材料表面与界面(5-2)

1、材料的表面与界面材料的表面与界面 Surfaces and Interfaces Surfaces and Interfaces in Materialsin Materials 第第5章章 金属基复合材料中的界面金属基复合材料中的界面 第第5章章 金属基复合材料中的界面金属基复合材料中的界面 5.4 金属基复合材料界面性能测试金属基复合材料界面性能测试 界面性能主要包括力学性能（界面结合强度，区域界面硬度）和界面物理性能（导电、导热界面性能主要包括力学性能（界面结合强度，区域界面硬度）和界面物理性能（导电、导热 等）。界面结合强度是指使基体与增强体从界面结合态脱开所需要的作用在界面上的应等）

2、。界面结合强度是指使基体与增强体从界面结合态脱开所需要的作用在界面上的应 力，它是复合材料力学性能的重要指标，是连接复合材料界面的微观性质与复合材料的力，它是复合材料力学性能的重要指标，是连接复合材料界面的微观性质与复合材料的 宏观性质的纽带，对复合材料的性能具有重要的影响，一直是复合材料研究领域中十分宏观性质的纽带，对复合材料的性能具有重要的影响，一直是复合材料研究领域中十分 活跃的课题。活跃的课题。 复合材料界面强度细观试验方法的研究是界面细观力学的一个重要方面。它一方面可以有助复合材料界面强度细观试验方法的研究是界面细观力学的一个重要方面。它一方面可以有助 于揭示界面的物理本质于揭示界面

3、的物理本质, 验证理论模型的可靠性验证理论模型的可靠性, 另一方面可以确定界面参数另一方面可以确定界面参数, 为复合材为复合材 料的设计提供依据。界面强度的研究是必须以有效的测试、表征手段为前提的。料的设计提供依据。界面强度的研究是必须以有效的测试、表征手段为前提的。 目前尚无直接测量金属基复合材料界面结合强度的方法。对连续纤维增强金属基复合材料，目前尚无直接测量金属基复合材料界面结合强度的方法。对连续纤维增强金属基复合材料， 可采用较易测量的界面剪切强度来表征界面结合强度。而对非连续增强金属基复合材料，可采用较易测量的界面剪切强度来表征界面结合强度。而对非连续增强金属基复合材料， 界面变得更

4、加复杂，影响因素也增加了很多，这给界面强度的测量带来了更大的困难，界面变得更加复杂，影响因素也增加了很多，这给界面强度的测量带来了更大的困难， 这种剪切强度已无法测量。这种剪切强度已无法测量。 第第5章章 金属基复合材料中的界面金属基复合材料中的界面 5.4 金属基复合材料界面性能测试金属基复合材料界面性能测试 宏观试验方法，宏观试验方法，a) 短梁剪切，短梁剪切， b) 横向或横向或45o 拉伸，拉伸， c) 导槽剪切，导槽剪切， d) 圆筒扭转圆筒扭转 5.4.1 界面强度的测试方法界面强度的测试方法 宏观实验方法是指利用复合材料宏观性能来评价纤维与基体之间界面应力状态的试验方法。宏观实验

5、方法是指利用复合材料宏观性能来评价纤维与基体之间界面应力状态的试验方法。 该试验是在纤维基体界面共同作用下进行的，结果除了与复合材料界面结合状况有关外，该试验是在纤维基体界面共同作用下进行的，结果除了与复合材料界面结合状况有关外， 与复合材料中的纤维、基体、孔隙及缺陷的含量与分布也有关系，所以这些方法相对来与复合材料中的纤维、基体、孔隙及缺陷的含量与分布也有关系，所以这些方法相对来 说较粗糙，只能定性的分析评价复合材料界面性质。说较粗糙，只能定性的分析评价复合材料界面性质。 （1）连续增强金属基复合材料界面强度的测试方法）连续增强金属基复合材料界面强度的测试方法 宏观测试方法宏观测试方法 第第

