復(fù)合材料 界面

1、第二章第二章復(fù)合材料的界面及界面優(yōu)化復(fù)合材料的界面及界面優(yōu)化2015.11.22目標(biāo)與要求目標(biāo)與要求l 掌握界面定義、組成掌握界面定義、組成l 掌握界面的作用掌握界面的作用l 掌握界面理論掌握界面理論l 掌握界面設(shè)計方法掌握界面設(shè)計方法l 了解界面表征方法了解界面表征方法一、復(fù)合材料的界面一、復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面是指是指基體與增強(qiáng)基體與增強(qiáng)物之間物之間化學(xué)成分化學(xué)成分有顯著變化的、有顯著變化的、構(gòu)構(gòu)成成彼此結(jié)合的、能起彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用載荷傳遞作用的微小的微小區(qū)域區(qū)域。1 1、外力場、外力場2 2、基體、基體3 3、基體表面區(qū)基體表面區(qū)4 4、相互滲透區(qū)相互滲透

2、區(qū) 5 5、增強(qiáng)劑表面區(qū)增強(qiáng)劑表面區(qū) 6 6、增強(qiáng)劑、增強(qiáng)劑 復(fù)合材料的界面示意圖復(fù)合材料的界面示意圖界面特點界面特點性能和結(jié)構(gòu)上不同于基體和增強(qiáng)材料性能和結(jié)構(gòu)上不同于基體和增強(qiáng)材料具有一定的厚度具有一定的厚度連接基體與增強(qiáng)體材料連接基體與增強(qiáng)體材料能夠傳遞載荷能夠傳遞載荷(1) 界面能傳遞力，即界面能傳遞力，即，起到基體和增強(qiáng)物之間的橋梁作用。，起到基體和增強(qiáng)物之間的橋梁作用。(2) 結(jié)合適當(dāng)?shù)慕缑嬗薪Y(jié)合適當(dāng)?shù)慕缑嬗?、的作用。的作用?3) 在界面上產(chǎn)生在界面上產(chǎn)生和和的現(xiàn)象，如抗電性、電感應(yīng)性、磁的現(xiàn)象，如抗電性、電感應(yīng)性、磁性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等。性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等。(4)(4)

3、 光波、聲波、熱彈性波、沖光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面擊波等在界面，如透光性、隔熱，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機(jī)械沖擊及耐熱沖擊性等。性、隔音性、耐機(jī)械沖擊及耐熱沖擊性等。(5)(5) 一種一種( (通常是增強(qiáng)物通常是增強(qiáng)物) )使另一種使另一種( (通常是聚合物基體通常是聚合物基體) )與之接觸的物質(zhì)與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，由此產(chǎn)生一些，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)的彈性、低的膨脹性、耐沖擊性和耐現(xiàn)象，如強(qiáng)的彈性、低的膨脹性、耐沖擊性和耐熱性等熱性等界面效應(yīng)是任何一種單一材料所沒界面效應(yīng)是任何一種單一材料所沒有的特性，它對復(fù)合材料具有重要的作有的特性，它對復(fù)合材料具有重要的作用。界面

4、效應(yīng)既與界面結(jié)合狀態(tài)、形態(tài)用。界面效應(yīng)既與界面結(jié)合狀態(tài)、形態(tài)和物理和物理- -化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，也與復(fù)合材料化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，也與復(fù)合材料各組分的浸潤性、相容性、擴(kuò)散性等密各組分的浸潤性、相容性、擴(kuò)散性等密切相關(guān)。切相關(guān)。 界面結(jié)合較差界面結(jié)合較差，增強(qiáng)體不能發(fā)揮作用；，增強(qiáng)體不能發(fā)揮作用；界面界面結(jié)合過強(qiáng)結(jié)合過強(qiáng)，材料破壞過程的裂紋容易擴(kuò)展到界面，材料破壞過程的裂紋容易擴(kuò)展到界面，直接沖擊增強(qiáng)體則呈脆性斷裂。直接沖擊增強(qiáng)體則呈脆性斷裂。 最佳狀態(tài)的界面，最佳狀態(tài)的界面，裂紋沿界面擴(kuò)展形成曲折裂紋沿界面擴(kuò)展形成曲折的路徑耗散較多的能量，即這時的復(fù)合材料具有的路徑耗散較多的能量，即這時的復(fù)合材料具有最大

