材料表面与界面-第四章-复合材料的界面及界面优化

4.复合材料的界面及界面优化Chapter4.Interfaceofcompositematerialsandoptimizationoftheirinterface一、复合材料的概念复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的材料。复合材料船体概述二、复合材料的分类1、按基体材料分(1)非金属基复合材料(2)金属基复合材料。2、按增强材料分(1)纤维增强复合材料(2)粒子增强复合材料(3)叠层复合材料。SiC颗粒Al2O3片Al2O3纤维增强相三种类型三、复合材料的命名（1）以基体为主来命名例如金属基复合材料。（2）以增强材料来命名如碳纤维增强复合材料。（3）基体与增强相并用如“C/Al复合材料”即为碳纤维增强铝基复合材料。（4）商业名称命名如“玻璃钢”即为玻璃纤维增强树脂基复合材料。复合材料的增强机制及性能1.纤维增强复合材料的增强机制在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要承载组分，其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要承载组分，其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。碳纤维弹性模量及强度外力方向与纤维轴向相同时，c=f=m(f-纤维、m-基体、c-复合材料)，则mmffcmmffcVEVEEVV,ffmmcfmcVV,当外力垂直于纤维轴向时，则myfycdL2纤维的临界长径比mfummufcV纤维最小体积分数2.粒子增强型复合材料的增强机制粒子增强型复合材料按照颗粒尺寸大小和数量多少可分为：弥散强化的复合材料；颗粒增强的复合材料。（1）弥散强化的复合材料的增强机制将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。（2）颗粒增强的复合材料的增强机制用金属或高分子聚合物为粘结剂，把具有耐热性好、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起而行成的材料。二、复合材料的性能特点1、比强度和比模量高。其中纤维增强复合材料的最高。2、良好的抗疲劳性能。碳纤维增强材料-1可达b的70~80%。因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。3、破断安全性好4、优良的高温性能。5、减震性好。复合材料中的大量界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。比强度比较碳纤维\树脂硼纤维\树脂玻璃纤维\树脂钛钢铝常用的复合材料一、纤维增强复合材料1.常用增强纤维(1)玻璃纤维：用量最大、价格最便宜。(2)碳纤维：化学性能与碳相似。(3)硼纤维：耐高温、强度、弹性模高。(4)碳化硅纤维：高熔点、高硬度。(5)Kevlar有机纤维：用于高温、高强复合材料。玻璃纤维碳纤维SiC纤维2、纤维—树脂复合材料通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高，比强度也高得多。材料种类纵向抗拉强度MPa纵向弹性模量GPa环氧树脂696.9环氧树脂/E级玻璃纤维102045环氧树脂/碳纤维（高弹性）1240145环氧树脂/芳纶纤维（49）138076环氧树脂/硼纤维（70%Vf）1400-2100210-280聚合物基纤维增强复合材料零件芳纶刹车片碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空发动机高温构件3.纤维--金属(或合金)复合材料金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、SiC和C纤维；Al2O3纤维通常以短纤维的形式用于MMC中。MMC的SEM照片MMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了MMC的应用范围。航天飞机内MMC(Al/B纤维)桁架4.纤维--陶瓷复合材料陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化，但韧性低、难加工。在陶瓷材料中加入纤维增强，能大幅度提高强度，改善韧性，并提高使用温度。陶瓷中增韧纤维受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料韧性越好。C/C复合材料Si/Si复合材料用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，晶须(如SiC和Si3N4)能起到陶瓷材料增韧的作用。ZnO晶须自增韧Si3N4陶瓷二、叠层复合材料叠层复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合材料。层状陶瓷复合材料断口形貌三明治复合双金属、表面涂层等也是层状复合材料。结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。有TiN涂层的高尔夫球头层状复合铝合金蜂窝夹层板三、粒子增强型复合材料聚合物基粒子复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料(合成木材)等。陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。粒子增强SiC陶瓷基复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料碳黑增强橡胶金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。硬质合金组织(Co+WC)硬质合金铣刀复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域，约几个纳米到几个微米。此区域的结构与性质都不同于两相中的任何一相。这一界面区由五个亚层组成，每一亚层的性能都与基体和增强相的性质、复合材料成型方法有关。4.1复合材料的界面1、外力场2、基体3、基体表面区4、相互渗透区5、增强剂表面区6、增强剂复合材料的界面示意图界面通常包含以下几个部分：基体和增强物的部分原始接触面；基体与增强物相互作用生成的反应产物，此产物与基体及增强物的接触面；界面特点性能和结构上不同于基体和增强材料具有一定的厚度连接基体与增强体材料能够传递载荷(1)传递效应：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。(2)阻断效应：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。