6、5章章 金属基复合材料中的界面金属基复合材料中的界面 5.4 金属基复合材料界面性能测试金属基复合材料界面性能测试 单纤维拔出示意图单纤维拔出示意图 5.4.1 界面强度的测试方法界面强度的测试方法 单纤维拔出试验是将增强纤维单丝垂直埋入基体之中，然后将单丝从基体中拔出，测定纤维单纤维拔出试验是将增强纤维单丝垂直埋入基体之中，然后将单丝从基体中拔出，测定纤维 拔出应力，从而求出纤维与基体间的界面剪切强度拔出应力，从而求出纤维与基体间的界面剪切强度 （1）连续增强金属基复合材料界面强度的测试方法）连续增强金属基复合材料界面强度的测试方法 单纤维拔出方法单纤维拔出方法 第第5章章 金属基复合材料中

7、的界面金属基复合材料中的界面 5.4 金属基复合材料界面性能测试金属基复合材料界面性能测试 特别样品台示意图特别样品台示意图 5.4.1 界面强度的测试方法界面强度的测试方法 原位测试法的基本原理是在光学显微镜下借助精密定位装置，利用金刚石探针对复合材料试原位测试法的基本原理是在光学显微镜下借助精密定位装置，利用金刚石探针对复合材料试 样中选定的单纤维施加轴向载荷，使得这根受压纤维端部与周围基体发生界面微脱粘，样中选定的单纤维施加轴向载荷，使得这根受压纤维端部与周围基体发生界面微脱粘， 记录脱粘时的轴向压力，然后建立以此纤维为中心的微观力学模型，通过有限元分析并记录脱粘时的轴向压力，然后建立以

8、此纤维为中心的微观力学模型，通过有限元分析并 输入纤维、基体和复合材料的弹性参数和纤维直径、基体厚度及微脱粘力计算出界面剪输入纤维、基体和复合材料的弹性参数和纤维直径、基体厚度及微脱粘力计算出界面剪 切强度。切强度。 （1）连续增强金属基复合材料界面强度的测试方法）连续增强金属基复合材料界面强度的测试方法 原位测试法原位测试法 单纤维顶出细观模型单纤维顶出细观模型 第第5章章 金属基复合材料中的界面金属基复合材料中的界面 5.4 金属基复合材料界面性能测试金属基复合材料界面性能测试 5.4.1 界面强度的测试方法界面强度的测试方法 （1）连续增强金属基复合材料界面强度的测试方法）连续增强金属基

9、复合材料界面强度的测试方法 原位测试法原位测试法 三种三种SiC(nicalon)/Al复合材料界面强度复合材料界面强度 试件编 号 测试 次数 平均顶出 载荷（N） 样品平 均厚度 （m） 界面结合 强度 （Mpa） 离散系数 （%） 1-5N0 2-1NA 3-5N7 9 12 9 0.523 0.662 0.654 180 180 180 68.51 86.72 85.67 4.0 5.6 7.8 第第5章章 金属基复合材料中的界面金属基复合材料中的界面 5.4 金属基复合材料界面性能测试金属基复合材料界面性能测试 临界纤维长度法示意图临界纤维长度法示意图 5.4.1 界面强度的测试方法

10、界面强度的测试方法 临界纤维长度法也称断片试验方法，是一种比较常用的复合材料的试验方法。将单纤维埋在临界纤维长度法也称断片试验方法，是一种比较常用的复合材料的试验方法。将单纤维埋在 基体内，沿纤维方向对基体施加拉伸载荷。随应变的逐渐增加，在纤维端部由基体通过基体内，沿纤维方向对基体施加拉伸载荷。随应变的逐渐增加，在纤维端部由基体通过 界面传递的剪应力线性增大。当纤维应力超过局部断裂应力时，纤维断裂，拉伸载荷继界面传递的剪应力线性增大。当纤维应力超过局部断裂应力时，纤维断裂，拉伸载荷继 续增大，纤维的断头随之增加，当断裂长度达到临界纤维长度续增大，纤维的断头随之增加，当断裂长度达到临界纤维长度L

