复合材料制备与加工2

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1、复合材料制备与加工第二章复合材料的界面与设计2.1复合材料的界面基体和增强相之间化学成分有显著变化、构成彼此结合的、能传递载荷作用的区域称之为界面。在许多情况下，界面是具有层次的，即沿界面的法线方向存在具有一定厚度、且成分、组织和性能不同于基体和强化相的区域，而不只是一个简单的接触面。界面在复合材料中所占的比例很大，在复合材料中有着极为重要的作用。2.1.1界面对复合材料性能的影响具有良好结合强度的界面，可以产生下列强化效应：（a）阻止裂纹的扩展，提高材料的韧性；（b）通过应力传递，使强化相承受较大的外载

2、荷，提高复合材料的承载能力；（c）分散和吸收各种机械冲击和热冲击的能量，提高抗外加冲击的能力；（d）使强化相与基体产生既相互独立又相互协调的作用，弥补各自的缺点，获得新的材料使用性能。结合强度过高时，反而会使复合材料的强度与韧性下降。强化相多为强度高而塑性差的材料，当界面结合强度过高时，不利于基体材料的充分塑性变形，容易产生脆性断裂。影响界面结合强度的因素（1）强化相几何形状、表面形貌与质量一般认为纤维状的强化相与基体之间的结合强度，比颗粒状的强化相的要好；表面粗糙的强化相与基体之间的结合强度较高。（2）

3、强化相与基体热性能匹配程度当强化相与基体之间的热膨胀系数相差较大时，在热循环过程中，易在界面产生微裂纹，因而影响界面结合强度。（3）强化相与基体界面的物理与化学性能匹配程度能否产生界面浸润、扩散或化学反应等作用。（4）制备与成形工艺的选择制备与成形工艺不同，对界面产生浸润、扩散或化学反应等作用的影响不同。2.1.2界面结合形式一、粘结结合基体与增强相之间通过粘结作用而形成的一种界面结合形式。（1）表面润湿理论界面的结合主要依靠液态基体对增强相的润湿作用，其界面结合模式主要有两种：机械粘结与物理吸附。机械粘

4、结模式认为，固态增强相的表面存在许多微小的凹凸、孔隙与裂纹，液态基体浸入这些微小缺陷中而形成机械铆钉式的结合作用。物理吸附模式认为，润湿作用的实质，就是基体与增强相之间发生了具有范德华力的物理吸附作用。（2）化学键理论认为粘结界面上的结合力是由化学键所引起的。当对强化相表面进行处理时，许多情形下就是要在强化相的表面形成涂层,它能与基体和强化相表面之间产生化学作用（如形成共价键），以获得理想的界面粘结强度。（3）可形变层理论在复合材料在制备过程中，由于强化相与基体的热膨胀系数不同，或由于基体的固化收缩而引起

5、附加应力。附加应力可引起局部应力集中，形成微裂纹，降低复合材料的性能。而对增强相进行某种处理后，复合材料的性能可以得到改善。因而认为这是由于处理剂在强化相表面形成了一层塑性层，可以松弛界面附近应力集中的缘故。（4）扩散层理论认为界面粘结是由于发生了扩散现象而实现的。二、溶解结合溶解结合是基体与强化相之间在充分润湿的情形下产生一定相互溶解的界面结合形式，具有较高的界面结合强度。但同时由于溶解作用而对强化相产生损伤作用，容易导致纤维增强复合材料中界面的不稳定，复合材料强度下降。这种情形对于在高温下使用的复合材

6、料尤其严重，因为许多复合材料在常温下界面不发生溶解现象，而在高温下甚至可以产生显著的溶解作用，从而导致复合材料的界面在高温条件下变得非常不稳定，最终导致材料的失效。三、反应结合基体与强化相发生化学反应，在界面形成反应物的一种结合形式，称为反应结合。这类结合尤其多见于金属基和陶瓷基复合材料。形成反应结合的界面结合强度，取决于反应物的种类和反应层的厚度。当反应物为脆性化合物且反应层厚度较大时，由于对强化相（例如纤维）的损伤较大，往往导致复合材料强度的降低。因此，对于反应结合型复合材料，反应层厚度与界面稳定性的

7、控制是非常重要的。四、混合结合在实际的分散强化复合材料中，界面的结合往往可能是上述三种基本结合形式的某两种、或三种形式共同产生作用的混合结合形式。例如粘结与溶解、溶解与化学反应等。即使是单一的粘结结合，如上所述，也可能是几种机理（例如机械粘结与扩散）同时发挥作用。2.1.3层状（接合型）复合材料的界面界面结合机理大致分为四种类型：纯机械结合（残余应力结合）、机械粘结、扩散结合、反应结合。纯机械结合依靠残余应力实现，例如镶套、热装；机械粘结是通过塑性变形等而实现的（如冷变形条件下形成的结合），此时的界面结合

8、形式主要为凹凸界面的相互啮合和原子级金属键合。当实现复合的塑性变形在一定温度下进行时，异质金属在复合过程中伴随扩散作用，从而使界面结合成为扩散结合形式，一般将其称为冶金结合或金属学结合。经冷加工复合的层状复合材料，为了获得较高的界面质量，可以通过适当的热处理促进界面的扩散，获得扩散结合界面。当两种活性较高的金属在较高温度下进行变形复合，或进行热处理时，容易产生界面反应，生成化合物。通常采用低温复合、或冷变形复合后进行低温扩散热