复合材料概论第4章复合材料的界面.ppt

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 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 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 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。 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 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。 金属基复合材料的使用环境要求其界面必须在高温下长时间保持稳定。 (2). 影响界面稳定性的因素 物理因素：高温条件下增强纤维与基体之间的熔融。 钨丝增强镍合金高温下钨丝融入镍合金基体中 钨铼合金丝增强铌合金钨融入铌中形成钨铌合金 …………………… 化学因素：加工和使用过程中发生界面化学作用，包括连续界面反应、 交换式界面反应和暂稳态界面变化。 连续界面反应有两种可能，发生在基体一侧，或者发生在增强纤维一侧。 交换式界面反应的不稳定因素主要出现在含有两种或两种以上合金基体中。 (3). 金属基复合材料界面对性能的影响 连续纤维增强金属基复合材料的低应力破坏 在材料制备过程中纤维没有受损伤，纤维强度没有变化，但复合材料的抗拉伸强度远低于理论计算值。 原因： 加热处理时的界面反应使界面结合增强，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。 纤维在基体中分布不均匀，特别是某些纤维相互接触，使复合材料内部应力分布不均匀。 纤维与基体之间存在脆性界面相。 例子： 碳纤维增强铝基复合材料，在纤维没有受损伤并保持原有强度的情况下，抗拉强度下降26％。 C. 陶瓷基复合材料的界面 第一临界厚度：复合材料的抗张强度开始下降时界面反应层的厚度。 第二临界厚度：复合材料的抗张强度不再下降时界面反应层的厚度。 陶瓷基复合材料的界面是可以控制的。 两个重要概念 界面控制方法 改变增强体的表面性质 SiC晶须表面形成富碳结构、PVD或者CVD在纤维表面进行BN或碳涂层，阻止纤 维与基体的反应。 向基体添加特定的元素 SiC纤维增强玻璃陶瓷在热处理时添加少量铌可以获得最佳界面，达到增韧效果。 增强体的表面涂层 PVD、CVD、喷镀、电镀、化学镀等方法在增强体表面制备C、BN、Si、B等涂层。 增强材料的表面处理 两个目的 改善增强材料与基体的粘结性能，提高界面的结合强度； 控制增强材料与基体的界面溶解与化学反应。 前处理方法 将既能满足抽丝和纺织工序要求，又能促使纤维和树脂浸润与粘结的处理剂代替纺织型浸润剂，在玻璃纤维抽丝过程中涂覆到玻璃纤维上。该方法工艺及设备简单，纤维的强度保持的比较好，但目前还没有理想的增强型浸润剂。 后处理法 第一步 除去抽丝过程涂覆在玻璃纤维表面的纺织型浸润剂 （热处理 常用方法，但会使纤维强度下降） 第二步 纤维经处理剂浸渍、水洗、烘干，使玻璃纤维表面上覆上一层处理剂 （处理剂的浓度、pH值） A. 玻璃纤维 B. 碳纤维 (1). 氧化法 用于增加纤维表面粗糙度和极性基含量。 液相氧化：介质直接氧化（工艺过程复杂，公害严重，已不常用） 阳极氧化（碳纤维为阳极，镍板或石墨电极为阴极） 气相氧化：气体介质 （设备简单，操作方便，容易连续生产，但氧化程度不好控制） (2).