復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面

1、復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面第四章第四章 復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面4.1 4.1 概概 述述 復(fù)合材料的界面產(chǎn)生于復(fù)合材料的制造過程，復(fù)合材料的界面產(chǎn)生于復(fù)合材料的制造過程，當(dāng)由不同化學(xué)成分的增強(qiáng)體和基體組成復(fù)合材料當(dāng)由不同化學(xué)成分的增強(qiáng)體和基體組成復(fù)合材料時，這些組元通過接觸，它們中的某些元素在相時，這些組元通過接觸，它們中的某些元素在相互擴(kuò)散、溶解后往往發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成新的相，互擴(kuò)散、溶解后往往發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成新的相，成為界面相。成為界面相。 復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)物之間化學(xué)成復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)物之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、

2、能起載荷傳分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。遞作用的微小區(qū)域。復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面界面相的化學(xué)組成和物理性能與增強(qiáng)相和基體界面相的化學(xué)組成和物理性能與增強(qiáng)相和基體均不同，在復(fù)合材料承受載荷時，由于界面相所均不同，在復(fù)合材料承受載荷時，由于界面相所處的特殊力學(xué)和熱學(xué)等特殊環(huán)境，對復(fù)合材料的處的特殊力學(xué)和熱學(xué)等特殊環(huán)境，對復(fù)合材料的整體性能產(chǎn)生重大影響，因而通過認(rèn)識、控制界整體性能產(chǎn)生重大影響，因而通過認(rèn)識、控制界面相來改善復(fù)合材料性能的研究越來越引起人們面相來改善復(fù)合材料性能的研究越來越引起人們的重視。的重視。研究復(fù)合材料界面的組成、結(jié)構(gòu)、控制、性能研究復(fù)合材料

3、界面的組成、結(jié)構(gòu)、控制、性能和改進(jìn)界面相的工作被稱為和改進(jìn)界面相的工作被稱為“界面工程界面工程”。復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面 復(fù)合材料中的界面并不是一個單純的幾何面，而復(fù)合材料中的界面并不是一個單純的幾何面，而是一個多層結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域，這一區(qū)域由五個亞是一個多層結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域，這一區(qū)域由五個亞層組成。層組成。復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面 界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能歸為界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能歸為以下幾種效應(yīng)。以下幾種效應(yīng)。P61P61復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面復(fù)合材料界面設(shè)計的原則復(fù)合材料界面設(shè)計的原則(總的原則總的原則)界面粘結(jié)強(qiáng)度要保證所受的力由基界面粘結(jié)強(qiáng)度要保

4、證所受的力由基體通過界面?zhèn)鬟f給增強(qiáng)物，但界面粘體通過界面?zhèn)鬟f給增強(qiáng)物，但界面粘結(jié)強(qiáng)度過高或過弱都會降低復(fù)合材料結(jié)強(qiáng)度過高或過弱都會降低復(fù)合材料的強(qiáng)度。的強(qiáng)度。復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面設(shè)計界面層在一定的應(yīng)力條設(shè)計界面層在一定的應(yīng)力條件能夠脫粘，以使增強(qiáng)纖維從件能夠脫粘，以使增強(qiáng)纖維從基體拔出并發(fā)生摩擦，這樣就基體拔出并發(fā)生摩擦，這樣就可借助脫粘增大表面能，利用可借助脫粘增大表面能，利用拔出功和摩擦功等形式來吸收拔出功和摩擦功等形式來吸收外加載荷能量以達(dá)到提高其抗外加載荷能量以達(dá)到提高其抗破壞能力。破壞能力。復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面若界面層的模量高于增強(qiáng)材料和基體若界面層的模量高于增強(qiáng)材料

5、和基體的模量，將會產(chǎn)生不良的效果，因此應(yīng)的模量，將會產(chǎn)生不良的效果，因此應(yīng)避免基體與增強(qiáng)相發(fā)生生成脆性界面層避免基體與增強(qiáng)相發(fā)生生成脆性界面層的化學(xué)反應(yīng)。的化學(xué)反應(yīng)。復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面4.2 4.2 復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面4.2.1 4.2.1 聚合物基復(fù)合材料的界面聚合物基復(fù)合材料的界面1.1.界面的形成界面的形成 聚合物基復(fù)合材料界面的形成可以分成兩個聚合物基復(fù)合材料界面的形成可以分成兩個階段：階段：基體與增強(qiáng)纖維的接觸與浸潤過程；基體與增強(qiáng)纖維的接觸與浸潤過程； 增強(qiáng)纖維優(yōu)先吸附能較多降低其表面能的組分，因此界面聚合增強(qiáng)纖維優(yōu)先吸附能較多降低其表面能的組分，因此界面聚合物

6、在結(jié)構(gòu)上與聚合物基體是不同的。物在結(jié)構(gòu)上與聚合物基體是不同的。聚合物的固化階段。聚合物通過物理的或化學(xué)聚合物的固化階段。聚合物通過物理的或化學(xué)的變化而固化，形成固定的界面層。的變化而固化，形成固定的界面層。復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面2.2.界面作用機(jī)理界面作用機(jī)理界面作用機(jī)理是指界面發(fā)揮作用的微觀機(jī)理，界面作用機(jī)理是指界面發(fā)揮作用的微觀機(jī)理，有如下理論：有如下理論： 主要論點主要論點：增強(qiáng)材料被液體樹脂良好浸潤對提增強(qiáng)材料被液體樹脂良好浸潤對提高復(fù)合材料的性能是極其重要的。浸潤不良會在高復(fù)合材料的性能是極其重要的。浸潤不良會在界面上產(chǎn)生空隙，易因應(yīng)力集中而使復(fù)合材料發(fā)界面上產(chǎn)生空隙，易因應(yīng)力

