复合材料导论第二次作业

1、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

2、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

3、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,机械结合,基体与增强物之间纯粹靠机械连接的一种结合形式，由,粗糙的增强物表面及基体

4、的收缩产生的摩擦力完成,溶解和润湿结,合,基体与增强物之间发生润湿，并伴随一定程度的相互溶,解而产生的一种结合形式,反应结合,基体与增强物之间发生化学反应，在界面上形成化合物,而产生的一种结合形式,氧化物结合,这种结合实际上是反应结合的一种特殊情况,混合结合,这种结合是最重要、最普遍的结合形式之一，因为在实,际的复合材料中经常同时存在几种结合形式,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,

5、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,

6、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,2,3,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

7、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,

8、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

9、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,0.5,Zr,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。,抗拉强度,/ MPa,室温,400、,1h,600、,1h,纯,Al,Al-,0.1%Zr,Al-,0.5%Zr,1155.4,1095.6,1224,1014.3,1032.1,1232.8,748.7,862.4,1102.5,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