复合材料概论第4章-复合材料的界面

2020/2/261第四章复合材料的界面2020/2/262复合材料性能基体性能增强体性能＝＋玻璃纤维断裂能10J/m2聚酯断裂能100J/m2玻璃纤维增强聚酯复合材料断裂能105J/m21＋122020/2/263Outline•概述•复合材料的界面•增强材料的表面处理•复合材料界面的表征•复合材料的界面优化处理2020/2/2641.概述复合材料的界面：基体与增强物之间化学成分具有显著变化的、构成彼此结合的、能够起载荷传递作用的微小区域。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2020/2/265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：（1）传递效应：界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。（2）阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。（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、耐热性和磁场尺寸稳定性等。2020/2/266（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、耐机械冲击性等。（5）诱导效应：一种物质（通常是增强剂）的表面结构使另一种（通常是聚合物基体）与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强弹性、低膨胀性、耐热性和冲击性等。2020/2/2672.复合材料的界面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界面层结构界面结合力界面区域（厚度）界面微观结构宏观结合力微观结合力2020/2/268(2).界面作用机理液滴在固体表面的不同润湿情况=（F/A）TVWA=S+L-SL当q90o，液体不润湿固体；q=180o,固体表面完全不能被液体润湿；当q90o，液体润湿固体；q=0o，液体完全平铺在固体表面。接触角随温度、保持时间、吸附气体等而变化。Lcosq=S-SLWA=S+L-SL=L（1+cosq）产生良好结合的条件如下：1)液体粘度尽量低；2）S略大于La.界面浸润理论2020/2/269在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形成共价键结合。偶联剂含有与增强体和基体反应的官能团。实质是强调增加界面的化学作用是改进复合材料性能的关键。b.化学键理论表面结合化学键示意图c.物理吸附理论增强体与基体之间的结合属于机械咬合和基于次价键的物理吸附。偶联剂的作用主要是促进基体与增强剂表面完全浸润。2020/2/2610d.变形层理论增强体与基体热膨胀系数的差别会在界面产生残余应力，载荷作用也会在界面产生应力集中，增强体表面处理可以在界面形成塑性层，起到松弛并减小界面应力的作用。偶联剂会导致生成不同厚度的柔性基体界面，但柔性层的厚度与偶联剂本身在界面区的数量无关。e.拘束层理论界面区（包括偶联剂部分）的模量介于树脂基体和增强材料之间时则可最均匀的传递应力。偶联剂的作用是一端拉紧界面上的聚合物分子结构，一端以硅醇基团与玻璃等无机材料粘结。接受者不多，缺乏必要的实验根据。2020/2/2611B.金属基复合材料的界面a.界面的结合机制界面的结合力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。2020/2/2612界面结合形式机械结合：增强体与基体之间纯粹靠机械连接。具有这类界面结合的复合材料力学性能差，不宜作结构复合材料使用。存在于所有复合材料中。溶解和浸润结合：增强体与基体之间发生润湿，并伴随一定程度的相互溶解。在原子范围内靠电子的相互作用产生。反应结合：基体与增强体之间发生化学反应，在界面上形成化合物。需要严格控制界面反应产物的数量，防止在界面上形成过量的脆性相，从而影响材料强度。2020/2/2613交换反应结合：含有两种以上元素的基体与增强体之间除发生化学反应在界面上形成化合物外，还通过扩散发生元素交换。氧化物结合：实为反应结合的一种特殊情况。在界面上由基体与增强体表面的氧化物发生相互作用而形成的一种结合形式。混合结合：为最重要、最普遍的结合形式。2020/2/2614界面类型类型Ⅰ类型Ⅱ类型Ⅲ界面特征增强材料与基体互不溶解、互不反应增强材料与基体不反应，但能相互溶解增强材料与基体相互反应，生成界面反应产物典型的MMCW丝/CuAl2O3f/CuBf/AlAl2O3/AlSiCf/AlBf/Mg镀Cr的W丝/CuCf/NiW丝/NiCf/AlBf/TiSiCf/TiW丝/Cu-Ti合金Al2O3f/Tib.界面的类型及界面模型2020/2/2615•Ⅰ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。2020/2/26162020/2/2617•Ⅱ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。2020/2/2618Ni基体CfCf中渗Ni，形成Ni环Cf/Ni复合材料的界面形态2020/2/2619•Ⅲ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。2020/2/2620SiCf/Ti-6Al-4V复合材料界面,2020/2/2621•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。2020/2/2622以W/Cu复合材料的界面研究结果为例1.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。2.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。3.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。4.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。2020/2/2623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。Ⅰ型界面模型控制复合材料的两类性能：I型复合材料界面模型界面抗拉强度横向强度压缩强度断裂能量界面剪切强度纤维临界长度纤维拔出情况下的断裂功断裂时基体的变形2020/2/2624Ⅱ、Ⅲ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。2020/2/2625脆性界面层对复合材料性能的影响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。在Ⅱ、Ⅲ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。2020/2/2626复合材料强度与界面层厚度的关系2020/2/2627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。2020/2/2628临界厚度的确定2])(2[211112*1fufulcffdEEddi*1化合物层的临界厚度1ul已知平均强度的化合物层的厚度uluf分别为纤维及化合物层的平均抗拉强度2020/2/2629复合材料组分的相容性物理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。另外，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。另一个重要的物理关系是热膨胀系数。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。思考题：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？2020/2/2630化学相容性化学相容性：指组成复合材料的各组元（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两个方面。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。2020/2/2631对高温复合材料来说，以下因素与复合材料化学相容性有关的问题则十分重要：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：各组分的表面能可能很高，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。2020/2/2632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2020/2/2633常见复合体系界面的化学相容性铝及铝合金基复合材料铝-碳系、铝-硼系、铝-碳化硅系、铝-氧化铝系、铝-铁系钛及钛合金基复合材料钛-硼系、钛-碳化硅系、钛-碳系镍和镍合金基复合材料镍-钨系、镍-钼系、镍-碳化硅系、镍-氮化钛系、镍-金属碳化物系、镍-碳系镁和镁合金基复合材料镁-碳系、镁-硼系2020/2/2634•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2020/2/2635一般说来，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。2020/2/2636•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2020/2/2637界面的控制方法有以下几类：增强材料的表面处理；向基体添加特定的元素；优化制备方法和工艺参数。制备高性能的MMC，控制界面反应程度极为重要，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