7、集中而使復(fù)合材料發(fā)生開裂；如果完全浸潤，則基體與增強(qiáng)相間的粘生開裂；如果完全浸潤，則基體與增強(qiáng)相間的粘結(jié)強(qiáng)度將大于基體的內(nèi)聚強(qiáng)度，將提高復(fù)合材料結(jié)強(qiáng)度將大于基體的內(nèi)聚強(qiáng)度，將提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。的強(qiáng)度。界面浸潤理論界面浸潤理論復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面浸潤性的定義浸潤性的定義 浸潤性是用于描述液體在固體浸潤性是用于描述液體在固體表面上自動鋪展程度的術(shù)語?；蛘f是固體、液體表面上自動鋪展程度的術(shù)語?；蛘f是固體、液體在分子水平上緊密接觸的可能程度。在分子水平上緊密接觸的可能程度。 浸潤性好將促進(jìn)結(jié)合。浸潤性好將促進(jìn)結(jié)合。 浸潤角低（浸潤角低（9090）表明浸潤性良好；浸潤）表明浸潤性良好；浸潤角高

8、（角高（9090）則表明浸潤性差。）則表明浸潤性差。浸潤性的測量浸潤性的測量 ：復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面B.B.化學(xué)鍵理論化學(xué)鍵理論 主要論點：涂覆在增強(qiáng)相表面的偶聯(lián)劑應(yīng)既含有能與增主要論點：涂覆在增強(qiáng)相表面的偶聯(lián)劑應(yīng)既含有能與增強(qiáng)相起化學(xué)作用的官能團(tuán)，又含有能與樹脂基體起化學(xué)作強(qiáng)相起化學(xué)作用的官能團(tuán)，又含有能與樹脂基體起化學(xué)作用的官能團(tuán)。由此在界面上形成共價鍵結(jié)合，如能滿足這用的官能團(tuán)。由此在界面上形成共價鍵結(jié)合，如能滿足這一要求則在理論上可獲得最強(qiáng)的界面粘結(jié)能。一要求則在理論上可獲得最強(qiáng)的界面粘結(jié)能。 偶聯(lián)劑是一種高分子化合物，這種化合物一般都含有兩偶聯(lián)劑是一種高分子化合物，這種化合物

9、一般都含有兩部分性質(zhì)不同的基團(tuán)。一種官能團(tuán)能很好地與增強(qiáng)纖維表部分性質(zhì)不同的基團(tuán)。一種官能團(tuán)能很好地與增強(qiáng)纖維表面結(jié)合；另一種官能團(tuán)能很好地與合成樹脂結(jié)合（產(chǎn)生共面結(jié)合；另一種官能團(tuán)能很好地與合成樹脂結(jié)合（產(chǎn)生共聚）。通過表面處理劑把性能截然不同的物質(zhì)聯(lián)合起得，聚）。通過表面處理劑把性能截然不同的物質(zhì)聯(lián)合起得，形成一個統(tǒng)一的整體，因此，把表面處理劑叫形成一個統(tǒng)一的整體，因此，把表面處理劑叫“架橋劑架橋劑”，也叫也叫“偶聯(lián)劑偶聯(lián)劑”。復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面D.D.變形層理論變形層理論E.E.拘束層理論拘束層理論F.F.擴(kuò)散層理論擴(kuò)散層理論G.G.減弱界面局部應(yīng)力作用理論減弱界面局部應(yīng)力作用

10、理論 C. C.物理吸附理論（機(jī)械作用理論）物理吸附理論（機(jī)械作用理論） 這種理論認(rèn)為，增強(qiáng)纖維與樹脂基體之間的結(jié)合是屬這種理論認(rèn)為，增強(qiáng)纖維與樹脂基體之間的結(jié)合是屬于機(jī)械鉸合和基于次價鍵作用的物理吸附。于機(jī)械鉸合和基于次價鍵作用的物理吸附。 復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面3.3.聚合物基復(fù)合材料界面設(shè)計聚合物基復(fù)合材料界面設(shè)計 在聚合物基復(fù)合材料的設(shè)計中，首先應(yīng)考慮如在聚合物基復(fù)合材料的設(shè)計中，首先應(yīng)考慮如何改善增強(qiáng)材料與基體間的浸潤性；選擇合適何改善增強(qiáng)材料與基體間的浸潤性；選擇合適的偶聯(lián)劑。所選處理增強(qiáng)材料表面的偶聯(lián)劑既含的偶聯(lián)劑。所選處理增強(qiáng)材料表面的偶聯(lián)劑既含有能與增強(qiáng)材料起化學(xué)作用的

