适中 应力分布的区域化 没有在某点处因应力集中而造成破坏并产生裂缝 因为纤维断裂时 相邻界面处可以适当脱粘或滑移很小的一部分 分散了集中于断口处的应力点 保护了基体不在纤维断口处产生破坏和裂缝 而且能够通过很微小的脱粘和滑移吸收一定的能量 从而提高了材料整体的力学性能 许多因素影响着界面结合强度 如表面几何形状 分布状况 纹理结构 表面杂质 吸附气体程度 吸水情况 表面形态 在界面的溶解 扩散和化学反应 表面层的力学特性 润湿速度等 4 3复合材料组分的相容性 是指基体应具有足够的韧性和强度 能够将外部载荷均匀地传递到增强剂上 而不会有明显的不连续现象 由于裂纹或位错移动 在基体上产生的局部应力不应在增强剂上形成高的局部应力 基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面结合产生重要的影响 从而影响材料的各类性能 物理相容性 思考 当复合材料使用条件要求基体韧性好而增强材料是脆性材料时 该如何考虑基体材料的热膨胀系数 4 3复合材料组分的相容性 对于韧性基体材料 最好具有较高的热膨胀系数 这是因为热膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却时将受到张应力 对于脆性材料的增强相 一般都是抗压强度大于抗拉强度 处于压缩状态比较有利 对于像钛这类高屈服强度的基体 一般却要求避免高的残余热应力 因此热膨胀系数不应相差太大 4 3复合材料组分的相容性 化学相容性是一个复杂的问题 对原生复合材料 在制造过程是热力学平衡的 其两相化学势相等 比表面能效应也最小 对非平衡态复合材料 化学相容性要严重得多 纤维和基体间的直接反应则是更重要的相容性问题 化学相容性 指组成材料的各组元 基体与增强体 之间有无化学反应及反应速度的快慢 包括热力学相容性和动力学相容性 4 3复合材料组分的相容性 对复合材料来说 以下与其化学相容性有关的问题十分重要 1 相反应的自由能 F 代表该反应的驱动力 设计复合材料时 应确定所选体系可能发生反应的自由能的变化 2 化学势U 各组分的化学势不等 常会导致界面的不稳定 3 表面能T 各组分的表面能很高 导致界面的不稳定 4 晶界扩散系数D 由晶界或表面扩散系数控制的二次扩散效应常使复合体系中组分相的关系发生很大变化 4 4界面理论 1 机械结合基体与增强材料之间不发生化学反应 靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的 在钢筋与混凝土之间的界面上会产生剪应力 为此 在预应力钢筋的表面带有螺纹状突起 表面越粗糙 互锁作用越强 机械粘结作用越有效 但表面积随着粗糙度增大而增大 其中有相当多的孔穴 粘度大的液体是无法流入的 造成界面脱粘的缺陷 而且也形成了应力集中点 影响界面结合 金属基体复合材料和陶瓷复合材料有这类结合方式 在大多数情况下 纯粹机械粘结作用很难遇到 往往是机械粘结作用与其它粘结机理共同起作用 4 4界面理论 2 溶解和润湿结合主要是聚合物基体复合材料的结合形式 基体润湿增强材料 相互之间发生原子扩散和溶解 即物理和化学吸附作用 界面是溶质原子的过渡带 浸润性是表示液体在固体表面上铺展的程度 浸润不良会在界面上产生空隙 导致界面缺陷和应力集中 使界面强度下降 良好的或完全浸润将使界面强度大大提高 甚至优于基体本身的内聚强度 浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触时的情况 而并不能表示界面的粘结性能 润湿是组分良好粘结的必要条件 并非充分条件 在制备聚合物基复合材料时 树脂对增强材料的浸润性是指树脂能否均匀地分布在增强材料的周围 这是树脂与增强材料能否形成良好粘结的重要前提 在制备金属基复合材料时 液态金属对增强材料的浸润性 则直接影响到界面粘结强度 