复合材料第四章复合材料界面.ppt

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1、第四章第四章 复合材料的界面复合材料的界面4.1 4.1 概概 述述 复复合合材材料料的的界界面面产产生生于于复复合合材材料料的的制制造造过过程程，当当由由不不同同化化学学成成分分的的增增强强体体和和基基体体组组成成复复合合材材料料时时，这这些些组组元元通通过过接接触触，它它们们中中的的某某些些元元素素在在相相互互扩扩散散、溶溶解解后后往往往往发发生生化化学学反反应应而而生生成成新新的的相相，成成为为界界面面相。相。复复合合材材料料的的界界面面是是指指基基体体与与增增强强物物之之间间化化学学成成分分有有显显著著变变化化的的、构构成成彼彼此此结结合合的的、能能起起载载荷荷传传递递作作用的微小区域

2、。用的微小区域。界界面面相相的的化化学学组组成成和和物物理理性性能能与与增增强强相相和和基基体体均均不不同同，在在复复合合材材料料承承受受载载荷荷时时，由由于于界界面面相相所所处处的的特特殊殊力力学学和和热热学学等等特特殊殊环环境境，对对复复合合材材料料的的整整体体性性能能产产生生重重大大影影响响，因因而而通通过过认认识识、控控制制界界面面相相来来改改善复合材料性能的研究越来越引起人们的重视。善复合材料性能的研究越来越引起人们的重视。研研究究复复合合材材料料界界面面的的组组成成、结结构构、控控制制、性性能能和和改进界面相的工作被称为改进界面相的工作被称为“界面工程界面工程”。复复合合材材料料中

3、中的的界界面面并并不不是是一一个个单单纯纯的的几几何何面面，而而是是一一个个多多层层结结构构的的过过渡渡区区域域，这这一一区区域域由由五五个个亚亚层层组成。组成。界界面面是是复复合合材材料料的的特特征征，可可将将界界面面的的机机能能归归为为以以下几种效应。下几种效应。P61P61复合材料界面设计的原则复合材料界面设计的原则(总的原则总的原则)界界面面粘粘结结强强度度要要保保证证所所受受的的力力由由基基体体通通过过界界面面传传递递给给增增强强物物，但但界界面面粘粘结结强强度度过过高高或或过过弱弱都都会会降降低低复复合合材材料料的强度。的强度。设设计计界界面面层层在在一一定定的的应应力力条条件件能

4、能够够脱脱粘粘，以以使使增增强强纤纤维维从从基基体体拔拔出出并并发发生生摩摩擦擦，这这样样就就可可借借助助脱脱粘粘增增大大表表面面能能，利利用用拔拔出出功功和和摩摩擦擦功功等等形形式式来来吸吸收收外外加加载载荷荷能能量量以以达达到到提提高高其其抗抗破坏能力。破坏能力。若若界界面面层层的的模模量量高高于于增增强强材材料料和和基基体体的的模模量量，将将会会产产生生不不良良的的效效果果，因因此此应应避避免免基基体体与与增增强强相相发发生生生生成成脆脆性性界界面面层层的的化化学反应。学反应。4.2 4.2 复合材料的界面复合材料的界面4.2.1 4.2.1 聚合物基复合材料的界面聚合物基复合材料的界面

5、1.1.界面的形成界面的形成 聚聚合合物物基基复复合合材材料料界界面面的的形形成成可可以以分分成成两两个个阶段：阶段：基体与增强纤维的接触与浸润过程；基体与增强纤维的接触与浸润过程；增增强强纤纤维维优优先先吸吸附附能能较较多多降降低低其其表表面面能能的的组组分分，因因此此界界面面聚聚合合物在结构上与聚合物基体是不同的。物在结构上与聚合物基体是不同的。聚聚合合物物的的固固化化阶阶段段。聚聚合合物物通通过过物物理理的的或或化化学学的变化而固化，形成固定的界面层。的变化而固化，形成固定的界面层。2.2.界面作用机理界面作用机理界界面面作作用用机机理理是是指指界界面面发发挥挥作作用用的的微微观观机机理