11、官能團(tuán)，又含有與有能與增強(qiáng)材料起化學(xué)作用的官能團(tuán)，又含有與聚合物基體起化學(xué)作用的官能團(tuán)。聚合物基體起化學(xué)作用的官能團(tuán)。復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面4.2.2 4.2.2 金屬基復(fù)合材料的界面金屬基復(fù)合材料的界面 金屬基復(fù)合材料由于基體與增強(qiáng)物復(fù)合的溫度金屬基復(fù)合材料由于基體與增強(qiáng)物復(fù)合的溫度較高，基體與增強(qiáng)物易發(fā)生相互作用而生成化合較高，基體與增強(qiáng)物易發(fā)生相互作用而生成化合物，而基體與增強(qiáng)物互相擴(kuò)散而形成擴(kuò)散層，增物，而基體與增強(qiáng)物互相擴(kuò)散而形成擴(kuò)散層，增強(qiáng)物的表面預(yù)處理涂層，使界面的形狀、尺寸、強(qiáng)物的表面預(yù)處理涂層，使界面的形狀、尺寸、成分、結(jié)構(gòu)等變得非常復(fù)雜。成分、結(jié)構(gòu)等變得非常復(fù)雜。復(fù)合

12、材料-第四章復(fù)合材料界面類型類型類型類型類型類型纖維與基體互不反應(yīng)亦纖維與基體互不反應(yīng)亦不溶解不溶解纖維與基體不反應(yīng)但纖維與基體不反應(yīng)但相互溶解相互溶解纖維與基體互相反應(yīng)形纖維與基體互相反應(yīng)形成界面反應(yīng)層成界面反應(yīng)層鎢絲鎢絲/ 銅銅Al2O3纖維纖維 / 銅銅Al2O3纖維纖維 / 銀銀硼纖維（表面涂硼纖維（表面涂BN）/ 鋁鋁不銹鋼絲不銹鋼絲/ 鋁鋁SiC纖維（纖維（CVD）/ 鋁鋁硼纖維硼纖維 / 鋁鋁硼纖維硼纖維 / 鎂鎂鍍鉻的鎢絲鍍鉻的鎢絲/ 銅銅碳纖維碳纖維 / 鎳鎳鎢絲鎢絲/ 鎳鎳合金共晶體絲合金共晶體絲/ 同一合金同一合金鎢絲鎢絲/銅銅-鈦合金鈦合金碳纖維碳纖維/ 鋁（鋁（580

13、）Al2O3纖維纖維/ 鈦鈦硼纖維硼纖維/ 鈦鈦硼纖維硼纖維/ 鈦鈦-鋁鋁SiC纖維纖維/ 鈦鈦SiO2纖維纖維/ 鋁鋁1.界面類型界面類型復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面（1）機(jī)械結(jié)合（物理結(jié)合）機(jī)械結(jié)合（物理結(jié)合）產(chǎn)生類型產(chǎn)生類型界面界面 定義：基體與增強(qiáng)體之間僅僅依靠純粹的粗糙表定義：基體與增強(qiáng)體之間僅僅依靠純粹的粗糙表面相互嵌入（互鎖）作用，以及借助基體收縮應(yīng)面相互嵌入（互鎖）作用，以及借助基體收縮應(yīng)力包緊纖維時產(chǎn)生的摩擦而進(jìn)行的連接，稱為機(jī)力包緊纖維時產(chǎn)生的摩擦而進(jìn)行的連接，稱為機(jī)械結(jié)合。械結(jié)合。 金屬基纖維復(fù)合材料的幾種界面結(jié)合形式：金屬基纖維復(fù)合材料的幾種界面結(jié)合形式： 不同的界面結(jié)

14、合形式形成不同的界面類型：不同的界面結(jié)合形式形成不同的界面類型：復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面機(jī)械結(jié)合的效果機(jī)械結(jié)合的效果: : 最突出的例最突出的例子是硼纖維增強(qiáng)鋁復(fù)合材料子是硼纖維增強(qiáng)鋁復(fù)合材料(B(Bf f/A1)/A1)。采用化學(xué)氣相沉積。采用化學(xué)氣相沉積(CVD)(CVD)方法生產(chǎn)的硼纖維，表方法生產(chǎn)的硼纖維，表面是玉米棒狀，與金屬鋁進(jìn)行面是玉米棒狀，與金屬鋁進(jìn)行固態(tài)擴(kuò)散復(fù)合時，由于溫度升固態(tài)擴(kuò)散復(fù)合時，由于溫度升高使鋁變軟，經(jīng)外力壓實鋁填高使鋁變軟，經(jīng)外力壓實鋁填充硼纖維的粗糙表面，形成與充硼纖維的粗糙表面，形成與硼纖維的機(jī)械結(jié)合。硼纖維的機(jī)械結(jié)合。 復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面（2

