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2021/3/13 * 2、金属基复合材料界面 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。 2021/3/13 * 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 2021/3/13 * 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 2021/3/13 * 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 2021/3/13 * 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。 2021/3/13 * 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。 2021/3/13 * 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Nb(铌)时,热处理过程中会发生反应,在界面形成数微米的NbC相,获得最佳界面,从而达到高韧化的目的。 2)增强体表面涂层 在玻璃、陶瓷作为基体时,使用的涂层材料有C、BN、Si、B等多种。防止成型过程中纤维与基体的反应,调节界面剪切破坏能力以提高剪切强度。纤维表面双层涂层处理是最常用的方法。其中里面的涂层以达到键接及滑移的要求,而外部涂层在较高温度下防止纤维机械性能降低。 2021/3/13 * 五、残余应力 高聚物复合材料的残余应力是由于树脂和纤维热膨胀系数不同而产生和固化过程中树脂体积收缩产生化学应力。前者影响较大。残余应力的存在,导致材料粘结强度下降。残余应力对材料的影响程度依赖于纤维的含量、纤维与基体的模量比和纤维的直径 金属复合材料残余应力来源于热和力学。设计过程要注意基体模量不能太低,膨胀系数要相差不大 陶瓷复合材料 热膨胀系数的不同导致残余应力。纤维的膨胀系数往往大于基体材料。在一定程度下达到所追求的增韧机制。但基体和增强纤维都是脆性的,残余应力过大容易导致裂纹 2021/3/13 * 六、界面的表征 现代科学的发展为复合材料界面的分析表征提供了强有力的手段。扫描电镜、红外光谱、紫外光谱、光电子能谱、动态力学分析、原子力显微镜等,在复合材料界面分析表征中得到充分的应用,为揭示界面的本质、丰富界面的理论作出了重要的贡献 2021/3/13 * 未处理碳纤维的表面形态 低温等离子处理碳纤维表面形态 界面表面形态、结构的表征 2021/3/13 * 氧等离子处理后,经80℃与苯乙烯反应4小时,接枝聚苯乙烯分子链的碳纤维照片 2021/3/13 * 复合材料界面强度表征 1、常规分析法 (1)拔脱
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