6、理，有有如下理论：如下理论：主主要要论论点点：增增强强材材料料被被液液体体树树脂脂良良好好浸浸润润对对提提高高复复合合材材料料的的性性能能是是极极其其重重要要的的。浸浸润润不不良良会会在在界界面面上上产产生生空空隙隙，易易因因应应力力集集中中而而使使复复合合材材料料发发生生开开裂裂；如如果果完完全全浸浸润润，则则基基体体与与增增强强相相间间的的粘粘结结强强度度将将大大于于基基体体的的内内聚聚强强度度，将将提提高高复复合合材材料料的强度。的强度。A.界面浸润理论界面浸润理论浸浸润润性性的的定定义义 浸浸润润性性是是用用于于描描述述液液体体在在固固体体表表面面上上自自动动铺铺展展程程度度的的术术语

7、语。或或说说是是固固体体、液液体体在在分子水平上分子水平上紧紧密接触的可能程度。密接触的可能程度。浸浸润润性好将促性好将促进结进结合。合。浸浸润润角角低低（9090）表表明明浸浸润润性性良良好好；浸浸润润角高（角高（9090）则表明浸润性差。）则表明浸润性差。浸润性的测量浸润性的测量：B.B.化学键理论化学键理论 主主要要论论点点：涂涂覆覆在在增增强强相相表表面面的的偶偶联联剂剂应应既既含含有有能能与与增增强强相相起起化化学学作作用用的的官官能能团团，又又含含有有能能与与树树脂脂基基体体起起化化学学作作用用的的官官能能团团。由由此此在在界界面面上上形形成成共共价价键键结结合合，如如能能满满足足

8、这这一要求则在理论上可获得最强的界面粘结能。一要求则在理论上可获得最强的界面粘结能。偶偶联联剂剂是是一一种种高高分分子子化化合合物物，这这种种化化合合物物一一般般都都含含有有两两部部分分性性质质不不同同的的基基团团。一一种种官官能能团团能能很很好好地地与与增增强强纤纤维维表表面面结结合合；另另一一种种官官能能团团能能很很好好地地与与合合成成树树脂脂结结合合（产产生生共共聚聚）。通通过过表表面面处处理理剂剂把把性性能能截截然然不不同同的的物物质质联联合合起起得得，形形成成一一个个统统一一的的整整体体，因因此此，把把表表面面处处理理剂剂叫叫“架架桥桥剂剂”，也叫，也叫“偶联剂偶联剂”。D.D.变形

9、层理论变形层理论E.E.拘束层理论拘束层理论F.F.扩散层理论扩散层理论G.G.减弱界面局部应力作用理论减弱界面局部应力作用理论 C.C.物理吸附理论（机械作用理论）物理吸附理论（机械作用理论）这种理论认为，增强纤维与树脂基体之间的结合是属这种理论认为，增强纤维与树脂基体之间的结合是属于机械铰合和基于次价键作用的物理吸附。于机械铰合和基于次价键作用的物理吸附。3.3.聚合物基复合材料界面设计聚合物基复合材料界面设计 在在聚聚合合物物基基复复合合材材料料的的设设计计中中，首首先先应应考考虑虑如如何何改改善善增增强强材材料料与与基基体体间间的的浸浸润润性性；选选择择合合适适的的偶偶联联剂剂。所所选

10、选处处理理增增强强材材料料表表面面的的偶偶联联剂剂既既含含有有能能与与增增强强材材料料起起化化学学作作用用的的官官能能团团，又又含含有有与与聚聚合合物物基体起化学作用的官能团。基体起化学作用的官能团。4.2.2 4.2.2 金属基复合材料的界面金属基复合材料的界面 金金属属基基复复合合材材料料由由于于基基体体与与增增强强物物复复合合的的温温度度较较高高，基基体体与与增增强强物物易易发发生生相相互互作作用用而而生生成成化化合合物物，而而基基体体与与增增强强物物互互相相扩扩散散而而形形成成扩扩散散层层，增增强强物物的的表表面面预预处处理理涂涂层层，使使界界面面的的形形状状、尺尺寸寸、成成分分、结结