15、）溶解和浸潤結(jié)合）溶解和浸潤結(jié)合產(chǎn)生類型產(chǎn)生類型界面界面定義定義: :在復(fù)合材料制造的過程中基體與增強(qiáng)體之間在復(fù)合材料制造的過程中基體與增強(qiáng)體之間首先發(fā)生浸潤，然后相互溶解，所形成的結(jié)合方首先發(fā)生浸潤，然后相互溶解，所形成的結(jié)合方式稱為溶解與浸潤結(jié)合。浸潤作用通常是主要的，式稱為溶解與浸潤結(jié)合。浸潤作用通常是主要的，而溶解是次要的，因為一般在高溫下原子的擴(kuò)散而溶解是次要的，因為一般在高溫下原子的擴(kuò)散時間很短。時間很短。溶解與浸潤結(jié)合的要求：為了達(dá)到潤濕，纖維表面應(yīng)當(dāng)作溶解與浸潤結(jié)合的要求：為了達(dá)到潤濕，纖維表面應(yīng)當(dāng)作適當(dāng)處理，首先應(yīng)除去污染物、吸附的氣體和工藝涂層適當(dāng)處理，首先應(yīng)除去污染物、吸

16、附的氣體和工藝涂層( (如紡織型浸潤劑如紡織型浸潤劑) )，其次通過表面處理形成表面潤濕層、，其次通過表面處理形成表面潤濕層、阻擋層，或使增強(qiáng)材料形成利于機(jī)械結(jié)合的粗糙表面。阻擋層，或使增強(qiáng)材料形成利于機(jī)械結(jié)合的粗糙表面。復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面（3）反應(yīng)結(jié)合）反應(yīng)結(jié)合產(chǎn)生類型產(chǎn)生類型界面界面定義：基體與纖維間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上形定義：基體與纖維間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上形成一種新的化合物而產(chǎn)生的結(jié)合稱為反應(yīng)結(jié)合。成一種新的化合物而產(chǎn)生的結(jié)合稱為反應(yīng)結(jié)合。這是一種最復(fù)雜、最重要的結(jié)合方式。這是一種最復(fù)雜、最重要的結(jié)合方式。反應(yīng)結(jié)合的本質(zhì)：能夠發(fā)生反應(yīng)的兩種元素或化合物，通反應(yīng)結(jié)合的本質(zhì)：

17、能夠發(fā)生反應(yīng)的兩種元素或化合物，通過相互接觸和相互擴(kuò)散發(fā)生某種化學(xué)反應(yīng)。隨反應(yīng)程度的過相互接觸和相互擴(kuò)散發(fā)生某種化學(xué)反應(yīng)。隨反應(yīng)程度的增加，界面結(jié)合強(qiáng)度也增大，但由于界面反應(yīng)產(chǎn)物多為脆增加，界面結(jié)合強(qiáng)度也增大，但由于界面反應(yīng)產(chǎn)物多為脆性物質(zhì)，所以當(dāng)界面層達(dá)到一定厚度時，界面上的殘余應(yīng)性物質(zhì)，所以當(dāng)界面層達(dá)到一定厚度時，界面上的殘余應(yīng)力可使界面破壞，反而降低界面結(jié)合強(qiáng)度。要實現(xiàn)良好的力可使界面破壞，反而降低界面結(jié)合強(qiáng)度。要實現(xiàn)良好的反應(yīng)結(jié)合，必須選擇最佳的制造工藝參數(shù)反應(yīng)結(jié)合，必須選擇最佳的制造工藝參數(shù)( (溫度、壓力、溫度、壓力、時間、氣氛等時間、氣氛等) )來控制界面反應(yīng)的程度。來控制界面反

18、應(yīng)的程度。 復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面界面結(jié)合狀態(tài)對金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度的影響界面結(jié)合狀態(tài)對金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度的影響 界面界面結(jié)合強(qiáng)度過高或過低對復(fù)合材料的強(qiáng)度都不利，結(jié)合強(qiáng)度過高或過低對復(fù)合材料的強(qiáng)度都不利，適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)合強(qiáng)度才能保證復(fù)合材料具有最佳適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)合強(qiáng)度才能保證復(fù)合材料具有最佳的抗張強(qiáng)度。就改善復(fù)合材料的疲勞性能而言，的抗張強(qiáng)度。就改善復(fù)合材料的疲勞性能而言，界面強(qiáng)度稍強(qiáng)一些為好。界面強(qiáng)度稍強(qiáng)一些為好。 界面結(jié)合狀態(tài)界面結(jié)合狀態(tài)抗張強(qiáng)度，抗張強(qiáng)度，MPa斷口形貌斷口形貌結(jié)合不良結(jié)合不良206纖維大量拔出，長度很長，呈刷子狀纖維大量拔出，長度很長，呈刷

19、子狀結(jié)合適中結(jié)合適中612有的纖維拔出，有一定長度，；鋁基體有的纖維拔出，有一定長度，；鋁基體發(fā)生頸縮，可觀察到劈裂狀發(fā)生頸縮，可觀察到劈裂狀結(jié)合稍強(qiáng)結(jié)合稍強(qiáng)470出現(xiàn)不規(guī)則斷面，可觀察到很短的拔出出現(xiàn)不規(guī)則斷面，可觀察到很短的拔出纖維纖維結(jié)合過強(qiáng)結(jié)合過強(qiáng)224典型的脆性斷裂，平斷口典型的脆性斷裂，平斷口表表4-2 碳纖維增強(qiáng)鋁的抗張強(qiáng)度和斷口形貌碳纖維增強(qiáng)鋁的抗張強(qiáng)度和斷口形貌復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面 2. 2. 影響界面穩(wěn)定性的因素影響界面穩(wěn)定性的因素 與聚合物基復(fù)合材料相比，耐高溫是金與聚合物基復(fù)合材料相比，耐高溫是金屬基復(fù)合材料的主要特點。因此，金屬基復(fù)屬基復(fù)合材料的主要特點。因此