如W Cu W Ni C Ni BN ZrO2的复合体系 化学结合是指增强材料表面与基体表面发生化学反应 以化学键连接基体和增强体 从理论上可以获得较强的界面粘结 4 4界面理论 3 化学作用理论最成功的应用是偶联剂用于增强材料表面与聚合物基体的粘结 如硅烷偶联型具有两种性质不同的官能团 一端为亲玻璃纤维的官能团 X 一端为亲树脂的官能团 R 将玻璃纤维与树脂粘结起来 在界面上形成共价键结合 多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度的界面反应 轻微的界面反应能有效的改善金属基体与增强体的浸润和结合 严重的界面反应将造成增强体的损伤和形成脆性界面相等十分有害 碳纤维 铝钛铜合金复合材料中 生成TiC 使界面附近的铝 铜富集 500 时 在C纤维 铝材料界面生成Al4C3脆性层 复合材料的基体与增强材料间可以发生原子或分子的互扩散或发生反应 从而形成反应结合或互扩散结合 对于聚合物基体复合材料来说 这种粘结机理可看作为分子链的缠结 而对于金属和陶瓷基复合材料 两组元的互扩散可产生完全不同于任一原组元成分及结构的界面层 金属基复合材料中界面层常常是AB AB2 A3B类型的脆性的金属间化合物 4 4界面理论 4 金属基和陶瓷基复合材料 形成界面层的主要原因之一是生产制备过程要经历高温 在高温下扩散极易进行 扩散系数D随温度呈指数关系增加 按照Arrhenius方程D D0exp Q RT D 扩散系数 Q 扩散激活能 R为玻尔兹曼常数 T为绝对温度 其他结合 聚合物复合材料还有物理吸附理论 过渡层理论 金属基体和陶瓷基体复合材料还有物理结合理论 混合结合 这种结合较普遍 是最重要的一种结合方式 是以上几种结合方式中几个的组合 4 4界面理论 5 4 5界面及界面改性方法 A 聚合物基复合材料的界面 1 界面的形成 第一阶段 基体与增强纤维的接触与浸润过程增强纤维优先吸附能够降低其表面能的物质 第二阶段 聚合物的固化阶段聚合物通过物理或化学的变化而固化形成固定的界面层 2 界面改善原则 1 改善增强材料与基体间的浸润性 一般可采取延长浸渍时间 增大体系压力 降低熔体粘度以及改变增强体织物结构等措施 2 适度的界面结合强度 3 减少复合材料中产生的残余应力 引入可形变的界面层 4 调节界面内应力和减缓应力集中 引入柔性的界面层 在热塑性聚合物基体加入两性相溶剂 增溶剂 使增强体与基体间形成结合良好的界面 如 液相 PA基体 加入相溶剂 与两相分别构成接枝共聚物 并成为相间界面 相溶剂的作用 降低界面张力 优化界面粘结性能 改善应力传递 纤维增强体复合材料界面改善a 纤维表面偶联剂b 涂覆界面层 3 界面改性方法 3 增强体的表面改性a 等离子改性 被改性的表面5 10纳米薄层发生物理或化学变化 不影响基体的性能 b 电化学改性 电解氧化 电聚合改性 c 辐射改性 高能射线 高能电子束 X射线等 d 光化学改性 如玻璃纤维 PP PP 顺丁烯酸酐 通过紫外光 形成接枝聚合物 f 超声波表面改性 g 臭氧氧化法 活性氧与碳纤维表面不饱和碳发生反应 B 金属基复合材料的界面 a 界面的结合机制 机械结合也就是摩擦力 决定于增强体的比表面和表面粗糙度以及基体的收缩 物理结合包括范德华力和氢键 存在于所有复合材料中 但在聚合物基复合材料中占有很重要的比重化学结合就是化学键 在金属基复合材料中占有重要作用 化学结合 物理结合 扩散结合 机械结合 以化学结合为主 有时也会出现几种界面结合方式共存 界面结合形式 界面的结合力 b 界面的类型及界面模型 类界面相对而言是比较平整的 而且只有分子层厚度 界面上除了原组成物质外 基本上不会有其他物质 类界面为原组成物质构成的犬牙交错的溶解扩散界面 基体中的合金元素和杂质可能在界面上富集或贫化 例如 Cf Ni复合材料的界面形态基体Ni渗透到碳纤维中形成镍环 