5、斷裂能和一定的韌性。最大斷裂能和一定的韌性。 研究和設(shè)計界面時，不應(yīng)只追求界面結(jié)合強(qiáng)研究和設(shè)計界面時，不應(yīng)只追求界面結(jié)合強(qiáng)度而應(yīng)考慮到復(fù)合材料綜合力學(xué)性能。度而應(yīng)考慮到復(fù)合材料綜合力學(xué)性能。 許多因素影響著界面結(jié)合強(qiáng)度，如許多因素影響著界面結(jié)合強(qiáng)度，如表面幾何形表面幾何形狀狀、分布狀況分布狀況、紋理結(jié)構(gòu)紋理結(jié)構(gòu)、表面雜質(zhì)表面雜質(zhì)、吸附氣吸附氣體程度體程度、吸水情況吸水情況、表面形態(tài)表面形態(tài)、在界面的溶解、在界面的溶解、擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)、表面層的力學(xué)特性表面層的力學(xué)特性、潤濕速潤濕速度度等。等。 三、界面理論三、界面理論(1) 機(jī)械結(jié)合機(jī)械結(jié)合 基體與增強(qiáng)材料之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，基體

6、與增強(qiáng)材料之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，靠纖維的粗糙表面與基體產(chǎn)生摩擦力而實現(xiàn)的。靠纖維的粗糙表面與基體產(chǎn)生摩擦力而實現(xiàn)的。在鋼筋與混凝土之間的界面上會產(chǎn)生剪應(yīng)力，為此，在鋼筋與混凝土之間的界面上會產(chǎn)生剪應(yīng)力，為此，在預(yù)應(yīng)力鋼筋的表面帶有螺紋狀突起。在預(yù)應(yīng)力鋼筋的表面帶有螺紋狀突起。 表面越粗糙，互鎖作用越強(qiáng)，機(jī)械粘結(jié)作用表面越粗糙，互鎖作用越強(qiáng)，機(jī)械粘結(jié)作用越有效。但表面積隨著粗糙度增大而增大，其中越有效。但表面積隨著粗糙度增大而增大，其中有相當(dāng)多的孔穴，粘度大的液體是無法流入。造有相當(dāng)多的孔穴，粘度大的液體是無法流入。造成界面脫粘的缺陷，而且也形成了應(yīng)力集中點，成界面脫粘的缺陷，而且也形成了應(yīng)力集中

7、點，影響界面結(jié)合。影響界面結(jié)合。金屬基體復(fù)合材料金屬基體復(fù)合材料和和陶瓷復(fù)合材料陶瓷復(fù)合材料有這類結(jié)有這類結(jié)合方式合方式 在大多數(shù)情況下，純粹機(jī)械粘結(jié)作用很難遇在大多數(shù)情況下，純粹機(jī)械粘結(jié)作用很難遇到，往往是機(jī)械粘結(jié)作用與其它粘結(jié)機(jī)理共同起到，往往是機(jī)械粘結(jié)作用與其它粘結(jié)機(jī)理共同起作用。作用。 三、界面理論三、界面理論(2)溶解和潤濕結(jié)合溶解和潤濕結(jié)合主要是聚合物基體復(fù)合材料的主要是聚合物基體復(fù)合材料的結(jié)合形式?；w潤濕增強(qiáng)材料，相互之間發(fā)生原結(jié)合形式?；w潤濕增強(qiáng)材料，相互之間發(fā)生原子擴(kuò)散和溶解，即物理和化學(xué)吸附作用。界面是子擴(kuò)散和溶解，即物理和化學(xué)吸附作用。界面是溶質(zhì)原子的過渡帶。溶質(zhì)原子

