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复合材料制备与加工
第二章复合材料的界面与设计
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。
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)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。
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。
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。
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),此时的界面结合形式主要为凹凸界面的相互啮合和原子级金属键合。