20、，金屬基復(fù)合材料的界面能否在所允許的高溫環(huán)境下長合材料的界面能否在所允許的高溫環(huán)境下長時間保持穩(wěn)定，是非常重要的。時間保持穩(wěn)定，是非常重要的。 影響界面穩(wěn)定性的因素包括物理和化學(xué)影響界面穩(wěn)定性的因素包括物理和化學(xué)兩個方面。兩個方面。復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面（1）物理因素）物理因素 界面的溶解與析出界面的溶解與析出是影響金屬基復(fù)合材料第是影響金屬基復(fù)合材料第類界面穩(wěn)定性的物理因素。當(dāng)增強(qiáng)材料表面溶入類界面穩(wěn)定性的物理因素。當(dāng)增強(qiáng)材料表面溶入基體中，必然會損傷纖維，降低增強(qiáng)材料的增強(qiáng)基體中，必然會損傷纖維，降低增強(qiáng)材料的增強(qiáng)作用，結(jié)果會降低復(fù)合材料的強(qiáng)度。作用，結(jié)果會降低復(fù)合材料的強(qiáng)度。 有的

21、復(fù)合材料還會出現(xiàn)先溶解后又析出的現(xiàn)象。有的復(fù)合材料還會出現(xiàn)先溶解后又析出的現(xiàn)象。這種析出使增強(qiáng)材料的表層聚集形態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)生這種析出使增強(qiáng)材料的表層聚集形態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化變化, , 嚴(yán)重?fù)p傷了纖維，使其強(qiáng)度嚴(yán)重下降。嚴(yán)重?fù)p傷了纖維，使其強(qiáng)度嚴(yán)重下降。 復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面例例1 粉末冶金制備的粉末冶金制備的W絲絲/Ni，鎢在鎳中有很大的，鎢在鎳中有很大的固溶度，在固溶度，在1100左右使用左右使用50小時后，鎢絲發(fā)生小時后，鎢絲發(fā)生溶解，造成鎢絲直徑僅為原來的溶解，造成鎢絲直徑僅為原來的60%，大大影響，大大影響鎢絲的增強(qiáng)作用，如不采取措施，將產(chǎn)生嚴(yán)重后鎢絲的增強(qiáng)作用，如不采取措施，將產(chǎn)

22、生嚴(yán)重后果。為此，可采用鎢絲涂覆阻擋層或在鎳基合金果。為此，可采用鎢絲涂覆阻擋層或在鎳基合金中添加少量合金元素，如鈦和鋁，可以起到一定中添加少量合金元素，如鈦和鋁，可以起到一定的防止鎢絲溶入鎳基合金的作用。的防止鎢絲溶入鎳基合金的作用。復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面 例例2 碳纖維增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料。在碳纖維增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料。在800高溫下，高溫下，在界面碳先溶入鎳，而后又析出，析出的碳是石在界面碳先溶入鎳，而后又析出，析出的碳是石墨結(jié)構(gòu)，密度增大而在界面留下空隙，給鎳提供墨結(jié)構(gòu)，密度增大而在界面留下空隙，給鎳提供了滲入碳纖維擴(kuò)散聚集的位置。而且隨溫度的提了滲入碳纖維擴(kuò)散聚集的位置。而且隨溫度的提

23、高鎳滲入量增加，在碳纖維表層產(chǎn)生鎳環(huán)，嚴(yán)重高鎳滲入量增加，在碳纖維表層產(chǎn)生鎳環(huán)，嚴(yán)重?fù)p傷了碳纖維，使其強(qiáng)度嚴(yán)重下降。損傷了碳纖維，使其強(qiáng)度嚴(yán)重下降。 如何防止碳在鎳中先溶解如何防止碳在鎳中先溶解后析出的問題，就成為獲得后析出的問題，就成為獲得性能穩(wěn)定的性能穩(wěn)定的Cf / Ni的關(guān)鍵。的關(guān)鍵。 復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面(2)(2)化學(xué)因素化學(xué)因素界面反應(yīng)界面反應(yīng)是影響具有第是影響具有第類界面的復(fù)合材料界類界面的復(fù)合材料界面穩(wěn)定性的化學(xué)因素。界面化學(xué)反應(yīng)形成的大量面穩(wěn)定性的化學(xué)因素。界面化學(xué)反應(yīng)形成的大量脆性化合物，會削弱增強(qiáng)材料的增強(qiáng)作用，尤其脆性化合物，會削弱增強(qiáng)材料的增強(qiáng)作用，尤其是在高

