论复合材料中的界面问题及其对性能的影响

复合材料中的界面问题及其对性能的影响王衡乐斌魏晓雪倪杰温锦生陈亮亮赵轶群周绍鑫黄敏[清华大学材料科学与工程系，北京100084]Ⅰ引言复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相（界面相）组成，各自都有其独特的结构、性能与作用。增强相主要起承载作用；基体相主要起连接增强相和传载作用；界面是增强相和基体相连接的桥梁，同时是应力的传递者。[1]复合材料界面问题的系统研究始于60年代初期。1962年美国材料咨询委员会（MBA）成立了一个研究纤维增强复合材料界面的专业组。此后，复合材料的界面问题的研究引起了许多研究者的注意和兴趣。[2]Ⅱ复合材料中的界面[2]首先我们来了解一下到底什么是复合材料的界面。组成复合材料的几相材料中（至少有两相），一般有一相以溶液或熔融流动状态与另一相或其它相接触，然后进行物化（固化）反应使相与相之间结合在一起。而两相互相作用的结果即生成复合材料的界面。因此界面并不是单纯的一个几何面，而是一个过渡区域。一般来说，这个区域是从与增强物内部性质不同的那一点开始到基体内与基体性质相一致的某点终止。该区域材料的结构与性能不同于两相组分材料中的任一相，称此区域为界面相或界面层。复合材料中界面相的形成机理一直是人们关心的问题，目前主要有以下六种理论对此做出解释：化学键合理论、浸润—吸附理论、扩散作用、弱界面层理论、静电作用和机械作用。里界面鲜的微尝观结扔构包妻括界飘面的鞋组成渗和结子构扰，发界面榨区的求成分聪及其款分布香，近笑界面师基体修一侧培的位途错密塞度及琴其分迎布等锐，萌复合脊材料给的界稿面会在受到刚温度坡、与场基体撒和增咏强剂享结构阶性能伙匹配捞度等转各种惧因素牢的影德响，粗而且纯这些院因素校的影勇响作诚用几篇乎是模决定堡性的绍。测汗定界碗面性峰能的拉方法谅主要杠有单慕丝拔尾出试袭验、什微脱糕粘试醋验、届微键省强测御试以逃及微问压痕标试验浇、双墨悬臂豪梁法睛等非秋直接勉方法付。港界面畏对复狐合材航料睁的性宽能具湿有很赌大的粗影响厕，如教刚度敌、疲找劳、对裂纹演及韧拒性等戒重要崖力学泼参数胸。眼以下说我们陕主要编以几示个例袜子来以具体镜说明止无机混复合意材料愿中的搞界面亏问题椒及袜对性写能的办影响颗。筹Ⅲ号晶须踢增韧豆陶瓷申基复杂合材丧料中尤的界静面问选题趟复合秀材料蒙中，养界面仅结合告力博τ捷（椒f/浩m避）哈的状涌态直乳接影宵响复师合材曲料的今性能烫。脚陶瓷廊基复镇合材涂料中征存在飘两种咳界面宝，一荣种是演晶库须个(唤纤牺维这)雷与基桂体之逗间的计界勉面昼(w她/m稼)请，一皆种是埋多晶特陶瓷设中陶棵瓷晶亚粒与涉晶粒迹之间涌的界胆面无(维g/筋g慨)革。既荷要达院到增铸韧效慰果，旁又要挖能保吉持陶架瓷的斥高温缘高强会度的确特长晴，就诸必须匙从调向节以惭上两贷种微揉观界种面入痛手，浊调节午的目坟标是刷尽可框能使领两种再界面延的相匙互关西系接水近佳图采1售所示找的显笨微结蔬构模柱型，挂在结稿合强育度的尖表征克方面丈，要陡使界更面结呆合力硬τ祥(w领/m廉)魂≤τ抚(g港/g迟)塔[疤3需]闪。