8、的過渡帶。浸潤性浸潤性是表示液體在固體表面上鋪展的是表示液體在固體表面上鋪展的程度。程度。浸潤不良會在界面上產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致界浸潤不良會在界面上產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致界面缺陷和應(yīng)力集中，使界面強(qiáng)度下降。良好面缺陷和應(yīng)力集中，使界面強(qiáng)度下降。良好的或完全浸潤將使界面強(qiáng)度大大提高，甚至的或完全浸潤將使界面強(qiáng)度大大提高，甚至優(yōu)于基體本身的內(nèi)聚強(qiáng)度。優(yōu)于基體本身的內(nèi)聚強(qiáng)度。浸潤性僅僅表示了液體與固體發(fā)生接觸浸潤性僅僅表示了液體與固體發(fā)生接觸時的情況，而時的情況，而并不能表示界面的粘結(jié)性能并不能表示界面的粘結(jié)性能。潤濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分潤濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件條件 在制備在制備聚

9、合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料時，時，樹脂對增強(qiáng)材料樹脂對增強(qiáng)材料的浸潤性的浸潤性是指樹脂能否均勻地分布在增強(qiáng)材科的周是指樹脂能否均勻地分布在增強(qiáng)材科的周圍，這是樹脂與增強(qiáng)材料能否形成良好粘結(jié)的重要圍，這是樹脂與增強(qiáng)材料能否形成良好粘結(jié)的重要前提。前提。 在制備在制備金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料時，時，液態(tài)金屬對增強(qiáng)材液態(tài)金屬對增強(qiáng)材料的浸潤性，料的浸潤性，則直接影響到界面則直接影響到界面粘結(jié)強(qiáng)度。粘結(jié)強(qiáng)度。如如W/Cu、W/Ni、C/Ni、BN/ZrO2的復(fù)合體系的復(fù)合體系 三、界面理論三、界面理論(3) 化學(xué)結(jié)合化學(xué)結(jié)合是指增強(qiáng)材料表面與基體表面發(fā)生化學(xué)反是指增強(qiáng)材料表面與基體表面發(fā)生化學(xué)

10、反應(yīng)，以化學(xué)鍵連接基體和增強(qiáng)體。從理論上可以獲應(yīng)，以化學(xué)鍵連接基體和增強(qiáng)體。從理論上可以獲得較強(qiáng)的界面粘結(jié)得較強(qiáng)的界面粘結(jié)化學(xué)作用理論最成功的應(yīng)用是化學(xué)作用理論最成功的應(yīng)用是偶聯(lián)劑偶聯(lián)劑用于增強(qiáng)材料用于增強(qiáng)材料表面與聚合物基體的粘結(jié)。表面與聚合物基體的粘結(jié)。如硅烷偶聯(lián)型具有兩種如硅烷偶聯(lián)型具有兩種性質(zhì)不同的官能團(tuán)，一端為親玻璃纖維的官能團(tuán)性質(zhì)不同的官能團(tuán)，一端為親玻璃纖維的官能團(tuán)(X)，一端為親樹脂的官能團(tuán)一端為親樹脂的官能團(tuán)(R)，將玻璃纖維與樹脂粘結(jié)，將玻璃纖維與樹脂粘結(jié)起來，在界面上形成共價鍵結(jié)合。起來，在界面上形成共價鍵結(jié)合。多數(shù)金屬基復(fù)合材料多數(shù)金屬基復(fù)合材料在制備過程中發(fā)生不同程度

11、在制備過程中發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)。輕微的界面反應(yīng)能有效的改善金屬的界面反應(yīng)。輕微的界面反應(yīng)能有效的改善金屬基體與增強(qiáng)體的浸潤和結(jié)合，嚴(yán)重的界面反應(yīng)將基體與增強(qiáng)體的浸潤和結(jié)合，嚴(yán)重的界面反應(yīng)將造成增強(qiáng)體的損傷和形成脆性界面相等十分有害。造成增強(qiáng)體的損傷和形成脆性界面相等十分有害。碳纖維碳纖維/ /鋁鈦銅合金復(fù)合材料中，生成鋁鈦銅合金復(fù)合材料中，生成TiC，使界，使界面附近的鋁、銅富集。面附近的鋁、銅富集。500時，在時，在C纖維纖維/ /鋁材鋁材料在界面生成料在界面生成Al4C3脆性層脆性層三、界面理論三、界面理論(4) 復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)材料間可以發(fā)生原子或分復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)材料間可以

