復(fù)合材料復(fù)合材料界面PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1復(fù)合材料復(fù)合材料界面復(fù)合材料復(fù)合材料界面界面相的化學(xué)組成和物理性能與增強相和基體界面相的化學(xué)組成和物理性能與增強相和基體均不同，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，因而通過認識、控制界整體性能產(chǎn)生重大影響，因而通過認識、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)合材料界面的組成、結(jié)構(gòu)、控制、性能和改進界面相的工作被稱為和改進界面相的工

2、作被稱為“界面工程界面工程”。第1頁/共50頁 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。第2頁/共50頁 界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機能歸為界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機能歸為以下幾種效應(yīng)。以下幾種效應(yīng)。P61P61第3頁/共50頁復(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)強度要保證所受的力由基界面粘結(jié)強度要保證所受的力由基體通過界面?zhèn)鬟f給增強物，但界面粘體通過界面?zhèn)鬟f給增強物，但界面粘結(jié)強度過高或過弱都會降低復(fù)

3、合材料結(jié)強度過高或過弱都會降低復(fù)合材料的強度。的強度。第4頁/共50頁設(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，以使增強纖維從件能夠脫粘，以使增強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到提高其抗外加載荷能量以達到提高其抗破壞能力。破壞能力。第5頁/共50頁若界面層的模量高于增強材料和基體若界面層的模量高于增強材料和基體的模量，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)避免基體與增強相發(fā)生生成脆性界面層避免基體與增強相發(fā)生

4、生成脆性界面層的化學(xué)反應(yīng)。的化學(xué)反應(yīng)。第6頁/共50頁4.2 4.2 復(fù)合材料的界復(fù)合材料的界面面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：基體與增強纖維的接觸與浸潤過程；基體與增強纖維的接觸與浸潤過程； 增強纖維優(yōu)先吸附能較多降低其表面能的組分，因此界面聚增強纖維優(yōu)先吸附能較多降低其表面能的組分，因此界面聚合物在結(jié)構(gòu)上與聚合物基體是不同的。合物在結(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聚合物的固化階段。聚合物通過物理的或化學(xué)

5、的變化而固化，形成固定的界面層。學(xué)的變化而固化，形成固定的界面層。第7頁/共50頁2.2.界面作用機理界面作用機理界面作用機理是指界面發(fā)揮作用的微觀機理，界面作用機理是指界面發(fā)揮作用的微觀機理，有如下理論：有如下理論： 主要論點主要論點：增強材料被液體樹脂良好浸潤對提增強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)生開裂；如果完全浸潤，則基體與增強相料發(fā)生開裂；如果完全浸潤，則基體與增強相間的粘結(jié)強度將大于基體的內(nèi)聚強度，將提高間的粘結(jié)強度將大于基體

6、的內(nèi)聚強度，將提高復(fù)合材料的強度。復(fù)合材料的強度。A.界面浸潤理論界面浸潤理論第8頁/共50頁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。 浸潤性好將促進結(jié)合。浸潤性好將促進結(jié)合。 浸潤角低（浸潤角低（9090）表明浸潤性良好；浸）表明浸潤性良好；浸潤角高（潤角高（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 ：第9頁/共50頁B.B.化學(xué)鍵理論化學(xué)鍵理論 主要論點：涂覆在增強相表面的偶聯(lián)劑

7、應(yīng)既含有能與增主要論點：涂覆在增強相表面的偶聯(lián)劑應(yīng)既含有能與增強相起化學(xué)作用的官能團，又含有能與樹脂基體起化學(xué)強相起化學(xué)作用的官能團，又含有能與樹脂基體起化學(xué)作用的官能團。由此在界面上形成共價鍵結(jié)合，如能滿作用的官能團。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的界面粘結(jié)能。足這一要求則在理論上可獲得最強的界面粘結(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，這種化合物一般都含有兩部分性質(zhì)不同的基團。一種官能團能很好地與增強纖維部分性質(zhì)不同的基團。一種官能團能很好地與增強纖維表面結(jié)合；另一種官能團能很好地與合成樹脂結(jié)合（產(chǎn)表面結(jié)合；另一種