获选用迈特有贤的晶捆须处诚理以油及晶油须混晃合工浩艺拨，斯可以荣使复糕合材米料的鞭界面育接近庙图敌1蚀的材坊料结夸构模虽型，肥所制刷得的奴晶须顾增韧捧氮化锈硅陶嚼瓷材颠料的仿性能讨达点到匹K变I陡c幻=1汁0.等5蒙MP蛙a胁·幅M宗l/哀2粪，抗陆弯强陪度览σ竭＝飞l0土OO打MP划a延的良蹄好结菌果宗[预4苏]含。实麦验结糟果还枯表明淹，宏能够判形成判良好蓝界面歪的林晶须怜的加秘入，莲对氮呢化硅补陶瓷胡的高旦温强割度的裂提高鲁也有增益尸。加蹈入姓1嫌0废－宿20环%S岗i广C郊晶须亮后氮姑化硅城在伤13掀7每0复℃国高温倡下还芝达躬到峡83颗0M拼P碧a砌的高解温强哑度，芹从室晨温到策高温寻的强悟度降累低率乖不大陷于银10歼%烤[誉5泽]哗。伙图床2凑展示宴了经赖过处协理后抵的晶粮须的民断面剖状态待。从捏图狱2萄A牲的纵商断竖面上雕，可佩以观陈察到虏晶须非周围拜形成胖了颜厨色更岔加明喉亮的鸟均匀嫌表面音层害；垒从晶盖须的皆横断扑面上颗，可舰以观趁察到管晶须数内部锹形成首了同课心圈径状结陷构。稻晶须抚中心赶（勿内圈辫）活的位烧错线疗终止惹在晶叉须的克内圈好与外畅圈的始界面悲上。不成分困分析届表明敬，晶天须的庆外圈浊中含得有住5觉%彩的界丈面改颂性浮元申素侍（荷代号黄M感）攻。予M羡组分轰在内若圈却迟少捷于盗2狂%字，而其且还砖可能叔是分援析斑姻点过陡大引万起的源分析吵误差本。从恨横断冲面的狂状态刻可以底看出押，滑M苹圈层己的存氏在保远护了结β宰－啄S她i妻C挨晶须针不出拆现太一般斥烧结敏过程累中容蹲易产容生的熔β父－割α墨相变剥现象过。踩将特兆殊处麻理后责的国标产晶汪须加仓入到冈氮化市硅陶葡瓷刀霜具材距料中槽后，市复合运材料枕的墨韧性积得到叛了明踏显渐的改轮善。欧图容3布和樱图虎4少是加童入晶制须前校后的携氮化子硅刀穗具材底料的驰断裂郊状态罗对比豪。当续材料钥表面予受到右金刚宋石压债头的近挤压笨而形提成维肺氏压荐坑时微，一杜般顺愉压坑镇对角碍线形旺成裂侧纹。协未加继入刀股具材分料，洲受压乐后立名即形节成直哨而长颠的裂袍纹，雹而加顿入晶雁须后嫂的材谦料受败压后模，形牺成的堂裂纹您短而掌不规寇则，枕呈折放线状赶。右锹侧是宣两种润材料查中裂辫纹延浴伸的余形态喝，两江者显技示明惹显的场差异炉。展由此欺得到夕结论泳是，也具有斗良好会界面影的侧晶须线在刀鼠具氮诉化硅增材料疤中引俯起了争裂纹拢的偏遥转，血更多旬地吸察收了趋断裂蔬能，叮增加广了材糟料的停断裂牛韧性眉。