复合材料导论第二次作业

金属基复合材料的界面,复合材料导论,制作者：汤凯智同组者：黄培赵子淳李昌健,目录,问题一：针对金属基、陶瓷基、聚合物基、水泥基复合材料中的一种材料，简要介绍其界面的基本结构特征，界面结合是如何对复合材料的性能产生影响的？界面控制的途径有哪些？界面是如何表征的？问题二：针对你所感兴趣的复合材料，简要介绍其制备方法（原理、适用范围、优劣）,一.界面,1.1界面的概念金属基复合材料中增强体与金属基体接触构成的界面，是一层具有一定厚度（纳米以上）、结构随基体和增强体而异的、与基体有明显差别的新相界面相（界面层）。它是增强相和基体相连接的“纽带”，也是应力及其他信息传递的桥梁。界面是金属基复合材料极为重要的微结构，其结构与性能直接影响金属基复合材料的性能。,2.1界面的特征,金属基复合材料的基体一般是金属合金，此种复合材料的制备需在接近或超过金属基体熔点的高温下进行。金属基体与增强体在高温复合时易发生不同程度的界面反应；金属基体在冷却、凝固、热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相变等。这些均使金属基复合材料界面区的结构十分复杂。在金属基复合材料界面区出现材料物理性质（如弹性模量、热膨胀系数、导热率、热力学参数）和化学性质等的不连续性，使增强体与基体金属形成了热力学不平衡的体系。因此，界面的结构和性能对金属基复合材料中应力和应变的分布，导热、导电及热膨胀性能，载荷传递，断裂过程都起着决定性作用。,5,根据上面的三种结合力，金属基复合材料中的界面结合可以分为五种。,界面的结合力有三类,化学结合力就是化学键，它在金属基复合材料中有重要作用,物理结合力包括范德华力和氢键，它存在于所有复合材料中，在聚合物基复合材料中占有很重要的地位。,机械结合力就是摩擦力，它决定于增强物的比表面和粗糙度以及基体的收缩，比表面和粗糙度越大，基体收缩越大、摩擦力也越大。机械结合力存在于所有复合材料中。,2.1.1界面的结合机制,6,7,3.1界面对性能的影响在金属基复合材料中，界面结构和性能是影响基件和增强体性能充分发挥，形成最佳综合性能的关键因素。不同类型和用途的金属基复合材料界面的作用和最佳界面结构性能有很大差别。图3-1是纤维增强复合材料的断裂模型。,图3-1显微增强脆性基体复合材料的微观断裂模型（a）纤维“桥接”示意（b）裂纹穿过纤维，造成脆断示意,8,3.1.1连续纤维增强金属基复合材料的低应力破坏连续纤维增强金属基复合材料存在低应力破坏现象：即在制备过程中纤维没有受损伤，纤维强度没有变化，但复合材料的抗拉强度远低于理论计算值，纤维的性能和增强作用没有充分发挥。导致低应力破坏的主要原因是（1）500加热处理所发生的界面反应使铝基体界面结合增强，强界面结合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。（2）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。（3）纤维与基体之间存在脆性界面相也是复合材料低应力破坏的原因之一。,9,3.1.2界面对金属基复合材料力学性能的影响关于界面的结构与性能对力学性能的影响机制前面已经介绍，下面讨论对力学性能具体的影响。界面结合强度对复合材料的弯曲、拉伸、冲击和疲劳等性能有明显影响，界面结合适中的C/Al复合材料的弯曲压缩载荷高，是弱界面结合的23倍，材料的弯曲刚度也大大提高。弯曲破坏分为材料下层的拉伸破坏区和上层的压缩破坏区。在位拉伸破坏区内出现基体和纤维之间脱粘以及纤维轻微拔出现象；在压缩区具有明显的纤维受压崩断现象。可见界面结合适中，纤维不但发挥了拉伸增强作用，还充分发挥了压缩强度和刚度。出于纤维的压缩强度和刚度比其拉伸强度和刚度更大，因此对提高弯曲性能更为有利。强界面结合的复合材料弯曲性能最差，受载状态下在边缘处一旦产生裂纹，便迅速穿过界面扩展，造成材料脆性弯曲破坏。,10,界面结合强度对复合材料的冲击性能影响较大。纤维从基体中拔出，纤维与基体脱粘后，不同位移造成的相对摩擦都会吸收冲击能量，并且界面结合还影响纤维和基体的变形能力。三种类型的复合材料冲击断裂过程如图3-2所示，弱界面结合的复合材料适中界面结合的复合材料强界面结合复合材料,图3-1三种复合材料的典型冲击载荷时间关系曲线1弱界面结合2适中界面结合3强界面结合,11,4.1界面优化与界面反应控制的途径,如何改善金属基体与增强体的浸润性、控制界面反应，形成最佳的界面结构，是金属基复合材料,金属基复合材料制备过程中生产、应用的关键,界面优化的目标,形成能有效传递载荷、调节应力分布、阻止裂纹扩展的稳定的界面结构,解决途径,纤维等增强体的表面涂层处理、金属基体合金化及制备工艺方法和参数控制,12,4.2.1纤维等增强体的表面涂层处理纤维表面改性及涂层处理可以有效地改善浸润性和阻止严重的界面反应。4.2.3金属基体合金化在液态金属中加入适当的合金元素改善金属液体与增强体的浸润性，阻止有害的界面反应，形成稳定的界面结构，是种有效、经济的优化界面及控制界面反应的方法。现有的金属基体合金多数是选用现行的金属合金。,13,表1所示为在铝中加入0.1%-0.5%Zr的复合材料在400、600加热保温的拉伸强度。由表可见，加入0.5Zr可以有效阻止高温下碳和铝反应，形成稳定的界面，600加热1h，抗拉强度与纯铝基体复合材料的室温强度相近，显示出明显的效果。,表1不同合金元素含量对碳/铝复合材料拉伸性能影响,14,界面组成及成分变化,界面区的位错分布,界面强度的表征,界面残余应力的测定,界面结构的高分辨观察及其原子模拟,1,2,3,4,5,界面是复合材料极其重要的组成部分,全面而确切地表征界面是控制和改善金属基复合材料的最重要基础之一。,5.1复合材料界面表征,二.制备方法,这里主要介绍粉末冶金复合法。粉末冶金复合法基本原理与常规的粉末冶金法相同，包括烧结成形法、烧结制坯加塑法加工成形法等适合于分散强化型复合材料（颗粒强化或纤维强化型复合材料）的制备与成型。优点是：基体金属或合金的成分可自由选择，基