12、發(fā)生原子或分子的互擴(kuò)散或發(fā)生反應(yīng)，從而形成子的互擴(kuò)散或發(fā)生反應(yīng)，從而形成反應(yīng)結(jié)合反應(yīng)結(jié)合或或互擴(kuò)散結(jié)合互擴(kuò)散結(jié)合。對于聚合物基體復(fù)合材料來說，。對于聚合物基體復(fù)合材料來說，這種粘結(jié)機(jī)理可看作為分子鏈的纏結(jié)。而對于金這種粘結(jié)機(jī)理可看作為分子鏈的纏結(jié)。而對于金屬和陶瓷基復(fù)合材料，兩組元的互擴(kuò)散可產(chǎn)生完屬和陶瓷基復(fù)合材料，兩組元的互擴(kuò)散可產(chǎn)生完全不同于任一原組元成分及結(jié)構(gòu)的界面層。金屬全不同于任一原組元成分及結(jié)構(gòu)的界面層。金屬基復(fù)合材料中界面層常常是基復(fù)合材料中界面層常常是AB、AB2、A3B類型類型的脆性的金屬間化合物的脆性的金屬間化合物 金屬基和陶瓷基復(fù)合材料金屬基和陶瓷基復(fù)合材料，形成界面層的

13、主要，形成界面層的主要原因之一是生產(chǎn)制備過程要經(jīng)歷高溫。在高溫下原因之一是生產(chǎn)制備過程要經(jīng)歷高溫。在高溫下擴(kuò)散極易進(jìn)行，擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散極易進(jìn)行，擴(kuò)散系數(shù)D隨溫度呈指數(shù)關(guān)系增隨溫度呈指數(shù)關(guān)系增加，按照加，按照Arrhenius方程方程：D = D0 exp（- Q/RT） D：擴(kuò)散系數(shù)；擴(kuò)散系數(shù)；Q：擴(kuò)散激活能。擴(kuò)散激活能。 R為玻爾茲曼為玻爾茲曼常數(shù)；常數(shù)；T為絕對溫度為絕對溫度。其他結(jié)合其他結(jié)合 聚合物復(fù)合材料還有物理吸附聚合物復(fù)合材料還有物理吸附理論、過渡層理論；金屬基體和陶瓷基體理論、過渡層理論；金屬基體和陶瓷基體復(fù)合材料還有物理結(jié)合理論復(fù)合材料還有物理結(jié)合理論 混合結(jié)合混合結(jié)合 這種結(jié)合

14、較普遍，是最重要的一這種結(jié)合較普遍，是最重要的一種結(jié)合方式。是以上幾種結(jié)合方式中幾個種結(jié)合方式。是以上幾種結(jié)合方式中幾個的組合。的組合。三、界面理論三、界面理論(5) 界面結(jié)合強(qiáng)度低，則增強(qiáng)纖維與基體很容易界面結(jié)合強(qiáng)度低，則增強(qiáng)纖維與基體很容易分離，在材料的斷面可觀察到分離，在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、脫粘、纖維拔出、纖維應(yīng)力松弛纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象，起不到增強(qiáng)作用；但界面等現(xiàn)象，起不到增強(qiáng)作用；但界面結(jié)合強(qiáng)度太高，則增強(qiáng)纖維與基體之間應(yīng)力無法結(jié)合強(qiáng)度太高，則增強(qiáng)纖維與基體之間應(yīng)力無法松弛，形成松弛，形成脆性斷裂脆性斷裂。 在研究和設(shè)計界面時，不應(yīng)只追求界面粘結(jié)在研究和設(shè)計界面時，不應(yīng)只