11、构等变得非常复杂。构等变得非常复杂。类型类型类型类型类型类型纤维与基体互不反应亦纤维与基体互不反应亦不溶解不溶解纤维与基体不反应但纤维与基体不反应但相互溶解相互溶解纤维与基体互相反应形纤维与基体互相反应形成界面反应层成界面反应层钨丝钨丝/铜铜Al2O3纤维纤维/铜铜Al2O3纤维纤维/银银硼纤维（表面涂硼纤维（表面涂BN）/铝铝不锈钢丝不锈钢丝/铝铝SiC纤维（纤维（CVD）/铝铝硼纤维硼纤维/铝铝硼纤维硼纤维/镁镁镀铬的钨丝镀铬的钨丝/铜铜碳纤维碳纤维/镍镍钨丝钨丝/镍镍合金共晶体丝合金共晶体丝/同一合金同一合金钨丝钨丝/铜铜-钛合金钛合金碳纤维碳纤维/铝（铝（580）Al2O3纤维纤维/钛

12、钛硼纤维硼纤维/钛钛硼纤维硼纤维/钛钛-铝铝SiC纤维纤维/钛钛SiO2纤维纤维/铝铝1.界面类型界面类型（1）机械结合（物理结合）机械结合（物理结合）产生类型产生类型界面界面 定定义义：基基体体与与增增强强体体之之间间仅仅仅仅依依靠靠纯纯粹粹的的粗粗糙糙表表面面相相互互嵌嵌入入（互互锁锁）作作用用，以以及及借借助助基基体体收收缩缩应应力力包包紧紧纤纤维维时时产产生生的的摩摩擦擦而而进进行行的的连连接接，称称为为机机械械结结合。合。金属基纤维复合材料的几种界面结合形式：金属基纤维复合材料的几种界面结合形式：不同的界面结合形式形成不同的界面类型：不同的界面结合形式形成不同的界面类型：机机械械结结

13、合合的的效效果果:最最突突出出的的例例子子是是硼硼纤纤维维增增强强铝铝复复合合材材料料(B(Bf f/A1)/A1)。采采用用化化学学气气相相沉沉积积(CVD)(CVD)方方法法生生产产的的硼硼纤纤维维，表表面面是是玉玉米米棒棒状状，与与金金属属铝铝进进行行固固态态扩扩散散复复合合时时，由由于于温温度度升升高高使使铝铝变变软软，经经外外力力压压实实铝铝填填充充硼硼纤纤维维的的粗粗糙糙表表面面，形形成成与与硼纤维的机械结合。硼纤维的机械结合。（2）溶解和浸润结合）溶解和浸润结合产生类型产生类型界面界面定定义义:在在复复合合材材料料制制造造的的过过程程中中基基体体与与增增强强体体之之间间首首先先发

14、发生生浸浸润润，然然后后相相互互溶溶解解，所所形形成成的的结结合合方方式式称称为为溶溶解解与与浸浸润润结结合合。浸浸润润作作用用通通常常是是主主要要的的，而而溶溶解解是是次次要要的的，因因为为一一般般在在高高温温下下原原子子的的扩扩散散时时间间很短。很短。溶溶解解与与浸浸润润结结合合的的要要求求：为为了了达达到到润润湿湿，纤纤维维表表面面应应当当作作适适当当处处理理，首首先先应应除除去去污污染染物物、吸吸附附的的气气体体和和工工艺艺涂涂层层(如如纺纺织织型型浸浸润润剂剂)，其其次次通通过过表表面面处处理理形形成成表表面面润润湿湿层层、阻挡层，或使增强材料形成利于机械结合的粗糙表面。阻挡层，或使

15、增强材料形成利于机械结合的粗糙表面。（3）反应结合）反应结合产生类型产生类型界面界面定定义义：基基体体与与纤纤维维间间发发生生化化学学反反应应，在在界界面面上上形形成成一一种种新新的的化化合合物物而而产产生生的的结结合合称称为为反反应应结结合合。这这是是一种最复杂、最重要的结合方式。一种最复杂、最重要的结合方式。反反应应结结合合的的本本质质：能能够够发发生生反反应应的的两两种种元元素素或或化化合合物物，通通过过相相互互接接触触和和相相互互扩扩散散发发生生某某种种化化学学反反应应。随随反反应应程程度度的的增增加加，界界面面结结合合强强度度也也增增大大，但但由由于于界界面面反反应应产产物物多多为为