4.2界面的效应（1）界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种效应：阻止裂纹的扩展4.2界面的效应（2）(3)不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。不连续效应电阻R1电阻R1电阻R24.2界面的效应（3）(4)散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。散射和吸收效应4.2界面的效应（4）(5)诱导效应：一种物质(通常是增强物)的表面结构使另一种与之接触的物质(通常是聚合物基体)的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。诱导效应ROMHOHOHOHMHOOHSiRSiH2ORMHOOHSi无机表面聚合物表面界面效应是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合材料具有重要的作用。界面效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性质有关，也与复合材料各组分的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。界面结合较差，增强体不能发挥作用；界面结合过强，材料破坏过程的裂纹容易扩展到界面，直接冲击增强体则呈脆性断裂。最佳状态的界面，裂纹沿界面扩展形成曲折的路径耗散较多的能量，即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。研究和设计界面时，不应只追求界面结合强度而应考虑到复合材料综合力学性能。不同界面结合强度断裂纤维周围基体形态模型a.弱界面结合状况b.界面结合适中状况c.界面结合过强状况界面剪切强度太低：表明界面结合过弱。在拉伸时纤维与基体脱粘、滑移，纤维断裂点周围基体的形态呈空管状，而且界面上没有任何曾经有过强烈相互作用的迹象。在这种状况下，纤维高强度和高模量的优势得不到充分发挥，复合材料得不到有效增强。界面剪切强度过高：纤维断裂，应力集中到断口周围基体上；界面结合强度大于基体强度，应力不能松弛，裂缝沿着垂直于纤维方向向基体内部发展。界面结合过强时复合材料呈脆性断裂。界面剪切强度适中：应力分布的区域化，没有在某点处因应力集中而造成破坏并产生裂缝。因为纤维断裂时，相邻界面处可以适当脱粘或滑移很小的一部分，分散了集中于断口处的应力点。保护了基体不在纤维断口处产生破坏和裂缝，而且能够通过很微小的脱粘和滑移吸收一定的能量，从而提高了材料整体的力学性能。许多因素影响着界面结合强度，如表面几何形状、分布状况、纹理结构、表面杂质、吸附气体程度、吸水情况、表面形态、在界面的溶解、扩散和化学反应、表面层的力学特性、润湿速度等。4.3复合材料组分的相容性1.是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。2.由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增强剂上形成高的局部应力。3.基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面结合产生重要的影响，从而影响材料的各类性能。物理相容性：思考：当复合材料使用条件要求基体韧性好而增强材料是脆性材料时，该如何考虑基体材料的热膨胀系数？4.3复合材料组分的相容性对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因为热膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却时将受到张应力；对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于抗拉强度，处于压缩状态比较有利。对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求避免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差太大。4.3复合材料组分的相容性化学相容性是一个复杂的问题：对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两相化学势相等，比表面能效应也最小。对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。纤维和基体间的直接反应则是更重要的相容性问题。化学相容性：指组成材料的各组元（基体与增强体）之间有无化学反应及反应速度的快慢。包括热力学相容性和动力学相容性。4.3复合材料组分的相容性对复合材料来说，以下与其化学相容性有关的问题十分重要：1）相反应的自由能F：代表该反应的驱动力。设计复合材料时，应确定所选体系可能发生反应的自由能的变化。2）化学势U：各组分的化学势不等，常会导致界面的不稳定。3）表面能T：各组分的表面能很高，导致界面的不稳定。4）晶界扩散系数D：由晶界或表面扩散系数控制的二次扩散效应常使复合体系中组分相的关系发生很大变化。4.4界面理论(1)机械结合基体与增强材料之间不发生化学反应，靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。在钢筋与混凝土之间的界面上会产生剪应力，为此，在预应力钢筋的表面带有螺纹状突起。表面越粗糙，互锁作用越强，机械粘结作用越有效。但表面积随着粗糙度增大而增大，其中有相当多的孔穴，粘度大的液体是无法流入的。造成界面脱粘的缺陷，而且也形成了应力集中点，影响界面结合。金属基体复合材料和陶瓷复合材料有这类结合方式。在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很难遇到，往往是机械粘结作用与其它粘结机理共同起作用。4.4界面理论(2)溶解和润湿结合主要是聚合物基体复合材料的结合形式。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶解，即物理和化学吸附作用。界面是溶质原子的过渡带。浸润性是表示液体在固体表面上铺展的程度。浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润将使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触时的情况，而并不能表示界面的粘结性能。润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条件。在制备聚合物基复合材料时，树脂对增强材料的浸润性是指树脂能否均匀地分布在增强材料的周围，这是树脂与增强材料能否形成良好粘结的重要前提。在制备金属基复合材料时，液态金属对增强材料的浸润性，则直接影响到界面粘结强度。如W/Cu、W/Ni、C/Ni