15、追求界面粘結(jié)而應(yīng)考慮到最優(yōu)化和最佳而應(yīng)考慮到最優(yōu)化和最佳綜合性能綜合性能。 四、界面及界面改性方法四、界面及界面改性方法 不同界面結(jié)合強(qiáng)度斷裂纖維周圍基體形態(tài)模型不同界面結(jié)合強(qiáng)度斷裂纖維周圍基體形態(tài)模型弱界面結(jié)合和弱界面結(jié)合和 界面結(jié)合適中狀況界面結(jié)合適中狀況 ； 界面結(jié)合過強(qiáng)狀況界面結(jié)合過強(qiáng)狀況1 1、聚合物基復(fù)合材料界面、聚合物基復(fù)合材料界面界面結(jié)合有界面結(jié)合有機(jī)械粘接機(jī)械粘接與與潤濕吸附潤濕吸附、化學(xué)鍵結(jié)合化學(xué)鍵結(jié)合等。等。大多數(shù)界面為大多數(shù)界面為物理粘結(jié)物理粘結(jié)，結(jié)合強(qiáng)度較低結(jié)合強(qiáng)度較低，結(jié)合力，結(jié)合力主要來自如色散力、偶極力、氫鍵等物理粘結(jié)力。主要來自如色散力、偶極力、氫鍵等物理粘結(jié)

16、力。偶聯(lián)劑與纖維的結(jié)合（化學(xué)反應(yīng)或氫鍵）也不穩(wěn)偶聯(lián)劑與纖維的結(jié)合（化學(xué)反應(yīng)或氫鍵）也不穩(wěn)定，可能被環(huán)境（水、化學(xué)介質(zhì)等）破壞。定，可能被環(huán)境（水、化學(xué)介質(zhì)等）破壞。一般在較低溫度下使用，其界面可保持相對穩(wěn)定。一般在較低溫度下使用，其界面可保持相對穩(wěn)定。增強(qiáng)劑本身一般不與基體材料反應(yīng)。增強(qiáng)劑本身一般不與基體材料反應(yīng)。 聚合物基復(fù)合材料界面改性原則：聚合物基復(fù)合材料界面改性原則： 1 1）在聚合物基復(fù)合材料的設(shè)計中，首先應(yīng)考慮）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。一般可采取如何改善增強(qiáng)材料與基體間的浸潤性。一般可采取延長浸漬時間，增大體系壓力、降低熔體粘度以及延

17、長浸漬時間，增大體系壓力、降低熔體粘度以及改變增強(qiáng)體織物結(jié)構(gòu)等措施。改變增強(qiáng)體織物結(jié)構(gòu)等措施。）適度的界面結(jié)合強(qiáng)度）適度的界面結(jié)合強(qiáng)度）減少復(fù)合材料中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力）減少復(fù)合材料中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力）調(diào)節(jié)界面內(nèi)應(yīng)力和減緩應(yīng)力集中）調(diào)節(jié)界面內(nèi)應(yīng)力和減緩應(yīng)力集中不易與樹脂結(jié)不易與樹脂結(jié)合，但易使樹合，但易使樹脂浸透，能使脂浸透，能使纖維間的空隙纖維間的空隙被樹脂填充得被樹脂填充得較為密實；較為密實；(a)(b)(c)(d)能與樹脂起較好的機(jī)能與樹脂起較好的機(jī)械結(jié)合作用，但高粘械結(jié)合作用，但高粘度的基體有時很難完度的基體有時很難完全浸潤其表面，造成全浸潤其表面，造成很多空隙，成為應(yīng)力很多空隙，成為應(yīng)力傳

18、遞的薄弱環(huán)節(jié)。傳遞的薄弱環(huán)節(jié)。聚合物基體復(fù)合材料改性方法聚合物基體復(fù)合材料改性方法、顆粒增強(qiáng)體、顆粒增強(qiáng)體 在熱塑性聚合物基體加入兩性在熱塑性聚合物基體加入兩性相溶劑相溶劑( (增增 容劑容劑) )，則能使液晶微纖與基體間形成結(jié)合良好的界面，則能使液晶微纖與基體間形成結(jié)合良好的界面 、纖維增強(qiáng)體復(fù)合材料界面改善、纖維增強(qiáng)體復(fù)合材料界面改善 a)a)纖維表面偶聯(lián)劑纖維表面偶聯(lián)劑 b)b)涂覆界面層涂覆界面層 c)c)增強(qiáng)體表面改性增強(qiáng)體表面改性2、金屬基復(fù)合材料界面金屬基復(fù)合材料界面 金屬基體在高溫下容易與增強(qiáng)體發(fā)生不同程度的界面金屬基體在高溫下容易與增強(qiáng)體發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)，金屬基體多為合