16、脆脆性性物物质质，所所以以当当界界面面层层达达到到一一定定厚厚度度时时，界界面面上上的的残残余余应应力力可可使使界界面面破破坏坏，反反而而降降低低界界面面结结合合强强度度。要要实实现现良良好好的的反反应应结结合合，必必须须选选择择最最佳佳的的制制造造工工艺艺参参数数(温温度度、压压力力、时间、气氛等时间、气氛等)来控制界面反应的程度。来控制界面反应的程度。界界面面结结合合状状态态对对金金属属基基复复合合材材料料强强度度的的影影响响 界界面面结结合合强强度度过过高高或或过过低低对对复复合合材材料料的的强强度度都都不不利利，适适当当的的界界面面结结合合强强度度才才能能保保证证复复合合材材料料具具有

17、有最最佳佳的的抗抗张张强强度度。就就改改善善复复合合材材料料的的疲疲劳劳性性能能而而言言，界界面面强强度稍强一些为好。度稍强一些为好。界面结合状态界面结合状态抗张强度，抗张强度，MPa断口形貌断口形貌结合不良结合不良206纤维大量拔出，长度很长，呈刷子状纤维大量拔出，长度很长，呈刷子状结合适中结合适中612有的纤维拔出，有一定长度，；铝基体有的纤维拔出，有一定长度，；铝基体发生颈缩，可观察到劈裂状发生颈缩，可观察到劈裂状结合稍强结合稍强470出现不规则断面，可观察到很短的拔出出现不规则断面，可观察到很短的拔出纤维纤维结合过强结合过强224典型的脆性断裂，平断口典型的脆性断裂，平断口表表4-2

18、碳纤维增强铝的抗张强度和断口形貌碳纤维增强铝的抗张强度和断口形貌 2.2.影响界面稳定性的因素影响界面稳定性的因素 与与聚聚合合物物基基复复合合材材料料相相比比，耐耐高高温温是是金金属属基基复复合合材材料料的的主主要要特特点点。因因此此，金金属属基基复复合合材材料料的的界界面面能能否否在在所所允允许许的的高高温温环环境境下下长长时间保持稳定，是非常重要的。时间保持稳定，是非常重要的。影影响响界界面面稳稳定定性性的的因因素素包包括括物物理理和和化化学学两个方面。两个方面。（1）物理因素）物理因素 界界面面的的溶溶解解与与析析出出是是影影响响金金属属基基复复合合材材料料第第类类界界面面稳稳定定性性

19、的的物物理理因因素素。当当增增强强材材料料表表面面溶溶入入基基体体中中，必必然然会会损损伤伤纤纤维维，降降低低增增强强材材料料的的增增强强作作用用，结果会降低复合材料的强度。结果会降低复合材料的强度。有有的的复复合合材材料料还还会会出出现现先先溶溶解解后后又又析析出出的的现现象象。这这种种析析出出使使增增强强材材料料的的表表层层聚聚集集形形态态和和结结构构发发生生变变化化,严重损伤了纤维，使其强度严重下降。严重损伤了纤维，使其强度严重下降。例例1 粉粉末末冶冶金金制制备备的的W丝丝/Ni，钨钨在在镍镍中中有有很很大大的的固固溶溶度度，在在1100左左右右使使用用50小小时时后后，钨钨丝丝发发生

20、生溶溶解解，造造成成钨钨丝丝直直径径仅仅为为原原来来的的60%，大大大大影影响响钨钨丝丝的的增增强强作作用用，如如不不采采取取措措施施，将将产产生生严严重重后后果果。为为此此，可可采采用用钨钨丝丝涂涂覆覆阻阻挡挡层层或或在在镍镍基基合合金金中中添添加加少少量量合合金金元元素素，如如钛钛和和铝铝，可可以以起起到到一一定定的的防防止止钨钨丝丝溶入镍基合金的作用。溶入镍基合金的作用。例例2 碳碳纤纤维维增增强强镍镍基基复复合合材材料料。在在800高高温温下下，在在界界面面碳碳先先溶溶入入镍镍，而而后后又又析析出出，析析出出的的碳碳是是石石墨墨结结构构，密密度度增增大大而而在在界界面面留留下下空空隙隙