24、溫使用條件下，這種界面反應(yīng)的不穩(wěn)定性是在高溫使用條件下，這種界面反應(yīng)的不穩(wěn)定性會造成復(fù)合材料的脆性破壞。會造成復(fù)合材料的脆性破壞。 復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面（a a）連續(xù)界面反應(yīng)連續(xù)界面反應(yīng)金屬基復(fù)合材料在熱處理以及在使用時經(jīng)歷不金屬基復(fù)合材料在熱處理以及在使用時經(jīng)歷不同的熱過程中，界面反應(yīng)可連續(xù)進(jìn)行。影響界面同的熱過程中，界面反應(yīng)可連續(xù)進(jìn)行。影響界面反應(yīng)的因素主要是溫度與時間：反應(yīng)的因素主要是溫度與時間：tKX (4-1) 其中，其中，X X為反應(yīng)層厚度；為反應(yīng)層厚度；K K為反應(yīng)速度常數(shù)，隨著為反應(yīng)速度常數(shù)，隨著反應(yīng)溫度的升高而增大；反應(yīng)溫度的升高而增大；t t為反應(yīng)時間為反應(yīng)時間(

25、(秒秒) ) 。隨。隨著反應(yīng)溫度和時間的增加，反應(yīng)層厚度增大，高著反應(yīng)溫度和時間的增加，反應(yīng)層厚度增大，高溫時在很短時間內(nèi)就可以達(dá)到足以引起破壞的厚溫時在很短時間內(nèi)就可以達(dá)到足以引起破壞的厚度。度。金屬基復(fù)合材料的界面化學(xué)反應(yīng)包括有金屬基復(fù)合材料的界面化學(xué)反應(yīng)包括有: : 復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面例如例如 硼纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料中的界面反應(yīng)是由硼纖維的硼原子向硼纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料中的界面反應(yīng)是由硼纖維的硼原子向基體擴(kuò)散，在硼纖維外層形成一層白色的反應(yīng)產(chǎn)物基體擴(kuò)散，在硼纖維外層形成一層白色的反應(yīng)產(chǎn)物TiB2。由于硼原。由于硼原子向外擴(kuò)散，在纖維的表層留下孔洞，孔洞面積可達(dá)子向外擴(kuò)散，在纖維

26、的表層留下孔洞，孔洞面積可達(dá)10%以上，這以上，這會對硼纖維的強(qiáng)度產(chǎn)生極不利影響。圖會對硼纖維的強(qiáng)度產(chǎn)生極不利影響。圖5-34為硼纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合為硼纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料在不同溫度下界面反應(yīng)層材料在不同溫度下界面反應(yīng)層(二硼化物二硼化物)的厚度與時間的關(guān)系。高的厚度與時間的關(guān)系。高溫時在很短時間內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物就可以達(dá)到足以引起破壞的厚度。溫時在很短時間內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物就可以達(dá)到足以引起破壞的厚度。 復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面 （b b）交換式反應(yīng)）交換式反應(yīng) 當(dāng)增強(qiáng)材料與含有兩種以上元素的金屬基體之當(dāng)增強(qiáng)材料與含有兩種以上元素的金屬基體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物后，反應(yīng)產(chǎn)物還間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成反

27、應(yīng)產(chǎn)物后，反應(yīng)產(chǎn)物還會與其它基體元素發(fā)生交換反應(yīng)，產(chǎn)生界面的不會與其它基體元素發(fā)生交換反應(yīng)，產(chǎn)生界面的不穩(wěn)定。穩(wěn)定。 例如硼纖維例如硼纖維/ /鈦合金鈦合金（Ti-Al-1V-1Mo）,硼與鈦在硼與鈦在界面首先發(fā)生反應(yīng)：界面首先發(fā)生反應(yīng)： Ti(Al) + B (TiAl)B2再發(fā)生交換反應(yīng)再發(fā)生交換反應(yīng): : (TiAl)B2 + Ti TiB2 + Ti(Al)電子探針證實了界面反應(yīng)的最終產(chǎn)物是電子探針證實了界面反應(yīng)的最終產(chǎn)物是TiBTiB2 2。復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面 (c) (c) 暫穩(wěn)態(tài)界面的變化暫穩(wěn)態(tài)界面的變化 暫穩(wěn)態(tài)界面是由于增強(qiáng)材料表面局部氧化

28、所暫穩(wěn)態(tài)界面是由于增強(qiáng)材料表面局部氧化所產(chǎn)生的氧化物與基體間發(fā)生反應(yīng)而在界面上形成產(chǎn)生的氧化物與基體間發(fā)生反應(yīng)而在界面上形成另一種氧化物所形成的界面。界面上的氧化層穩(wěn)另一種氧化物所形成的界面。界面上的氧化層穩(wěn)定性差定性差, ,在長時間熱環(huán)境下容易發(fā)生球化而影響復(fù)在長時間熱環(huán)境下容易發(fā)生球化而影響復(fù)合材料的性能。合材料的性能。 例如：在硼纖維增強(qiáng)鋁中，由于硼纖維上吸附有氧，例如：在硼纖維增強(qiáng)鋁中，由于硼纖維上吸附有氧，并與之生成并與之生成BOBO2 2，當(dāng)這層氧化物在擴(kuò)散結(jié)合時未受到破壞，當(dāng)這層氧化物在擴(kuò)散結(jié)合時未受到破壞，但它是不穩(wěn)定的。在一定溫度下，由于鋁與氧親和力強(qiáng)，但它是不穩(wěn)定的。在一定