19、金材料，在冷卻凝固熱處理過程中反應(yīng)，金屬基體多為合金材料，在冷卻凝固熱處理過程中還會發(fā)生元素偏聚、擴(kuò)散、固溶、相變等。還會發(fā)生元素偏聚、擴(kuò)散、固溶、相變等。 金屬基復(fù)合材料界面金屬基復(fù)合材料界面結(jié)合方式結(jié)合方式有有化學(xué)結(jié)合化學(xué)結(jié)合、物理結(jié)合物理結(jié)合、擴(kuò)散結(jié)合擴(kuò)散結(jié)合、機(jī)械結(jié)合機(jī)械結(jié)合?？偟膩碇v，金屬基體復(fù)合材料界面?？偟膩碇v，金屬基體復(fù)合材料界面以化學(xué)結(jié)合為主，有時也會出現(xiàn)幾種界面結(jié)合方式共存。以化學(xué)結(jié)合為主，有時也會出現(xiàn)幾種界面結(jié)合方式共存。 金屬基體復(fù)合材料的界面有金屬基體復(fù)合材料的界面有3 3種類型種類型：第一類界面平整、：第一類界面平整、組分純凈，無中間相。第二類界面不平直，由原始組分

20、構(gòu)組分純凈，無中間相。第二類界面不平直，由原始組分構(gòu)成的凸凹的溶解擴(kuò)散型界面。第三類界面中含有尺寸在亞成的凸凹的溶解擴(kuò)散型界面。第三類界面中含有尺寸在亞微米級的界面反應(yīng)物。多數(shù)金屬基復(fù)合材料在制備過程中微米級的界面反應(yīng)物。多數(shù)金屬基復(fù)合材料在制備過程中發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)。發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)。TiB2/NiAl原位復(fù)合材料原位復(fù)合材料碳碳/鋁（含鎂）復(fù)合材料鋁（含鎂）復(fù)合材料析出物形貌，有析出物形貌，有Mg17Al12化合物析出相化合物析出相碳碳/鋁復(fù)合材料界面微結(jié)構(gòu)鋁復(fù)合材料界面微結(jié)構(gòu)(a)快速冷卻快速冷卻(b)慢速冷卻慢速冷卻類類 型型 1類類 型型 2類類 型型 3纖維與基體互不反

21、纖維與基體互不反應(yīng)亦不溶解應(yīng)亦不溶解纖維與基體互不反纖維與基體互不反應(yīng)但相互溶解應(yīng)但相互溶解纖維與基體反應(yīng)形成界纖維與基體反應(yīng)形成界面反應(yīng)層面反應(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（硼纖維（BN表面涂表面涂層）層） / 鋁鋁不銹鋼絲不銹鋼絲 / 鋁鋁SiC 纖維纖維 / 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 / 同同一合金一合金鎢絲鎢絲 / 銅銅 鈦合金鈦合金碳纖維碳纖維 / 鋁（鋁（ 580 C）Al2O3 纖維纖維 / 鈦鈦硼纖維硼纖

22、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 / 鈦鈦金屬基復(fù)合材料界面類型金屬基復(fù)合材料界面類型 界面結(jié)合結(jié)合太弱，受載時，纖維大量拔出，強(qiáng)度界面結(jié)合結(jié)合太弱，受載時，纖維大量拔出，強(qiáng)度低；結(jié)合太強(qiáng)，纖維受損，材料脆斷，既降低強(qiáng)度，低；結(jié)合太強(qiáng)，纖維受損，材料脆斷，既降低強(qiáng)度，又降低塑性。只有界面結(jié)合適中的復(fù)合材料才呈現(xiàn)又降低塑性。只有界面結(jié)合適中的復(fù)合材料才呈現(xiàn)高強(qiáng)度和高塑性。高強(qiáng)度和高塑性。 纖維纖維基體基體負(fù)荷負(fù)荷金屬基復(fù)合材料的界面控制研究方法：金屬基復(fù)合材料的界面控制研究方法：1 1）對增強(qiáng)材料進(jìn)行表面涂層處理）對增強(qiáng)材料進(jìn)行表面涂層處理 在增