11、c时，纤维不会再继续断时，纤维不会再继续断 裂，也就是说界面传递的剪应力不再使纤维断裂。通过声发射技术可测得断裂纤维的长裂，也就是说界面传递的剪应力不再使纤维断裂。通过声发射技术可测得断裂纤维的长 度。度。 （1）连续增强金属基复合材料界面强度的测试方法）连续增强金属基复合材料界面强度的测试方法 临界纤维长度法临界纤维长度法 第第5章章 金属基复合材料中的界面金属基复合材料中的界面 5.4 金属基复合材料界面性能测试金属基复合材料界面性能测试 5.4.1 界面强度的测试方法界面强度的测试方法 时至今日，已有的测试技术还局限在长纤维增强金属基复合材料的测试上，对非连时至今日，已有的测试技术还局限

12、在长纤维增强金属基复合材料的测试上，对非连 续增强金属基复合材料界面强度还没有确切的试验方法。只有一些学者从原子续增强金属基复合材料界面强度还没有确切的试验方法。只有一些学者从原子 角度或力学角度对非连续增强金属基复合材料界面强度进行估计计算和模拟，角度或力学角度对非连续增强金属基复合材料界面强度进行估计计算和模拟， 但这些方法还很不成熟，没有统一的结论，需要进一步的探索和研究。但这些方法还很不成熟，没有统一的结论，需要进一步的探索和研究。 （2）非连续增强金属基复合材料界面强度的测试方法）非连续增强金属基复合材料界面强度的测试方法 第第5章章 金属基复合材料中的界面金属基复合材料中的界面 5

13、.4 金属基复合材料界面性能测试金属基复合材料界面性能测试 5.4.2 增强相的临界长径比增强相的临界长径比 在复合材料发生断裂时，增强相是否发生断裂取决于如下三个因素：（在复合材料发生断裂时，增强相是否发生断裂取决于如下三个因素：（1）增强相的断裂强度；）增强相的断裂强度； （2）增强相的形状和尺寸；（）增强相的形状和尺寸；（3）增强相和基体界面单位面积能够传递的最大载荷。）增强相和基体界面单位面积能够传递的最大载荷。 对于一个给定的短纤维增强的金属基复合材料体系，短纤维若能在复合材料断裂时发生破断，对于一个给定的短纤维增强的金属基复合材料体系，短纤维若能在复合材料断裂时发生破断， 其长径比

14、需要大于某一个临界值。也就是说，长径比低于该临界值的短纤维在复合材料其长径比需要大于某一个临界值。也就是说，长径比低于该临界值的短纤维在复合材料 断裂时不可能发生破断，而只有那些长径比大于该临界值的短纤维在复合材料断裂时才断裂时不可能发生破断，而只有那些长径比大于该临界值的短纤维在复合材料断裂时才 有可能发生破断。我们称该临界值为短纤维增强金属复合材料增强相的临界长径比有可能发生破断。我们称该临界值为短纤维增强金属复合材料增强相的临界长径比 。 。 l d PP 断裂部位断裂部位 纤维纤维 基体基体 纤维纤维临界长径比计算示意图临界长径比计算示意图 第第5章章 金属基复合材料中的界面金属基复合

15、材料中的界面 5.5 界面结合状态对金属基复合材料性能的影响界面结合状态对金属基复合材料性能的影响 5.5.1 界面反应对金属基复合材料性能的影响界面反应对金属基复合材料性能的影响 Al18B4O33w/AC8A复合材料拉伸性能与复合材料拉伸性能与挤压铸挤压铸造温度关系曲造温度关系曲线线 第第5章章 金属基复合材料中的界面金属基复合材料中的界面 5.5 界面结合状态对金属基复合材料性能的影响界面结合状态对金属基复合材料性能的影响 5.5.2 增强体表面涂覆对金属基复合材料性能的影响增强体表面涂覆对金属基复合材料性能的影响 Ni涂涂层层及无涂及无涂层层SiC颗颗粒复合材料弯曲粒复合材料弯曲应应力力应变应变曲曲线线 第第5章章 金属基复合材料中的界面金属基复合材料中的界面 5.6 金属基复合材料界面微观结构金属基复合材料界面微观结构 SiCp/2014Al复合材料复合材料热处热处理后提取理后提取SiC颗颗粒粒扫扫描