8、官能團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，形成一個統(tǒng)一的整體，因此，把表面處理劑叫起得，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”。第10頁/共50頁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.擴散層理論擴散層理論G.G.減弱界面局部應(yīng)力作用理論減弱界面局部應(yīng)力作用理論 C.C.物理吸附理論（機械作用理論）物理吸附理論（機械作用理論） 這種理論認為，增強纖維與樹脂基體之間的結(jié)合是屬這種理論認為，增強纖維與樹脂基體之間的結(jié)合是屬于機械鉸合和基于

9、次價鍵作用的物理吸附。于機械鉸合和基于次價鍵作用的物理吸附。 第11頁/共50頁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)考慮如何改善增強材料與基體間的浸潤性；選擇合適何改善增強材料與基體間的浸潤性；選擇合適的偶聯(lián)劑。所選處理增強材料表面的偶聯(lián)劑既含的偶聯(lián)劑。所選處理增強材料表面的偶聯(lián)劑既含有能與增強材料起化學(xué)作用的官能團，又含有與有能與增強材料起化學(xué)作用的官能團，又含有與聚合物基體起化學(xué)作用的官能團。聚合物基體起化學(xué)作用的官能團。第12頁/共50頁4.2.2 4.2.2 金屬基復(fù)合材料的界面金屬基復(fù)合材

10、料的界面 金屬基復(fù)合材料由于基體與增強物復(fù)合的溫度金屬基復(fù)合材料由于基體與增強物復(fù)合的溫度較高，基體與增強物易發(fā)生相互作用而生成化合較高，基體與增強物易發(fā)生相互作用而生成化合物，而基體與增強物互相擴散而形成擴散層，增物，而基體與增強物互相擴散而形成擴散層，增強物的表面預(yù)處理涂層，使界面的形狀、尺寸、強物的表面預(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。第13頁/共50頁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

11、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）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.界面類型界面類型第14頁/共50頁（1）機械結(jié)合（物理結(jié)合）機械結(jié)合（物理結(jié)合）產(chǎn)生類型

12、產(chǎn)生類型界面界面 定義：基體與增強體之間僅僅依靠純粹的粗糙表定義：基體與增強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)生的摩擦而進行的連接，稱為機力包緊纖維時產(chǎn)生的摩擦而進行的連接，稱為機械結(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)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：第15頁/共50頁機械結(jié)合的效果機械結(jié)合的效果: : 最突出的最突出的例子是硼纖維增強鋁復(fù)合材例子是硼纖維增強鋁復(fù)合材料料(B(Bf f/A1)/A1)。采用

13、化學(xué)氣相沉。采用化學(xué)氣相沉積積(CVD)(CVD)方法生產(chǎn)的硼纖維，方法生產(chǎn)的硼纖維，表面是玉米棒狀，與金屬鋁表面是玉米棒狀，與金屬鋁進行固態(tài)擴散復(fù)合時，由于進行固態(tài)擴散復(fù)合時，由于溫度升高使鋁變軟，經(jīng)外力溫度升高使鋁變軟，經(jīng)外力壓實鋁填充硼纖維的粗糙表壓實鋁填充硼纖維的粗糙表面，形成與硼纖維的機械結(jié)面，形成與硼纖維的機械結(jié)合。合。 第16頁/共50頁（2）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體之間在復(fù)合材料制造的過程中基體與增強體之間首先發(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

14、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，而溶解是次要的，因為一般在高溫下原子的擴散時間很短。散時間很短。溶解與浸潤結(jié)合的要求：為了達到潤濕，纖維表面應(yīng)當溶解與浸潤結(jié)合的要求：為了達到潤濕，纖維表面應(yīng)當作適當處理，首先應(yīng)除去污染物、吸附的氣體和工藝涂作適當處理，首先應(yīng)除去污染物、吸附的氣體和工藝涂層層( (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，其次通過表面處理形成表面潤濕層、阻擋層，或使增強材料形成利于機械結(jié)合的粗糙表層、阻擋層，或使增強材料形成利于機械結(jié)合的粗糙表面。面。第17頁/共50頁（

15、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，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，通過相互接觸和相互擴散發(fā)生某種化學(xué)反應(yīng)。隨反應(yīng)程通過相互接觸和相互擴散發(fā)生某種化學(xué)反應(yīng)。隨反應(yīng)程度的增加，界面結(jié)合強度也增大，但由于界面反應(yīng)產(chǎn)物度的增加，界面結(jié)合強度也增大，但由于界面反應(yīng)產(chǎn)物多為脆性物質(zhì)，所以當界面層達到

