复合材料期末复习资料4.ppt

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1、第四章复合材料的界面复合材料的组成基体Matrix增强体Reinforcement界面Interface4.1复合材料界面中的基本概念4.1.1界面的概念复合材料界面是指基体与增强相之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递的微小区域，约几个纳米到几个微米。界面的几种效应（1）传递效应（2）阻断效应（3）不连续效应（4）散射和吸收效应（5）诱导效应基体与增强相之间某种材料特性出现的不连续区域阻止裂纹的扩展Matrix不连续效应电阻R1电阻R1电阻R2元素的浓度、晶体结构、E、ρ、αMatrixInterfaceReinforcement散射和吸收效应光波、声波、热弹性波、冲击波等

2、界面的构成1外力场2树脂基体3基体表面区4相互渗透区5增强剂表面区6增强剂1外力场4.1.2润湿与结合润湿是用来描述液体在固体表面上自动铺展程度。它是决定液相法制备复合材料中基体与增强体结合状况和性能的重要因素。900950100011001150℃测量润湿性的液滴模型γSγSLγL液体浸润角θ的大小，与固体表面张力γS、液体表面张力γL、固液界面张力γSL有关，它们与浸润角之间存在如下关系：γLCOSθ＝γS-γSL液体对固体的浸润能力，可用浸润角来表示：当θ≤900时，称为浸润；当θ≥900时，称为不浸润；当θ＝00或1800时，则称为完全浸润和完全不浸润。θ影响润湿角θ大小的因素：温度

3、，T↑θ↑固体表面的原始状态，吸附气体、氧化膜等使θ增大，固体表面粗糙使θ减小液相中的夹杂或者相与相之间反应造成的产物润湿性与结合的关系：良好的结合意味着相邻两相沿界面形成均匀的原子或者分子水平的接触，结合强度从弱的范德华力到强的共价键力。润湿性在复合材料制备中的作用（液相法）润湿性好将促进结合，反映复合材料成型性好，而且界面结合强度一般较高。↑↑↑润湿（a）与不润湿（b）下液态金属对增强体表面的接触情况气孔形成（a）（b）4.2.1界面形貌复合材料中界面是制备过程中形成的。一般是粗糙界面而不是平直界面。基体与增强相的接触情况取决于制备过程中液态基体对增强体的润湿程度。4.2复合材料的界面粗

4、糙界面平直界面改善途径纤维表面处理清除表面杂质、吸附气、氧化膜等改变基体成分对于DRMMC，用合金化来改善润湿性最方便、有效。提高温度增大压力改变气氛rmTP4.2.2界面相容性compatibility相容性是指两个相互接触的组分是否相互容纳。对复合材料而言，指增强体与基体之间是否彼此协调、匹配或发生化学反应。良好的化学相容性是指在高温时两组分之间处于热力学平衡且反应动力学十分缓慢。物理相容性包括润湿性、热膨胀匹配和组分间元素的相互溶解化学相容性组分间是否发生化学反应、反应快慢4.2.3界面结合机制界面结合机制一般可分为三种：机械结合、润湿与溶解结合、反映结合。机械结合M和R之间仅仅依靠粗

5、糙表面相互嵌入形成相互锁合。影响因素：R表面粗糙度、和基体的收缩例如：Bf/Al、CMC。对Wf/Al，W表面涂石墨，达到理论强度的90%润湿与溶解结合在制备过程中，M变成液态，与R发生润湿，然后相互溶解形成的结合方式。润湿是主要的，溶解是次要的。反应结合在制备过程中，M--R发生化学反应而形成的结合方式。对PMC，这是最重要、最复杂的结合方式。反应结合受扩散控制，要实现良好反映结合，必须选择最佳制造工艺（T、P、t、气氛等）例如：GRP中偶联剂的使用偶联剂R—SiX3有机硅烷水解，生成三元羟基硅醇玻璃纤维表面吸附水，生成羟基基团硅醇与吸附水的玻璃纤维表面反应分为三步：生成氢键水分蒸发，硅醇

6、间进行醚化反应高温干燥，硅醇与玻璃间发生醚化反应金属基复合材料由于基体与增强体复合的温度较高，基体与增强物易发生相互作用而生成化合物，而基体与增强物互相扩散而形成扩散层，增强物的表面预处理涂层，使界面的形状、尺寸、成分、结构等变得非常复杂。4.3金属基复合材料的界面类型Ⅰ类型Ⅱ类型Ⅲ增强体与基体不反应、不溶解增强体与基体不反应、溶解增强体与基体反应形成界面反应层钨丝/铜Al2O3纤维/铜硼纤维（表面涂BN）/铝不锈钢丝/铝SiC纤维（CVD）/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℃）Al2O3纤维/钛硼纤维/钛硼纤维

7、/钛-铝SiC纤维/钛SiO2纤维/铝4.3.1界面类型固相法例如Bf/Ti的界面反应是由硼纤维的硼原子向基体扩散，在硼纤维外层形成一层白色的反应产物TiB2。由于硼原子向外扩散，在纤维的表层留下孔洞，孔洞面积可达10%以上，这会对硼纤维的强度产生极不利影响。反应物裂纹产生的应力集中使纤维断裂应力强度因子界面结合状态对金属基复合材料强度的影响界面结合强度过高或过低对复合材料的强度都不利，适当的界面结合强度才能