霉Ⅳ军纤维琴增强定陶瓷些基复倦合材闻料拳中避的界熊面问遣题偿纤维迫增强湿陶瓷比基复奖合材池料教中，勤纤维做的脱珍粘与颜拔出宫同纤门维与碑基体忽间的庄界面膊特性隆密切竿相关巧，霜为了敞使复近合材锅料具雾有优纱异的见力学补性能爆，丑复合炎材料坦必须豆满足洒以下表基本盒条件慧：恋(1窜)窄纤维旬与基娘体间嘉界面灰结合风强度奖适中扎(2终)妥纤维叔与基图体间童的物每理相愉容性边好卧(3糊)虎纤维营与基迹体的革化学范相容趋性好餐由于何高温枯（哀80脉0肿～筒20娘00拌℃伞）污处理弃是纤阻维与匙基体沾之间器产生滚结合获强度水的必惜要过弓程赶，敌因此镇在复闹合材罢料中套，拒纤维颗与基迎体间风的反责应和辨互扩稼散作对用以鸭及两胁者之锻间热赏膨胀缘系数排的差茅异等陪使界孟面的聪形状前、尺蝶寸挖、成西分和队结构联等变胁得十矮分舌复杂绕。一仗般幕情况屡下赴，忌如不医经过贷特别个处理于（顿如采夸用纤短维涂住层等回）恒，中基体绣对纤额维的磁损伤慎较为逝严重宽，削而且铺纤维裕与基嫁体间普的界唱面结裹合也饮较强拳（草包括雁物理块与化返学结轨合屈）恩，绸从而喜导致核复合静材料茅呈现煎脆性密断裂和。为感了获冻得高窝性能臂，凤特别中是高林韧性熊的纤棵维增国强复籍合材邻料介，巧必须山严格由控制酷纤维林与基适体间微界面齐结构朽与性姑能爬，五使复猪合材丈料满钉足上隔述基忠本条已件临，龙从而催较好醒的实愤现纤敞维补编强增特韧作成用。滨实验盆证明要，贱界面时改性每是目烘前较姿为理腥想的除方法柱。它挂主要趴是通察过在给纤维击与基仇体间香形成诉所设埋计的锣界面国相来护改善畅纤维阵与基竹体的橡界面缎特性钥，愤使制闸备的呈纤维背增强哲复合宜材料致能够肾满足盾上述辞三个印条件巡，废从而足达到聪改善罪复权合材票料性涨能的泽目访的。怜根据元纤维拒增强筒陶遮瓷基坦复合汇材料筑对界赢面相共的要肾求鼓，酷理想死的界皇面相述应具匪有以名下功紧能：故(1移)煎松粘崖层作境用。械当基她体裂糊纹扩趣展到嫂界面椅区时车，处此界星面相冈能够泛使裂威纹发狐生偏跑转恋，哀从而腰达到领调整闻界面膏应力穿，眼阻止统裂纹悬向纤热维内射部扩劈展的欧目的典；及(2岩)族载荷脏传递揉作用汤。由现于纤作维是妹主要盼的载旬荷承扎担者魂，柳因此义界面下相必于须有然足够精的强叙度来遮传递两载荷籍，咐使纤耍维承输受大拌部分劫载荷闻；园(3区)若缓解藏层作贿用。久由于耗纤维筛与基纲体间判的热际膨胀报系高数健(C滑TE印)夹差异墙易导住致界不面出时现残船余热接应力劝而影豆响复江合材躺料的撒性能天，隔因此养，向界面歼相必见须具鼻备缓壤解纤姿维与眨基体油间界警面残帮余热夕应力途的作坊用胳；各(4日)演阻碎挡群层作涝用。讯高温疗下基竹体与反纤维沾之间惜的痕互扩荐散树(絮甚至岁化学厕反景应刑)杀，愉不仅锄使纤蚁维与悄基体猛间的吩界面荷结合震增强金，戒而且浓导致步纤维楚本身门性能郑大幅妖度降伤低承，茅因此贷，猛界面注相必博须具粱有阻洽止或栽抑制斯纤维色与基握体间教原子惯互扩卧散和辈化学用反应忙的作奏用。欣要实绞现这起些功箭能，屈需要跪对界慌面进姜行改顿性，御改性阿的方穿法主帽要包费括村：队(1汉)牺在基瓜体中骂添加摇某些鲁组分孕。利猛用添符加组株分在电界面壁处的睡偏聚煎来调锹整基赖体与不纤维疏间的蜓物理颤和化捞学相端容性诸、避裁免或恼减小辈纤维猾与基党体间削的有陷害化芽学反伪应臣，牲从而朽达到耕改善赛界面查特性及的作申用洋；这(2室)鹅复合爱材料辟制备字过程愁中叼，么在纤箩维表扩面原同位形占成富爬碳层弱；登(3奥)殿采用怒复合洞纤耗维拐(d削up礼le趴x铃f姜ib若er捷)信。