16、一定厚度時，界面上多為脆性物質(zhì)，所以當界面層達到一定厚度時，界面上的殘余應(yīng)力可使界面破壞，反而降低界面結(jié)合強度。要的殘余應(yīng)力可使界面破壞，反而降低界面結(jié)合強度。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)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)( (溫溫度、壓力、時間、氣氛等度、壓力、時間、氣氛等) )來控制界面反應(yīng)的程度。來控制界面反應(yīng)的程度。 第18頁/共50頁第19頁/共50頁界面結(jié)合狀態(tài)對金屬基復(fù)合材料強度的影響界面結(jié)合狀態(tài)對金屬基復(fù)合材料強度的影響 界面界面結(jié)合強度過高或過低對復(fù)合材料的強度都不利，結(jié)合強度過高或過低對復(fù)合材料的強度都不利，適當?shù)慕缑娼Y(jié)合強度才能保證復(fù)合材料

17、具有最佳適當?shù)慕缑娼Y(jié)合強度才能保證復(fù)合材料具有最佳的抗張強度。就改善復(fù)合材料的疲勞性能而言，的抗張強度。就改善復(fù)合材料的疲勞性能而言，界面強度稍強一些為好。界面強度稍強一些為好。 界面結(jié)合狀態(tài)界面結(jié)合狀態(tài)抗張強度，抗張強度，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)合稍強結(jié)合稍強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)合過強結(jié)合過強224典型的脆性

18、斷裂，平斷口典型的脆性斷裂，平斷口表表4-2 碳纖維增強鋁的抗張強度和斷口形貌碳纖維增強鋁的抗張強度和斷口形貌第20頁/共50頁 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，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。第21頁/共50頁（1）物理因素）物理因素 界面的

19、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。當增強材料表面溶入類界面穩(wěn)定性的物理因素。當增強材料表面溶入基體中，必然會損傷纖維，降低增強材料的增強基體中，必然會損傷纖維，降低增強材料的增強作用，結(jié)果會降低復(fù)合材料的強度。作用，結(jié)果會降低復(fù)合材料的強度。 有的復(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。這種析出使增強材料的表層聚集形態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)。這種析出使增強材料的表層聚集形態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化生變化, , 嚴重損傷了纖維，使其強度嚴重下降。嚴重損傷了纖維，使其強度嚴重下降。 第22頁/共50頁例例1 粉末冶金制備的粉

20、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作用，如不采取措施，將產(chǎn)生嚴重后鎢絲的增強作用，如不采取措施，將產(chǎn)生嚴重后果。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。第23頁/共50頁 例例2 碳纖維增強鎳基復(fù)合材料。在碳纖維增強鎳

21、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，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，給鎳提石墨結(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散聚集的位置。而且隨溫度的供了滲入碳纖維擴散聚集的位置。而且隨溫度的提高鎳滲入量增加，在碳纖維表層產(chǎn)生鎳環(huán)，嚴提高鎳滲入量增加，在碳纖維表層產(chǎn)生鎳環(huán)，嚴重損傷了碳纖維，使其強度嚴重下降。重損傷了碳纖維，使其強度嚴重下降。 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。 第24頁/共50頁

22、(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，會削弱增強材料的增強作用，尤其脆性化合物，會削弱增強材料的增強作用，尤其是在高溫使用條件下，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。 第25頁/共50頁（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)進行。影響界面同的熱過程中，界

23、面反應(yīng)可連續(xù)進行。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( (秒秒) ) 。隨隨著反應(yīng)溫度和時間的增加，反應(yīng)層厚度增大，著反應(yīng)溫度和時間的增加，反應(yīng)層厚度增大，高高溫時在很短時間內(nèi)就可以達到足以引起破壞的厚溫時在很短時間內(nèi)就可以達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: : 第26頁/共50頁例如例如 硼纖維增強鈦基復(fù)合材料中的界面反