21、，给给镍镍提提供供了了渗渗入入碳碳纤纤维维扩扩散散聚聚集集的的位位置置。而而且且随随温温度度的的提提高高镍镍渗渗入入量量增增加加，在在碳碳纤纤维维表表层层产产生生镍镍环环，严严重重损损伤伤了了碳碳纤维，使其强度严重下降。纤维，使其强度严重下降。如如何何防防止止碳碳在在镍镍中中先先溶溶解解后后析析出出的的问问题题，就就成成为为获获得得性能稳定的性能稳定的Cf/Ni的关键。的关键。(2)(2)化学因素化学因素界界面面反反应应是是影影响响具具有有第第类类界界面面的的复复合合材材料料界界面面稳稳定定性性的的化化学学因因素素。界界面面化化学学反反应应形形成成的的大大量量脆脆性性化化合合物物，会会削削弱弱

22、增增强强材材料料的的增增强强作作用用，尤尤其其是是在在高高温温使使用用条条件件下下，这这种种界界面面反反应应的的不不稳稳定定性性会会造造成成复复合材料的脆性破坏。合材料的脆性破坏。（a a）连续界面反应连续界面反应金金属属基基复复合合材材料料在在热热处处理理以以及及在在使使用用时时经经历历不不同同的的热热过过程程中中，界界面面反反应应可可连连续续进进行行。影影响响界界面面反反应应的因素主要是温度与时间：的因素主要是温度与时间：(4-1)其其中中，X X为为反反应应层层厚厚度度；K K为为反反应应速速度度常常数数，随随着着反反应应温温度度的的升升高高而而增增大大；t t为为反反应应时时间间(秒秒

23、)。随随着着反反应应温温度度和和时时间间的的增增加加，反反应应层层厚厚度度增增大大，高高温温时时在很短时间内就可以达到足以引起破坏的厚度。在很短时间内就可以达到足以引起破坏的厚度。金属基复合材料的界面化学反应包括有金属基复合材料的界面化学反应包括有:例例如如 硼硼纤纤维维增增强强钛钛基基复复合合材材料料中中的的界界面面反反应应是是由由硼硼纤纤维维的的硼硼原原子子向向基基体体扩扩散散，在在硼硼纤纤维维外外层层形形成成一一层层白白色色的的反反应应产产物物TiB2。由由于于硼硼原原子子向向外外扩扩散散，在在纤纤维维的的表表层层留留下下孔孔洞洞，孔孔洞洞面面积积可可达达10%以以上上，这这会会对对硼硼

24、纤纤维维的的强强度度产产生生极极不不利利影影响响。图图5-34为为硼硼纤纤维维增增强强钛钛基基复复合合材材料料在在不不同同温温度度下下界界面面反反应应层层(二二硼硼化化物物)的的厚厚度度与与时时间间的的关关系系。高高温时在很短时间内反应产物就可以达到足以引起破坏的厚度。温时在很短时间内反应产物就可以达到足以引起破坏的厚度。（b b）交换式反应）交换式反应 当当增增强强材材料料与与含含有有两两种种以以上上元元素素的的金金属属基基体体之之间间发发生生化化学学反反应应，形形成成反反应应产产物物后后，反反应应产产物物还还会会与与其它基体元素发生交换反应，产生界面的不稳定。其它基体元素发生交换反应，产生

25、界面的不稳定。例如硼纤维例如硼纤维/钛合金钛合金（Ti-Al-1V-1Mo）,硼与钛在硼与钛在界面首先发生反应：界面首先发生反应：Ti(Al)+B (TiAl)B2再发生交换反应再发生交换反应:(TiAl)B2+Ti TiB2+Ti(Al)电子探针证实了界面反应的最终产物是电子探针证实了界面反应的最终产物是TiBTiB2 2。(c)(c)暂稳态界面的变化暂稳态界面的变化 暂暂稳稳态态界界面面是是由由于于增增强强材材料料表表面面局局部部氧氧化化所所产产生生的的氧氧化化物物与与基基体体间间发发生生反反应应而而在在界界面面上上形形成成另另一一种种氧氧化化物物所所形形成成的的界界面面。界界面面上上的的