社在掏复合旺材料俱中，宏高强然度金需要免强界座面睛，而娇良好畅的萝韧性茅则要扩求喇弱界扔面蝶，田为了窄解决巾这一里矛盾柄，璃可以街通过零采用僻复合字纤维氏的方焰法结顷合起资来。杯如美昼国店Te蓝xt抛ro局n遇公司摄制造独的装SC岁S2丸2挺和乳SC宅S2贯6诊纤维姜。这城种复鄙合纤薯维是也在内匀部纤菌维芯冠的外捐表包需了一丘个鞘绣层腿，外鞘层逼与周辞围基籍体的粒结合罩很强博，肃但内顶部的胞纤维尊芯与为鞘层球的结引合较端弱。于当复咳合材粗料发踪生断剖裂时电，吊拔出倘可以杠发生疼在鞘卡层与线芯之血间；侄(4蔬)愈纤维决表面庭涂层网。它午是根杏据纤善维和秤基体凶的特长性朗，轨事先搂在纤洒维表介面涂驾敷一拿层涂剃层袋，倦使其从在复受合材胆料中言起到赖界面铲相作惩用。徐如筒A.扩H叮oj系im拉a厚等人伐发现刊纤维灯含卸有收B4做C闪涂层搅的泄Cf卫/雷纽Si蝶C棉复合邀材料帜与纤淋维不直含涂灵层戚的怕C勿f园/匙Si凉C更复合横材料裹在同肺样的茫温度认处理浊时茶，馅Si表原子夫几乎敞不扩季散到槐碳纤卫维内拐部柿，终说寇明辩B4逃C撞涂层揪具有怒很好好的阻恐挡作成用短，葬对于迅改善昨界面叫结合膨和提墓高纤予维强廊度保居留率极十分愉有利博。无Ⅴ脉陶瓷破颗粒挪增强旷轻金德属基贤复合退材料倘中的吧界面天问题竿陶瓷份颗粒允增强坡轻金照属鼓(A服l,阿Mg村,T皱i炸基问)温由于鹿低成振本、迫高模柔量、妻高强室度、违高耐泥磨性池、易作于制低造等华优点绵，快在航和空航李天工斩业、矮汽车专工业烂及其左他结萌构工总业中顽产业菜应用罩的可山能性库大增检。困下面甩以种Si幸C蛋颗粒铜增强通的根A最l羽基复旧合材仇料为秤例，污就其黄界面颂反应习和界谜面优禁化的祥问题霸进行品讨论象。颤一录Si妖C贤p拼/A担l为的界狱面反举应枣近年肥来，坦人们刃对于朵界面践反应诊的过刃程做愉了很玩多研身究，专并在出此基区础上钞提出副了几督个界菌面反外应的她模型湾。不催同的春界面燃模型膀有其对相应吹的适科用对顷象。励对暴于嘱Si字Cp百/A测l残系，世常见灿的允反应湾式杜为自：梢反应后产夫物很Al磨4侍C怪3秆与竟Al巨4其Si礼C霜4势形成刷连续若的膜扔层或结孤立自的析张出粒觉子买[龄6访]览界面略反应疾的过移程分劲为如师下几狐个步鲜骤效[祥7纽]祸：=1\*GB3班①旱Si语C凤在惰A粥l孝液的遍作用雪下溶据解络；=2\*GB3漂②宾S狠i肿和笑C罗的原湾子滩自滤Si胞C眯表面朵向愤A泡l播液中啊扩散喉；=3\*GB3予③余S著i馆和披C漏在浓鸭度及辜温度稻合适管的条洗件下栽在岂Si韵C/苦A凉l袄液界公面发容生化嘉学反骡应，荒形成阵界抬面反放应产资物。惧施忠际良绪[先8败]极等人广利究用黄FE引-S改E耍M替对挤护压铸加造工贼艺制睁成捷的淹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