Ni基体 Cf Cf中渗Ni 形成Ni环 Cf Ni复合材料的界面形态 类界面有微米或亚微米级厚度的界面反应产物 反应层一般不均匀 例如 Bf TC4在高温下发生反应 形成TiB2化合物 形成完整的界面层 也可以不是一个完整的界面层 而是在界面上存在多种反应产物 SiCW Al Mg的界面上就存在Al2O3 SiO2 MgO等产物在界面析出 SiCf Ti 6Al 4V复合材料界面 对于三类界面 各类界面间没有严格的界限 在不同的条件下 同样组成的物质 或在相同条件下不同组成的物质可以构成不同类型的界面 例如 相同或相近材料在不同工艺下 可能界面类型不同 基体中添加的合金元素不同 界面类型也不同 以W Cu复合材料的界面研究结果为例 Wf Cu系在W丝周围未发生W与Cu的相互溶解 也未发生相互间的化学反应 Wf Cu Co Al Ni 系由于基体中的合金元素 Co Al Ni 向W丝中扩散导致其再结晶温度下降 使W丝外表面晶粒因再结晶而粗大 结果导致W丝变脆 Wf Cu Cr Nb 系合金元素 Cr Nb 向W丝中扩散 溶解并合金化 形成W Cr Nb 固溶体 此种情况对复合材料性能影响不大 Wf Cu Ti Zr 系W元素与Ti与Zr均发生反应 并形成化合物 使复合材料的强度与塑性均下降 界面模型 由Cooper等人 1968年 提出 认为界面存在机械互锁 且界面性能与增强体和基体均不相同 复合材料性能受界面性能的影响 其程度取决于界面性能与基体 增强体性能差异大小 型界面模型控制复合材料的两类性能 界面抗拉强度和界面剪切强度 I型复合材料界面模型 型界面模型 复合材料的界面具有既不同于基体也不同于增强体的性能 它是具有一定厚度的界面层 界面层可能是由于元素扩散 溶解造成 也可能是由于反应造成 该界面模型认为反应物抗拉强度是最重要的界面性能 脆性界面层在受到外力的作用时将成为新的裂纹源 并与纤维中原有的裂纹一起作用 如果脆性界面层诱发产生的裂纹尺寸小于原有的裂纹 复合材料的强度不会因为界面裂纹源而受到损害 此时复合材料的破坏仍由纤维中原有的裂纹所决定 如果因脆性界面层断裂伸长小而产生的裂纹大于原有裂纹 裂纹形成后将向四周纤维扩展 使纤维断裂 并最终导致复合材料整体破坏 脆性界面层对复合材料性能的影响 在 型界面的复合材料中 反应物裂纹是否对复合材料的性能发生影响 取决于反应物厚度 复合材料强度与界面层厚度的关系 反应物临界厚度的影响因素 基体的弹性极限 若基体弹性极限高 则裂纹开口困难 此时反应物临界厚度大 即允许裂纹长一些 纤维的塑性 如果纤维具有一定程度的塑性 则反应物裂纹尖端引起的应力集中将使纤维发生塑性变形 从而使应力集中程度降低而不致引起纤维断裂 临界厚度的确定 化合物层的临界厚度 分别为纤维及化合物层的平均抗拉强度 金属基复合材料一般是在熔点附近或固相线和液相线之间的高温下制备 界面化学反应通常不可避免 界面反应及其控制 促进液态金属基体对增强材料的润湿 提高界面结合强度 生成各种类型的脆性化合物 造成增强材料损伤和基体成分改变 界面反应的作用 一般说来 基体与增强材料之间相互作用不足或过量都不利 反应不足 复合材料的强度低 过量 可以引起界面脆化 对于界面反应 应根据具体情况 采取 促进反应以增进结合 抑制反应 第一类界面反应 有利于基体与增强材料的润湿 复合 形成最佳界面结合 这样的界面反应是需要的 第二类界面反应 生成多量的界面反应产物 形成强界面结合 但不损伤增强材料 对于纤维来说 应避免 但对晶须 颗粒无害 第三类界面反应 反应严重 生成大量反应产物 形成聚集的脆性相 甚至较厚的连续脆性层 增强材料损伤严重 甚至成分变化 合金元素显著消耗 界面结合过强 复合材料的性能急剧下降 甚至低于基体 这类界面反应必须避免 界面反应类型 制备高性能的MMC 控制界面反应程度极为重要 还要有合适的界面结合强度 