复合材料_第三讲界面精要.ppt

金属基和陶瓷基复合材料，形成界面层的主要原因之一是生产制备过程要经历高温。在高温下扩散极易进行，扩散系数D随温度呈指数关系增加，按照Arrhenius方程：　　　　　D = D0 exp（- Q/RT） D：扩散系数；Q：扩散激活能。 R为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。 其他结合 聚合物复合材料还有物理吸附理论、过渡层理论；金属基体和陶瓷基体复合材料还有物理结合理论 混合结合 这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。是以上几种结合方式中几个的组合。 四、界面结合方式 界面结合强度低，则增强纤维与基体很容易分离，在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象，起不到增强作用；但界面结合强度太高，则增强纤维与基体之间应力无法松弛，形成脆性断裂。 在研究和设计界面时，不应只追求界面粘结而应考虑到最优化和最佳综合性能。 五、界面及界面改性方法 不同界面结合强度断裂纤维周围基体形态模型 a. 弱界面结合状况 b. 界面结合适中状况 c. 界面结合过强状况 1、聚合物基复合材料界面改善原则 1）在聚合物基复合材料的设计中，首先应考虑如何改善增强材料与基体间的浸润性。一般可采取延长浸渍时间，增大体系压力、降低熔体粘度以及改变增强体织物结构等措施。　２）适度的界面结合强度　３）减少复合材料中产生的残余应力　４）调节界面内应力和减缓应力集中 聚合物基体复合材料改性方法 １、颗粒增强体 ２、纤维增强体复合材料界面改善  a)纤维表面偶联剂 b)涂覆界面层 c)增强体表面改性  不易与树脂结合，但易使树脂浸透，能使纤维间的空隙被树脂填充得较为密实； (a) (b) (c) (d) 能与树脂起较好的机械结合作用，但高粘度的基体有时很难完全浸润其表面，造成很多空隙，成为应力传递的薄弱环节。 2、金属基复合材科界面 金属基体在高温下容易与增强体发生不同程度的界面反应，金属基体多为合金材料，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。 金属基复合材料界面结合方式有化学结合、物理结合、扩散结合、机械结合。总的来讲，金属基体复合材料界面以化学结合为主，有时也会出现几种界面结合方式共存。 金属基体复合材料的界面有3种类型：第一类界面平整、组分纯净，无中间相。第二类界面不平直，由原始组分构成的凸凹的溶解扩散型界面。第三类界面中含有尺寸在亚微米级的界面反应物。多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度的界面反应。 TiB2/NiAl原位复合材料 碳/铝（含镁）复合材料析出物形貌，有Mg17Al12化合物析出相 碳/铝复合材料界面微结构　(a)快速冷却　(b)慢速冷却 类 型 1 类 型 2 类 型 3 纤维与基体互不反应亦不溶解 纤维与基体互不反应但相互溶解 纤维与基体反应形成界面反应层 钨丝 / 铜 Al2O3 纤维 / 铜 Al2O3 纤维 / 银 硼纤维（BN表面涂层） / 铝 不锈钢丝 / 铝 SiC 纤维 / 铝 硼纤维 / 铝 硼纤维 / 镁 镀铬的钨丝 / 铜 碳纤维 / 镍 钨丝 / 镍 合金共晶体丝 / 同一合金 钨丝 / 铜 – 钛合金 碳纤维 / 铝（? 580 ?C） Al2O3 纤维 / 钛 硼纤维 / 钛 硼纤维 /钛-铝 SiC 纤维 / 钛 SiO2 纤维 / 钛 金属基复合材料界面类型 界面结合结合太弱，受载时，纤维大量拔出，强度低；结合太强，纤维受损，材料脆断，既降低强度，又降低塑性。只有界面结合适中的复合材料才呈现高强度和高塑性。 纤维 基体 负荷 裂纹 负荷 金属基复合材料的界面控制研究方法： 1）对增强材料进行表面涂层处理 在增强材料组元上预先涂层以改善增强材料与基体的浸润性，同时涂层还应起到防止发生反应的阻挡层作用。 2）选择金属元素 改变基体的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻挡层来控制界面反应。尽量避免选择易参与界面反应生成脆硬界面相、造成强界面结合的合金元素 3）优化制备工艺和参数 金属基体复合材料界面反应程度主要取决于制备方法和工艺参数，因此优化制备工艺和严格控制工艺参数是优化界面结构和控制界面反应的有效途径。 3、陶瓷基复合材料的界面 陶瓷基体复合材料指基体为陶瓷材料的复合材料。增强体包括金属和陶瓷材料。界面结合方式与金属基体复合材料基本相同，有化学结合、物理结合、机械结合和扩散结合，其中以化学结合为主，有时几种结合方式同时存在。 陶瓷基体复合材料界面控制方法 1）改变基体元素 例如：在SiCPCS纤维强化玻璃陶瓷（LAS，LiO，Al2O3，SiO2）中，添加百分之几的N