陶瓷基复合材料的界面

陶瓷基复合材料界面（化学气相渗透技术）高分子1401班陈鸿CONTENTS01——界面类型及特性02——界面控制目录03——化学气相渗透技术——界面类型及特性1陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料界面类型及特性1、陶瓷基复合材料的界面性能决定复合材料性能。2、界面分类（根据不同的性能要求）（1）无反应层界面：增强相与基体相直接结合形成原子键共格界面或半共格界面，有时形成非共格界面。优点：界面结合强度高，提高复合材料强度（2）中间反应层界面：存在于增韧相与基体之间，并将两者结合。优点：界面层一般都是低熔点共晶相，因此它有利于复合材料的致密化。这种界面增韧相与基体无固定的取向关系。陶瓷基复合材料界面类型及特性第一临界厚度：当反应层达到某一厚度时，复合材料的抗张强度开始降低，此时反应层的厚度。第二临界厚度：如果反应层厚度继续增大，材料强度也随之降低，直至达某一强度时不再降低，这时反应层厚度。因增加纤维的横截面多为圆形，故界面反应层常为空心圆筒状，其厚度可以控制。例如，利用CVD技术制造碳纤维/硅材料，第一临界厚度0.05µm，出现SiC反应层，抗张强度1800MPa；第二临界厚度0.58µm，抗张强度降至600MPa。相比之下，碳纤维/铝材料的抗张强度较低，第一临界厚度0.10µm，形成Al4C3反应层，抗张强度1150MPa；第二临界厚度0.76µm，抗张强度降至200MPa。陶瓷基复合材料界面类型及特性1、碳纤维增韧氮化硅成型工艺对界面结构影响（1）无压烧结工艺：C与Si间反应严重，SEM可察非常粗糙纤维表面，纤维周围存在空隙；（2）高温等静压工艺：压力和温度较低，使得反应受到抑制，界面上不发生反应，无裂纹或空隙，是比较理想的物理结合。2、SiC晶须增强氮化硅反应烧结、无压烧结或高温等静压工艺可获得无界面反应的复合材料。（1）反应烧结、无压烧结：随着SiC晶须含量增加，材料密度下降，导致强度下降；（2）高温等静压工艺：不出现上述情况。——界面控制2陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的界面控制陶瓷基复合材料中界面无反应层占绝大多数。反应层结合界面导致强界面在陶瓷基复合材料中要尽量避免或减弱界面结合强度。范德华键或氢键结合能约8~16kJ/mol；化学键结合能为40~400kJ/mol。（1）强界面结合时，复合材料像单体陶瓷一样发生脆性断裂；（2）弱界面结合可使裂纹沿界面偏折，从而降低能量，这是提高陶瓷韧性的方法之一。为了达到弱界面，常常将颗粒、晶须或纤维表面镀一层化合物或碳等易被剪切断裂的物质，从而形成界面相。陶瓷基复合材料的界面控制He和Hutchinson通过力学分析和计算，给出了图4-11所示的结果，当纤维与基体弹性模量相同时，Gf/Gm（Gf：纤维的断裂能，Gm：基体或厚界面相的断裂能）要小于1/4。因此，复合材料增强体与基体之间要满足化学相容性和弹性模量的相匹配。陶瓷基复合材料的界面控制高温合成陶瓷基复合材料时，如果增强体与基体的热膨胀系数不同，将在室温时存在残余应力。复合材料的热应变正比于ΔαΔT（Δα=αf-αm）（1）一般考虑：若αfαm，基体在冷却时受到压应力，这有利于阻止基体在拉应力作用下发生断裂；反之，基体受拉应力，当温差足够大时，基体可能会开裂。（2）纤维半径方向来看：若αfαm，纤维冷却收缩以致欲脱离基体，导致界面结合强度大幅度降低；反之，界面结合强度改善。热膨胀系数不匹配导致复合材料开裂，这在不连续增强复合材料中非常明显。3化学气相渗透技术——CVI技术化学气相渗透技术（CVI）1、均热法工艺（ICVI）最主要限制：CVI过程必须在低温和真空下进行；本质：受化学反应控制过程，扩散进预制体的气体反应沉积于碳纤维上。2、强迫流动热梯度化学气相渗透（FCVI）热梯度CVI的基础上增加了气体定向流动，反应气体在压强下强迫从其冷端流向热端。FCVI可实现高温操作，满足扩散控制的高沉积速率的要求。谢谢观看