23、強(qiáng)材料組元上預(yù)先在增強(qiáng)材料組元上預(yù)先涂層以改善增強(qiáng)材料與基體的浸潤性，同時涂層還應(yīng)起到防涂層以改善增強(qiáng)材料與基體的浸潤性，同時涂層還應(yīng)起到防止發(fā)生反應(yīng)的阻擋層作用。止發(fā)生反應(yīng)的阻擋層作用。2 2）選擇金屬元素）選擇金屬元素 改變基體的合金成分，造成某一元素在改變基體的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻擋層來控制界面反應(yīng)。盡量避免選擇易參界面上富集形成阻擋層來控制界面反應(yīng)。盡量避免選擇易參與界面反應(yīng)生成脆硬界面相、造成強(qiáng)界面結(jié)合的合金元素與界面反應(yīng)生成脆硬界面相、造成強(qiáng)界面結(jié)合的合金元素 3 3）優(yōu)化制備工藝和參數(shù)）優(yōu)化制備工藝和參數(shù) 金屬基體復(fù)合材料界面反應(yīng)程度金屬基體復(fù)合材料界面反應(yīng)程

24、度主要取決于制備方法和工藝參數(shù)，因此優(yōu)化制備工藝和嚴(yán)格主要取決于制備方法和工藝參數(shù)，因此優(yōu)化制備工藝和嚴(yán)格控制工藝參數(shù)是優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)和控制界面反應(yīng)的有效途徑?？刂乒に噮?shù)是優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)和控制界面反應(yīng)的有效途徑。 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體復(fù)合材料指基體為陶瓷材料的復(fù)合材料。增強(qiáng)體陶瓷基體復(fù)合材料指基體為陶瓷材料的復(fù)合材料。增強(qiáng)體包括金屬和陶瓷材料。界面結(jié)合方式與金屬基體復(fù)合材料包括金屬和陶瓷材料。界面結(jié)合方式與金屬基體復(fù)合材料基本相同，有化學(xué)結(jié)合、物理結(jié)合、機(jī)械結(jié)合和擴(kuò)散結(jié)合，基本相同，有化學(xué)結(jié)合、物理結(jié)合、機(jī)械結(jié)合和擴(kuò)散結(jié)合，其中以化學(xué)結(jié)合為主，有時幾種結(jié)合方式同

25、時存在。其中以化學(xué)結(jié)合為主，有時幾種結(jié)合方式同時存在。 陶瓷基體復(fù)合材料界面控制方法陶瓷基體復(fù)合材料界面控制方法 1 1）改變基體元素）改變基體元素 例如：在例如：在SiCPCS纖維強(qiáng)化玻璃陶瓷纖維強(qiáng)化玻璃陶瓷（LAS，LiO，Al2O3，SiO2）中，添加百分之幾的中，添加百分之幾的Nb（鈮）時，熱處理過程中會發(fā)生反應(yīng)，在界面形成數(shù)微（鈮）時，熱處理過程中會發(fā)生反應(yīng)，在界面形成數(shù)微米的米的NbC相，獲得最佳界面，從而達(dá)到高韌化的目的。相，獲得最佳界面，從而達(dá)到高韌化的目的。2 2）增強(qiáng)體表面涂層）增強(qiáng)體表面涂層 在玻璃、陶瓷作為基體時，使用的在玻璃、陶瓷作為基體時，使用的涂層材料有涂層材料有