既能有效传递载荷 又能调节应力分布 阻止裂纹扩展 界面结合太弱 受载时 纤维大量拔出 强度低 结合太强 纤维受损 材料脆断 既降低强度 又降低塑性 只有界面结合适中的复合材料才呈现高强度和高塑性 金属基复合材料的界面控制研究方法 1 对增强材料进行表面涂层处理在增强材料组元上预先涂层以改善增强材料与基体的浸润性 同时涂层还应起到防止发生反应的阻挡层作用 2 选择金属元素改变基体的合金成分 造成某一元素在界面上富集形成阻挡层来控制界面反应 尽量避免选择易参与界面反应生成脆硬界面相 造成强界面结合的合金元素3 优化制备工艺和参数金属基体复合材料界面反应程度主要取决于制备方法和工艺参数 因此优化制备工艺和严格控制工艺参数是优化界面结构和控制界面反应的有效途径 涂层举例 基体改性举例 Ti中添加Al Mo V和Zr可降低硼化物生成速度 金属基复合材料的使用环境要求其界面必须在高温下长时间保持稳定 影响界面稳定性的因素 a 物理因素 高温条件下增强纤维与基体之间的熔融 有时还会出现先溶解又析出的现象 这种析出使增强材料的表层聚集形态和结构发生变化 例1 粉末冶金制备的W丝 Ni 钨在镍中有很大的固溶度 在1100 左右使用50小时后 钨丝发生溶解 造成钨丝直径仅为原来的60 大大影响钨丝的增强作用 可采用钨丝涂覆阻挡层或在镍基合金中添加少量合金元素 如钛和铝 可以起到一定的防止钨丝溶入镍基合金的作用 例2 碳纤维增强镍基复合材料 对碳纤维增强镍材料 在界面上还会出现先溶解再析出的现象例如 在600 以上复合材料中碳纤维溶入镍基体中 而后析出具有石墨结构的碳 由于碳变石墨使密度增大留下空隙 为镍渗入碳纤维扩散聚集提供了位置 致使碳纤维强度降低 随温度升高 镍渗入量增加 碳纤维强度进一步急剧降低 b 化学因素 主要与加工和使用过程中发生界面化学作用有关 金属基复合材料在热处理以及在使用时经历不同的热过程中 界面反应可连续进行 影响界面反应的因素主要是温度与时间 其中 X为反应层厚度 K为反应速度常数 随着反应温度的升高而增大 t为反应时间 秒 随着反应温度和时间的增加 反应层厚度增大 高温时在很短时间内就可以达到足以引起破坏的厚度 连续界面反应 交换式界面反应 当增强材料与含有两种以上元素的金属基体之间发生化学反应 形成反应产物后 反应产物还会与其它基体元素发生交换反应 产生界面的不稳定 例如硼纤维 钛合金 Ti Al 1V 1Mo 硼与钛在界面首先发生反应 Ti Al B Ti Al B2再发生交换反应 Ti Al B2 Ti TiB2 Ti Al 电子探针证实了界面反应的最终产物是TiB2 暂稳态界面反应 由于增强材料表面局部氧化所产生的氧化物与基体间发生反应而在界面上形成另一种氧化物 界面上的氧化层稳定性差 在长时间热环境下容易发生球化而影响复合材料的性能 例如 在硼纤维增强铝中 由于硼纤维上吸附有氧 并与之生成BO2 这层氧化物在扩散结合时未受到破坏 但它是不稳定的 在一定温度下 由于铝与氧亲和力强 可以还原BO2 生成Al2O3 这种界面结合亦称之为氧化结合 在长期热效应的作用下 界面上的Al2O3氧化膜会发生球化 从而影响复合材料的性能 金属基复合材料界面对性能的影响 连续纤维增强金属基复合材料的低应力破坏在材料制备过程中纤维没有受损伤 纤维强度没有变化 但复合材料的抗拉伸强度远低于理论计算值 原因 加热处理时的界面反应使界面结合增强 使界面失去调节应力分布 阻止裂纹扩展的作用 裂纹尖端的应力使纤维断裂 造成脆性断裂 纤维在基体中分布不均匀 特别是某些纤维相互接触 使复合材料内部应力分布不均匀 纤维与基体之间存在脆性界面相 例子 碳纤维增强铝基复合材料 在纤维没有受损伤并保持原有强度的情况下 抗拉强度下降26 陶瓷基体复合材料指基体为陶瓷材料的复合材料 增强体包括金属和陶瓷材料 界面结合方式与金属基体复合材料基本相同 有化学结合 物理结合 