24、應(yīng)是由硼纖維的硼原子硼纖維增強鈦基復(fù)合材料中的界面反應(yīng)是由硼纖維的硼原子向基體擴散，在硼纖維外層形成一層白色的反應(yīng)產(chǎn)物向基體擴散，在硼纖維外層形成一層白色的反應(yīng)產(chǎn)物TiB2。由于硼。由于硼原子向外擴散，在纖維的表層留下孔洞，孔洞面積可達原子向外擴散，在纖維的表層留下孔洞，孔洞面積可達10%以上，以上，這會對硼纖維的強度產(chǎn)生極不利影響。圖這會對硼纖維的強度產(chǎn)生極不利影響。圖5-34為硼纖維增強鈦基復(fù)為硼纖維增強鈦基復(fù)合材料在不同溫度下界面反應(yīng)層合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。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)物就可以達到足以引起破壞的厚度。高溫時在很

25、短時間內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物就可以達到足以引起破壞的厚度。 第27頁/共50頁 （b b）交換式反應(yīng)）交換式反應(yīng) 當增強材料與含有兩種以上元素的金屬基體之當增強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）,硼與鈦硼與鈦在界面首先發(fā)生反應(yīng)：在界面首先發(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 +

26、 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。第28頁/共50頁第29頁/共50頁 (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)界面是由于增強材料表面局部氧化所暫穩(wěn)態(tài)界面是由于增強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：在硼纖維增強鋁中，由于硼纖維上吸附有氧例

27、如：在硼纖維增強鋁中，由于硼纖維上吸附有氧，并與之生成，并與之生成BOBO2 2，當這層氧化物在擴散結(jié)合時未受到破，當這層氧化物在擴散結(jié)合時未受到破壞，但它是不穩(wěn)定的。在一定溫度下，由于鋁與氧親和壞，但它是不穩(wěn)定的。在一定溫度下，由于鋁與氧親和力強，可以還原力強，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，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，界面上的氧化結(jié)合。在長期熱效應(yīng)的作用下，界面上的AlAl2 2O O3 3氧化氧化膜會發(fā)生球化，從而影響復(fù)合材料的性能膜會發(fā)生球化，從而影響復(fù)合材料的性能 。 第30頁/共50頁3.3.殘余應(yīng)力殘余應(yīng)

28、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)注意增強纖維與基體金屬的方面的因素外，還應(yīng)注意增強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韌性和強度，以便能要求金屬基體有足夠的韌性和強度，以便能夠更好地通過界面將載荷傳遞給增強纖維；夠更好地通過界面將載荷傳遞給增強纖維； 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)力不在增強纖維上形成高應(yīng)力；產(chǎn)生的局部應(yīng)力不在增強纖維上形成高應(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

29、。熱膨脹系數(shù)匹配。 第31頁/共50頁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)計希望增強材料與基體之間具有希望增強材料與基體之間具有良好的潤濕性良好的潤濕性，粘著強粘著強，有利于界面均勻、有效地傳遞應(yīng)力；，有利于界面均勻、有效地傳遞應(yīng)力；增強材料與基體潤濕后互相間發(fā)生增強材料與基體潤濕后互相間發(fā)生一定程度的一定程度的溶解溶解，保持，保持適宜的界面結(jié)合力適宜的界面結(jié)合力，提高復(fù)合材料的，提高復(fù)合材料的強韌性；強韌性；第32頁/共50頁產(chǎn)生產(chǎn)生適量適量的界面反應(yīng)，而界面反應(yīng)物質(zhì)地均勻的界面反應(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(

30、 (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)計要求可通過以上設(shè)計要求可通過界面控制界面控制來達到，通常采來達到，通常采用兩種方法，即增強材料的用兩種方法，即增強材料的表面改性（表面處理表面改性（表面處理）以及以及基體的改性基體的改性。第33頁/共50頁 增強材料的表面處理是針對不同基體應(yīng)用合適增強材料的表面處理是針對不同基體應(yīng)用合適的材料來進行表面涂覆。表面涂層則可以起到以的材料來進行表面涂覆。表面涂層則可以起到以下作用：下作用：(a)(a)可以改善增強材料與基體的潤濕性和粘著性；可以改善增強材料與基體的潤濕性和粘著性；5. 5. 金屬基復(fù)合材料