29、溫度下，由于鋁與氧親和力強(qiáng)，可以還原可以還原BOBO2 2，生成，生成AlAl2 2O O3 3，這種界面結(jié)合亦稱之為氧化結(jié)，這種界面結(jié)合亦稱之為氧化結(jié)合。在長期熱效應(yīng)的作用下，界面上的合。在長期熱效應(yīng)的作用下，界面上的AlAl2 2O O3 3氧化膜會發(fā)氧化膜會發(fā)生球化，從而影響復(fù)合材料的性能生球化，從而影響復(fù)合材料的性能 。 復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面3.3.殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力 在金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中，除了要考慮化學(xué)在金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中，除了要考慮化學(xué)方面的因素外，還應(yīng)注意增強(qiáng)纖維與基體金屬的方面的因素外，還應(yīng)注意增強(qiáng)纖維與基體金屬的物理相容性。物理相容性。 要求金屬基體有足夠的

30、韌性和強(qiáng)度，以便能要求金屬基體有足夠的韌性和強(qiáng)度，以便能夠更好地通過界面將載荷傳遞給增強(qiáng)纖維；夠更好地通過界面將載荷傳遞給增強(qiáng)纖維； 要求在材料中出現(xiàn)裂紋或位錯移動時基體上要求在材料中出現(xiàn)裂紋或位錯移動時基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力不在增強(qiáng)纖維上形成高應(yīng)力；產(chǎn)生的局部應(yīng)力不在增強(qiáng)纖維上形成高應(yīng)力； 物理相容性中最重要的是要求纖維與基體的物理相容性中最重要的是要求纖維與基體的熱膨脹系數(shù)匹配。熱膨脹系數(shù)匹配。 復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面4.4.金屬基復(fù)合材料界面設(shè)計金屬基復(fù)合材料界面設(shè)計希望增強(qiáng)材料與基體之間具有良好的潤濕性，希望增強(qiáng)材料與基體之間具有良好的潤濕性，粘著強(qiáng)，有利于界面均勻、有效地傳遞應(yīng)力

31、；粘著強(qiáng)，有利于界面均勻、有效地傳遞應(yīng)力；增強(qiáng)材料與基體潤濕后互相間發(fā)生一定程度的增強(qiáng)材料與基體潤濕后互相間發(fā)生一定程度的溶解，保持適宜的界面結(jié)合力，提高復(fù)合材料的溶解，保持適宜的界面結(jié)合力，提高復(fù)合材料的強(qiáng)韌性；強(qiáng)韌性；復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面產(chǎn)生適量的界面反應(yīng)，而界面反應(yīng)物質(zhì)地均勻、產(chǎn)生適量的界面反應(yīng)，而界面反應(yīng)物質(zhì)地均勻、無脆性異物、不成為復(fù)合材料內(nèi)部缺陷無脆性異物、不成為復(fù)合材料內(nèi)部缺陷( (裂紋裂紋) )源，源，希望界面反應(yīng)能夠得到一定控制。希望界面反應(yīng)能夠得到一定控制。 以上設(shè)計要求可通過界面控制來達(dá)到，通常采以上設(shè)計要求可通過界面控制來達(dá)到，通常采用兩種方法，即增強(qiáng)材料的表面

32、改性（表面處理）用兩種方法，即增強(qiáng)材料的表面改性（表面處理）以及基體的改性。以及基體的改性。復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面 增強(qiáng)材料的表面處理是針對不同基體應(yīng)用合適增強(qiáng)材料的表面處理是針對不同基體應(yīng)用合適的材料來進(jìn)行表面涂覆。表面涂層則可以起到以的材料來進(jìn)行表面涂覆。表面涂層則可以起到以下作用：下作用：(a)(a)可以改善增強(qiáng)材料與基體的潤濕性和粘著性；可以改善增強(qiáng)材料與基體的潤濕性和粘著性；5. 5. 金屬基復(fù)合材料界面控制金屬基復(fù)合材料界面控制（1 1）增強(qiáng)材料的表面處理）增強(qiáng)材料的表面處理 (b)(b)可起到防止增強(qiáng)材料與基體之間的擴(kuò)散、滲透可起到防止增強(qiáng)材料與基體之間的擴(kuò)散、滲透和反應(yīng)的

33、阻擋層的作用；和反應(yīng)的阻擋層的作用；(c)(c)可以減輕增強(qiáng)材料與基體之間的熱應(yīng)力集中，可以減輕增強(qiáng)材料與基體之間的熱應(yīng)力集中，并防止增強(qiáng)材料在運輸和制備時造成的損傷。并防止增強(qiáng)材料在運輸和制備時造成的損傷。復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面目前，在增強(qiáng)材料表面涂覆中比較成功的主要目前，在增強(qiáng)材料表面涂覆中比較成功的主要有，硼纖維采用化學(xué)氣相沉積有，硼纖維采用化學(xué)氣相沉積(CVD)(CVD)涂覆碳化硅，涂覆碳化硅，主要用于主要用于B Bf fAlAl復(fù)合材料；硼纖維復(fù)合材料；硼纖維CVDCVD法涂覆法涂覆B B4 4C C用用于于B Bf fTiTi復(fù)合材料以及碳纖維復(fù)合材料以及碳纖維CVDCVD法