26、C、BN、Si、B等多種。防止成型過程中纖等多種。防止成型過程中纖維與基體的反應(yīng)，調(diào)節(jié)界面剪切破壞能力以提高剪切強(qiáng)維與基體的反應(yīng)，調(diào)節(jié)界面剪切破壞能力以提高剪切強(qiáng)度。纖維表面雙層涂層處理是最常用的方法。其中里面度。纖維表面雙層涂層處理是最常用的方法。其中里面的涂層以達(dá)到鍵接及滑移的要求，而外部涂層在較高溫的涂層以達(dá)到鍵接及滑移的要求，而外部涂層在較高溫度下防止纖維機(jī)械性能降低。度下防止纖維機(jī)械性能降低。 五、殘余應(yīng)力五、殘余應(yīng)力l 高聚物復(fù)合材料的殘余應(yīng)力是由于樹脂和纖維熱膨脹系數(shù)高聚物復(fù)合材料的殘余應(yīng)力是由于樹脂和纖維熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生和固化過程中樹脂體積收縮產(chǎn)生化學(xué)應(yīng)力。前不同而產(chǎn)生和固

27、化過程中樹脂體積收縮產(chǎn)生化學(xué)應(yīng)力。前者影響較大。殘余應(yīng)力的存在，導(dǎo)致材料粘結(jié)強(qiáng)度下降。者影響較大。殘余應(yīng)力的存在，導(dǎo)致材料粘結(jié)強(qiáng)度下降。殘余應(yīng)力對材料的影響程度依賴于纖維的含量、纖維與基殘余應(yīng)力對材料的影響程度依賴于纖維的含量、纖維與基體的模量比和纖維的直徑體的模量比和纖維的直徑l 金屬復(fù)合材料殘余應(yīng)力來源于熱和力學(xué)。設(shè)計過程要注意金屬復(fù)合材料殘余應(yīng)力來源于熱和力學(xué)。設(shè)計過程要注意基體模量不能太低，膨脹系數(shù)要相差不大基體模量不能太低，膨脹系數(shù)要相差不大l 陶瓷復(fù)合材料陶瓷復(fù)合材料 熱膨脹系數(shù)的不同導(dǎo)致殘余應(yīng)力。纖維的熱膨脹系數(shù)的不同導(dǎo)致殘余應(yīng)力。纖維的膨脹系數(shù)往往大于基體材料。在一定程度下達(dá)到

28、所追求的膨脹系數(shù)往往大于基體材料。在一定程度下達(dá)到所追求的增韌機(jī)制。但基體和增強(qiáng)纖維都是脆性的，殘余應(yīng)力過大增韌機(jī)制。但基體和增強(qiáng)纖維都是脆性的，殘余應(yīng)力過大容易導(dǎo)致裂紋容易導(dǎo)致裂紋六、界面的表征六、界面的表征現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展為復(fù)合材料界面的分析表征提現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展為復(fù)合材料界面的分析表征提供了強(qiáng)有力的手段。掃描電鏡、紅外光譜、紫供了強(qiáng)有力的手段。掃描電鏡、紅外光譜、紫外光譜、光電子能譜、動態(tài)力學(xué)分析、原子力外光譜、光電子能譜、動態(tài)力學(xué)分析、原子力顯微鏡等，在復(fù)合材料界面分析表征中得到充顯微鏡等，在復(fù)合材料界面分析表征中得到充分的應(yīng)用，為揭示界面的本質(zhì)、豐富界面的理分的應(yīng)用，為揭示界面的本質(zhì)、豐

29、富界面的理論作出了重要的貢獻(xiàn)論作出了重要的貢獻(xiàn) 未處理碳纖維的表面形態(tài)未處理碳纖維的表面形態(tài) 低溫等離子處理碳纖維表面低溫等離子處理碳纖維表面形態(tài)形態(tài)界面表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)的表征界面表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)的表征氧等離子處理后，經(jīng)氧等離子處理后，經(jīng)8080與苯乙烯反應(yīng)與苯乙烯反應(yīng)4 4小時，接枝聚苯小時，接枝聚苯乙烯分子鏈的碳纖維照片乙烯分子鏈的碳纖維照片拔出纖維剪切破壞（界面上纖維與基體脫粘）拉斷纖維非界面破壞復(fù)合材料界面強(qiáng)度表征復(fù)合材料界面強(qiáng)度表征1、常規(guī)分析法、常規(guī)分析法（1）拔脫試驗）拔脫試驗（測定界面粘接強(qiáng)度）（測定界面粘接強(qiáng)度）2、界面微脫粘法測定界面剪切強(qiáng)度、界面微脫粘法測定界面剪切強(qiáng)度 顯微鏡