26、氧氧化化层层稳稳定定性性差差,在在长长时时间间热热环环境境下下容容易易发发生生球球化化而而影影响响复复合合材材料料的的性能。性能。例例如如：在在硼硼纤纤维维增增强强铝铝中中，由由于于硼硼纤纤维维上上吸吸附附有有氧氧，并并与与之之生生成成BOBO2 2，当当这这层层氧氧化化物物在在扩扩散散结结合合时时未未受受到到破破坏坏，但但它它是是不不稳稳定定的的。在在一一定定温温度度下下，由由于于铝铝与与氧氧亲亲和和力力强强，可可以以还还原原BOBO2 2，生生成成AlAl2 2O O3 3，这这种种界界面面结结合合亦亦称称之之为为氧氧化化结结合合。在在长长期期热热效效应应的的作作用用下下，界界面面上上的的

27、AlAl2 2O O3 3氧氧化化膜膜会会发发生生球化，从而影响复合材料的性能球化，从而影响复合材料的性能 。3.3.残余应力残余应力 在在金金属属基基复复合合材材料料结结构构设设计计中中，除除了了要要考考虑虑化化学学方方面面的的因因素素外外，还还应应注注意意增增强强纤纤维维与与基基体体金金属属的的物物理相容性。理相容性。要要求求金金属属基基体体有有足足够够的的韧韧性性和和强强度度，以以便便能能够更好地通过界面将载荷传递给增强纤维；够更好地通过界面将载荷传递给增强纤维；要要求求在在材材料料中中出出现现裂裂纹纹或或位位错错移移动动时时基基体体上上产生的局部应力不在增强纤维上形成高应力；产生的局部

28、应力不在增强纤维上形成高应力；物物理理相相容容性性中中最最重重要要的的是是要要求求纤纤维维与与基基体体的的热膨胀系数匹配。热膨胀系数匹配。4.4.金属基复合材料界面设计金属基复合材料界面设计希希望望增增强强材材料料与与基基体体之之间间具具有有良良好好的的润润湿湿性性，粘着强粘着强，有利于界面均匀、有效地传递应力；，有利于界面均匀、有效地传递应力；增增强强材材料料与与基基体体润润湿湿后后互互相相间间发发生生一一定定程程度度的的溶溶解解，保保持持适适宜宜的的界界面面结结合合力力，提提高高复复合合材材料料的的强强韧性；韧性；产产生生适适量量的的界界面面反反应应，而而界界面面反反应应物物质质地地均均匀

29、匀、无无脆脆性性异异物物、不不成成为为复复合合材材料料内内部部缺缺陷陷(裂裂纹纹)源源，希望界面反应能够得到一定控制希望界面反应能够得到一定控制。以以上上设设计计要要求求可可通通过过界界面面控控制制来来达达到到，通通常常采采用用两两种种方方法法，即即增增强强材材料料的的表表面面改改性性（表表面面处处理理）以以及及基体的改性基体的改性。增增强强材材料料的的表表面面处处理理是是针针对对不不同同基基体体应应用用合合适适的的材材料料来来进进行行表表面面涂涂覆覆。表表面面涂涂层层则则可可以以起起到到以以下下作用：作用：(a)(a)可以改善增强材料与基体的润湿性和粘着性；可以改善增强材料与基体的润湿性和粘

30、着性；5.5.金属基复合材料界面控制金属基复合材料界面控制（1 1）增强材料的表面处理）增强材料的表面处理 (b)(b)可可起起到到防防止止增增强强材材料料与与基基体体之之间间的的扩扩散散、渗渗透透和反应的阻挡层的作用；和反应的阻挡层的作用；(c)(c)可可以以减减轻轻增增强强材材料料与与基基体体之之间间的的热热应应力力集集中中，并防止增强材料在运输和制备时造成的损伤。并防止增强材料在运输和制备时造成的损伤。目目前前，在在增增强强材材料料表表面面涂涂覆覆中中比比较较成成功功的的主主要要有有，硼硼纤纤维维采采用用化化学学气气相相沉沉积积(CVD)(CVD)涂涂覆覆碳碳化化硅硅，主主要要用用于于B