34、涂覆法涂覆Ti-BTi-B，主，主要用于要用于C Cf fAlAl基復(fù)合材料。基復(fù)合材料。復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面例例 圖為制備硼纖維增強(qiáng)鈦基圖為制備硼纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料時，采用涂覆碳化硅復(fù)合材料時，采用涂覆碳化硅和碳化硼與未涂覆的硼纖維的和碳化硼與未涂覆的硼纖維的界面反應(yīng)物厚度平方與不同反界面反應(yīng)物厚度平方與不同反應(yīng)時間之間的關(guān)系。由圖可以應(yīng)時間之間的關(guān)系。由圖可以看出，在同樣條件下，有涂覆看出，在同樣條件下，有涂覆層的復(fù)合材料，界面反應(yīng)明顯層的復(fù)合材料，界面反應(yīng)明顯減少，尤其是硼纖維在涂覆減少，尤其是硼纖維在涂覆B B4 4C C后，界面反應(yīng)層最薄，而后，界面反應(yīng)層最薄，而且較穩(wěn)定，

35、隨時間的變化小，且較穩(wěn)定，隨時間的變化小，有效控制了有效控制了B Bf fTiTi復(fù)合材料的復(fù)合材料的界面反應(yīng)。硼纖維涂覆碳化硅界面反應(yīng)。硼纖維涂覆碳化硅后不僅可減少與鈦界面反應(yīng)物后不僅可減少與鈦界面反應(yīng)物量，而且可增加潤濕性。量，而且可增加潤濕性。 某一制備溫度下某一制備溫度下復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面碳纖維增強(qiáng)鋁是一種適宜空間技術(shù)的結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)碳纖維增強(qiáng)鋁是一種適宜空間技術(shù)的結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)合材料。但是碳纖維的表面能很低，在一般情況下不能被合材料。但是碳纖維的表面能很低，在一般情況下不能被鋁所潤濕。鋁所潤濕。在在1000以上，它們之間的接觸角才小于以上，它們之間的接觸角才小于90為了提高

36、碳與鋁的潤濕性并控制界面反應(yīng)，一般采為了提高碳與鋁的潤濕性并控制界面反應(yīng)，一般采用用CVD法在碳纖維上涂覆法在碳纖維上涂覆Ti-B涂層，取得了令人滿意的涂層，取得了令人滿意的潤濕效果。潤濕效果。 復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面（2 2）金屬基體的改性）金屬基體的改性 在某些金屬基復(fù)合材料體系中，采用基體合金在某些金屬基復(fù)合材料體系中，采用基體合金中添加某些合金元素以改善增強(qiáng)材料與基體之間中添加某些合金元素以改善增強(qiáng)材料與基體之間的浸潤條件或有效控制界面反應(yīng)的方法為基體改的浸潤條件或有效控制界面反應(yīng)的方法為基體改性。性。 基體改性方法有三種：基體改性方法有三種： 第一是控制界面反應(yīng)，在某種確定的增

37、強(qiáng)材第一是控制界面反應(yīng)，在某種確定的增強(qiáng)材料料基體體系中，選擇的改性合金元素應(yīng)使界面基體體系中，選擇的改性合金元素應(yīng)使界面發(fā)生反應(yīng)時的反應(yīng)速度常數(shù)盡可能小，以保持第發(fā)生反應(yīng)時的反應(yīng)速度常數(shù)盡可能小，以保持第類界面的穩(wěn)定性。類界面的穩(wěn)定性。 復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面 第二是通過在基體中添加合金元素，在增強(qiáng)材第二是通過在基體中添加合金元素，在增強(qiáng)材料表面形成一層薄的反應(yīng)層而增加增強(qiáng)材料的表料表面形成一層薄的反應(yīng)層而增加增強(qiáng)材料的表面能面能, ,從而改善界面浸潤性。從而改善界面浸潤性。 第三是添加的合金元素盡可能不與增強(qiáng)材料表第三是添加的合金元素盡可能不與增強(qiáng)材料表面發(fā)生界面反應(yīng)，但可降低基體液

38、相的表面能，面發(fā)生界面反應(yīng)，但可降低基體液相的表面能，從而改善界面浸潤性。從而改善界面浸潤性。 基體改性合金化元素應(yīng)考慮為與增強(qiáng)材料組成基體改性合金化元素應(yīng)考慮為與增強(qiáng)材料組成元素化學(xué)位相近的元素，因為化學(xué)位相近的物質(zhì)元素化學(xué)位相近的元素，因為化學(xué)位相近的物質(zhì)親和力大，容易發(fā)生潤濕，此外化學(xué)位是推動反親和力大，容易發(fā)生潤濕，此外化學(xué)位是推動反應(yīng)的位能，差別小發(fā)生反應(yīng)的可能性亦小。應(yīng)的位能，差別小發(fā)生反應(yīng)的可能性亦小。復(fù)合材料-第四章復(fù)合材料界面 例：例：在硼纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料研制中，硼纖在硼纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料研制中，硼纖維與鈦的界面反應(yīng)強(qiáng)烈，界面反應(yīng)產(chǎn)物維與鈦的界面反應(yīng)強(qiáng)烈，界面反應(yīng)產(chǎn)物TiBTiB2 2又是脆又是脆性物質(zhì)，在達(dá)到一定臨界厚度后，在遠(yuǎn)低于硼纖性物質(zhì)，在達(dá)到一定臨界厚度后，在遠(yuǎn)低于硼纖維斷裂應(yīng)變條件下，硼化物界