31、界面控制金屬基復(fù)合材料界面控制（1 1）增強材料的表面處理）增強材料的表面處理 (b)(b)可起到防止增強材料與基體之間的擴散、滲透可起到防止增強材料與基體之間的擴散、滲透和反應(yīng)的阻擋層的作用；和反應(yīng)的阻擋層的作用；(c)(c)可以減輕增強材料與基體之間的熱應(yīng)力集中，可以減輕增強材料與基體之間的熱應(yīng)力集中，并防止增強材料在運輸和制備時造成的損傷。并防止增強材料在運輸和制備時造成的損傷。第34頁/共50頁目前，在增強材料表面涂覆中比較成功的主要目前，在增強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

32、 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。第35頁/共50頁例例 圖為制備硼纖維增強鈦基圖為制備硼纖維增強鈦基復(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

33、，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，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第36頁/共50頁碳纖維增強鋁是一種適宜空間技術(shù)的結(jié)構(gòu)與功能的碳纖維增強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，在一般情況下不復(fù)合材

34、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。能被鋁所潤濕。在在1000以上，它們之間的接觸角才小以上，它們之間的接觸角才小于于90為了提高碳與鋁的潤濕性并控制界面反應(yīng)，一般為了提高碳與鋁的潤濕性并控制界面反應(yīng)，一般采用采用CVD法在碳纖維上涂覆法在碳纖維上涂覆Ti-B涂層，取得了令人滿意涂層，取得了令人滿意的潤濕效果。的潤濕效果。 第37頁/共50頁（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材料與基體之間中添加某些合金元素以改善增強材料與基體之間的浸潤條件或有效控制界面反應(yīng)的

35、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)，在某種確定的增強材料第一是控制界面反應(yīng)，在某種確定的增強材料基體體系中，選擇的改性合金元素應(yīng)使界面發(fā)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。 第38頁/共50頁 第二是通過在基體中添加合金元素，在增強材第二是通過在基體中添加合金元素，在增強材料表面形成一層薄的反應(yīng)層而增加增強材料的表料表面形成一層薄的反應(yīng)層而增加增強材料的表面能面能, ,從而改善界面浸潤性。從

36、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材料表第三是添加的合金元素盡可能不與增強材料表面發(fā)生界面反應(yīng)，但可降低基體液相的表面能，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)考慮為與增強材料組成基體改性合金化元素應(yīng)考慮為與增強材料組成元素化學(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。第39頁/共50頁 例：例：在硼纖維增強鈦基復(fù)合材

37、料研制中，硼纖在硼纖維增強鈦基復(fù)合材料研制中，硼纖維與鈦的界面反應(yīng)強烈，界面反應(yīng)產(chǎn)物維與鈦的界面反應(yīng)強烈，界面反應(yīng)產(chǎn)物TiBTiB2 2又是又是脆性物質(zhì)，在達到一定臨界厚度后，在遠低于硼脆性物質(zhì)，在達到一定臨界厚度后，在遠低于硼纖維斷裂應(yīng)變條件下，硼化物界面層破裂，引起纖維斷裂應(yīng)變條件下，硼化物界面層破裂，引起硼纖維的斷裂，如圖硼纖維的斷裂，如圖5-395-39所示。所示。 第40頁/共50頁 為了控制界面硼化物的厚度，在鈦中分別添加為了控制界面硼化物的厚度，在鈦中分別添加鋁、鉬、釩和鋯合金元素可以明顯降低硼化物生鋁、鉬、釩和鋯合金元素可以明顯降低硼化物生成速度，尤其是當鋁、鉬、釩和鋯綜合合金化時成速度，尤其是當鋁、鉬、釩和鋯綜合合金化時其作用更為明顯。硼化物的厚度的控制避免了硼其作用更為明顯。硼化物的厚度的控制避免了硼纖維的早期斷裂。纖維的早期斷裂。第41頁/共50頁4.2.3 4.2.3 陶瓷基復(fù)合材料的界面陶瓷基復(fù)合材料的界面陶瓷基復(fù)合材料的界面設(shè)計陶瓷基復(fù)合材料的界面設(shè)計（改善陶瓷韌性差的（改善陶瓷韌性差的缺點）缺點） 陶瓷基復(fù)合材料要有一個最佳的界面強度，一陶瓷基復(fù)合材料要有一個最佳的界面強度，一方面應(yīng)強到足