31、 Bf fAlAl复复合合材材料料；硼硼纤纤维维CVDCVD法法涂涂覆覆B B4 4C C用用于于B Bf fTiTi复复合合材材料料以以及及碳碳纤纤维维CVDCVD法法涂涂覆覆Ti-BTi-B，主主要要用用于于C Cf fAlAl基复合材料。基复合材料。例例 图图为为制制备备硼硼纤纤维维增增强强钛钛基基复复合合材材料料时时，采采用用涂涂覆覆碳碳化化硅硅和和碳碳化化硼硼与与未未涂涂覆覆的的硼硼纤纤维维的的界界面面反反应应物物厚厚度度平平方方与与不不同同反反应应时时间间之之间间的的关关系系。由由图图可可以以看看出出，在在同同样样条条件件下下，有有涂涂覆覆层层的的复复合合材材料料，界界面面反反应应

32、明明显显减减少少，尤尤其其是是硼硼纤纤维维在在涂涂覆覆B B4 4C C后后，界界面面反反应应层层最最薄薄，而而且且较较稳稳定定，随随时时间间的的变变化化小小，有有效效控控制制了了B Bf fTiTi复复合合材材料料的的界界面面反反应应。硼硼纤纤维维涂涂覆覆碳碳化化硅硅后后不不仅仅可可减减少少与与钛钛界界面面反反应应物物量量，而且可增加润湿性。而且可增加润湿性。某一制备温度下某一制备温度下碳碳纤纤维维增增强强铝铝是是一一种种适适宜宜空空间间技技术术的的结结构构与与功功能能的的复复合合材材料料。但但是是碳碳纤纤维维的的表表面面能能很很低低，在在一一般般情情况况下下不不能能被被铝铝所所润润湿湿。在

33、在1000以以上上，它它们们之之间间的的接接触触角角才才小小于于90为为了了提提高高碳碳与与铝铝的的润润湿湿性性并并控控制制界界面面反反应应，一一般般采采用用CVD法法在在碳碳纤纤维维上上涂涂覆覆Ti-B涂涂层层，取取得得了了令令人人满满意意的的润润湿效果。湿效果。（2 2）金属基体的改性）金属基体的改性 在在某某些些金金属属基基复复合合材材料料体体系系中中，采采用用基基体体合合金金中中添添加加某某些些合合金金元元素素以以改改善善增增强强材材料料与与基基体体之之间间的的浸润条件或有效控制界面反应的方法为基体改性。浸润条件或有效控制界面反应的方法为基体改性。基体改性方法有三种：基体改性方法有三种

34、：第第一一是是控控制制界界面面反反应应，在在某某种种确确定定的的增增强强材材料料基基体体体体系系中中，选选择择的的改改性性合合金金元元素素应应使使界界面面发发生生反反应应时时的的反反应应速速度度常常数数尽尽可可能能小小，以以保保持持第第类类界界面的稳定性。面的稳定性。第第二二是是通通过过在在基基体体中中添添加加合合金金元元素素，在在增增强强材材料料表表面面形形成成一一层层薄薄的的反反应应层层而而增增加加增增强强材材料料的的表表面面能能,从而改善界面浸润性。从而改善界面浸润性。第第三三是是添添加加的的合合金金元元素素尽尽可可能能不不与与增增强强材材料料表表面面发发生生界界面面反反应应，但但可可降

35、降低低基基体体液液相相的的表表面面能能，从从而而改善界面浸润性。改善界面浸润性。基基体体改改性性合合金金化化元元素素应应考考虑虑为为与与增增强强材材料料组组成成元元素素化化学学位位相相近近的的元元素素，因因为为化化学学位位相相近近的的物物质质亲亲和和力力大大，容容易易发发生生润润湿湿，此此外外化化学学位位是是推推动动反反应应的的位位能，差别小发生反应的可能性亦小。能，差别小发生反应的可能性亦小。例例：在在硼硼纤纤维维增增强强钛钛基基复复合合材材料料研研制制中中，硼硼纤纤维维与与钛钛的的界界面面反反应应强强烈烈，界界面面反反应应产产物物TiBTiB2 2又又是是脆脆性性物物质质，在在达达到到一一