机械结合和扩散结合 其中以化学结合为主 有时几种结合方式同时存在 C 陶瓷基复合材料的界面 界面控制方法 改变增强体的表面性质SiC晶须表面形成富碳结构 PVD或者CVD在纤维表面进行BN或碳涂层 阻止纤维与基体的反应 向基体添加特定的元素SiC纤维增强玻璃陶瓷在热处理时添加少量铌可以获得最佳界面 达到增韧效果 增强体的表面涂层PVD CVD 喷镀 电镀 化学镀等方法在增强体表面制备C BN Si B等涂层 4 6残余应力 高聚物复合材料的残余应力是由于树脂和纤维热膨胀系数不同而产生和固化过程中树脂体积收缩产生化学应力 前者影响较大 残余应力的存在 导致材料粘结强度下降 残余应力对材料的影响程度依赖于纤维的含量 纤维与基体的模量比和纤维的直径金属复合材料残余应力来源于热和力学 设计过程要注意基体模量不能太低 膨胀系数要相差不大陶瓷复合材料热膨胀系数的不同导致残余应力 纤维的膨胀系数往往大于基体材料 在一定程度下达到所追求的增韧机制 但基体和增强纤维都是脆性的 残余应力过大容易导致裂纹 必须明确对材料性能的要求 各组元之间要具有相容性 要考虑各组元之间的浸润性 使增强体与基体之间形成具有适当结合强度的界面 设计界面层在一定的应力条件下能够脱粘 以使增强纤维从基体拔出并发生摩擦 吸收外界载荷能量 从而提高其抗破坏能力 减弱复合材料界面的残余应力及在材料应用中如何利用残余应力 界面层的模量如果大于基体和增强体的模量将会产生不良的效果 4 7复合材料界面优化设计和界面分析技术 4 7 1复合材料界面优化设计原则 设计界面层在一定的应力下脱粘 式中 4 7 2复合材料界面分析技术 1 界面力学性能测试 1 拔脱试验 测定界面粘接强度 临界纤维长度 纤维强度达到拉伸强度时的最小纤维长度 最大纤维应力发生在纤维的长度中点 此方法的缺点 1 实际拔脱实验中 由于界面残余应力等因素的影响 使得曲线偏离理论曲线图 2 基体浸润纤维时 会沿纤维四周向上延伸 测量时这部分树脂的影响无法估计 3 由于界面存在着纤维与基体之间的摩擦力 且所占比例难以确定 所以所测结果实际上大于界面粘结强度 式中 2 顶出法 适用于测定相对界面粘结强度 以顶出强度作为界面粘结的剪切强度 i 即 注 该方法依旧没有考虑纤维顶出时摩擦力的影响 所以测试值大于实际界面粘结强度 3 临界纤维长度法 适用于热塑性基体或延伸率较高的基体 单纤维复合材料断裂实验过程模拟图 临界纤维长度法示意图 式中 临界纤维长度 断裂的小段纤维中的最大长度 不同温度下的界面剪切强度和临界纤维长度 4 界面粘结能法 测试界面粘结能 要求测试的试样数较多 以获得较好的测试结果 式中 此方法的缺点 试样上的小孔不易钻准 纤维埋置的垂直度对每一试样端面而言不能完全一致 数据较分散 力学性能测试方法目前评价复合材料界面粘结强度的主要方法之一 5 力学性能测试方法 A 薄壁缠绕管的扭曲测试方法B 45度铺层层合板拉伸试验C Iosipescu缺口测试方法D 宏观剪切强度测试E 裂纹间距测量法F 微滴脱黏试验G 声发射技术 A 薄壁缠绕管的扭曲测试方法 纤维方向为周向 相邻纤维柱应变不同步 产生纯剪切力 剪切强度 剪切模量 B 45度铺层层合板拉伸试验 b 宽度t 厚度 C Iosipescu缺口测试方法 中间断面剪应力平均分布 而不是抛物线分布 缺口没有应力集中 D 宏观剪切强度测试 E 裂纹间距测量法 脆性基体复合材料的裂纹间距在x 和2x 之间 平均裂纹间距 S 1 364x E 裂纹间距测量法 二氧化硅纤维增强的环氧树脂 在77K下变形后的外观 透射光下拍照 基体被一组垂直于纤维走向的裂纹所割开 已知陶瓷基复合材料Vf 0 4 未增强基体的断裂强度 mu 200MPa 界面剪切强度 i 3 5MPa 纤维半径为7 m 复合材料经多次开裂后裂纹间距达到极限值 平均裂纹间距为多大 F 微滴脱黏试验 纤维从小树脂滴上拉出 G 声