36、定定临临界界厚厚度度后后，在在远远低低于于硼硼纤纤维维断断裂裂应应变变条条件件下下，硼硼化化物物界界面面层层破破裂裂，引引起起硼硼纤纤维维的断裂，如图的断裂，如图5-395-39所示。所示。为为了了控控制制界界面面硼硼化化物物的的厚厚度度，在在钛钛中中分分别别添添加加铝铝、钼钼、钒钒和和锆锆合合金金元元素素可可以以明明显显降降低低硼硼化化物物生生成成速速度度，尤尤其其是是当当铝铝、钼钼、钒钒和和锆锆综综合合合合金金化化时时其其作作用用更更为为明明显显。硼硼化化物物的的厚厚度度的的控控制制避避免免了了硼硼纤维的早期断裂。纤维的早期断裂。4.2.3 4.2.3 陶瓷基复合材料的界面陶瓷基复合材料的

37、界面陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料的的界界面面设设计计（改改善善陶陶瓷瓷韧韧性性差差的的缺缺点）点）陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料要要有有一一个个最最佳佳的的界界面面强强度度，一一方方面面应应强强到到足足以以传传递递轴轴向向载载荷荷并并具具有有高高的的横横向向强强度度，另另一一方方面面要要弱弱到到足足以以沿沿界界面面发发生生横横向向裂裂纹纹沿沿纤纤维维轴轴向向偏偏转转直直到到纤纤维维脱脱粘粘、断断裂裂、拔拔出出。所所有有这这些些过过程程都都要要吸吸收收能能量量，从从而而提提高高复复合合材材料料的的断断裂裂韧韧性性，避避免了突然的脆性失效。免了突然的脆性失效。强的界面粘结往往导致脆性破坏。强的界面粘

38、结往往导致脆性破坏。4.3 4.3 增强材料的表面处理增强材料的表面处理 什什 么么 是是 增增 强强 材材 的的 表表 面面 处处 理理？其其 目目 的的 是是 什什 么么？P70 P70 4.3.1 4.3.1 玻璃纤维的表面处理玻璃纤维的表面处理 常常采采用用偶偶联联剂剂涂涂层层的的方方法法 对对纤纤维维表表面面进进行行处处理理，以改善树脂对玻璃纤维的浸润性以改善树脂对玻璃纤维的浸润性。最有代表性的偶联剂品牌为沃兰最有代表性的偶联剂品牌为沃兰(Volan)(Volan)沃兰对玻璃纤维表面处理机理如下：沃兰对玻璃纤维表面处理机理如下：1.沃兰水解沃兰水解 2.玻璃纤维表面吸水，生成羟基玻璃

39、纤维表面吸水，生成羟基3.沃兰与吸水的玻璃纤维表面反应沃兰与吸水的玻璃纤维表面反应（1）沃兰之间及沃兰与玻纤表面间形成氢键）沃兰之间及沃兰与玻纤表面间形成氢键（2）沃兰之间及沃兰与玻纤表面间缩合醚化反）沃兰之间及沃兰与玻纤表面间缩合醚化反应（干燥、脱水）应（干燥、脱水）4.制备复合材料时沃兰的制备复合材料时沃兰的R基团将与基体树脂反应基团将与基体树脂反应 用表面处理剂处理玻璃纤维的方法有三种：用表面处理剂处理玻璃纤维的方法有三种：1.1.前处理法前处理法 2.2.后处理法后处理法 3.3.迁移法迁移法自学内容自学内容 4.3.2 4.3.2 碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理 碳碳纤纤维维表表面

40、面处处理理的的方方法法有有哪哪些些？这这些些表表面面处处理理的的目目的的是是什什么么？它们各基于什么界面作用理论？它们各基于什么界面作用理论？4.3.3 Kevlar4.3.3 Kevlar纤维的表面处理纤维的表面处理-方法、目的、界面作用理论方法、目的、界面作用理论4.3.4 4.3.4 超高分子量聚乙烯纤维的表面处理超高分子量聚乙烯纤维的表面处理 方法、目的、界面作用理论方法、目的、界面作用理论?4.3.5 4.3.5 金属基复合材料增强纤维的表面处理（自学）金属基复合材料增强纤维的表面处理（自学）金金属属基基复复合合材材料料增增强强纤纤维维的的表表面面处处理理的的目目的的是是什什么么？书书中中所所举举的三个例子各基于那种目的？的三个例子各基于那种目的？