新型复合材料界面研究的现状与展望.pdf

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1、 一i 材 料 导报 1 5 新型复合材料界 面研究的现状与展望 S t a t u s QU O a n d Pe r s p e c t i v e o f S t u d y o l l t h e I nt e r f a c e o f Adv a nc e d Co m po s i t e s 黄 传 真 张 树 生、艾 兴 王 景 海 丁 杠蚊 龃群 黼 D 7 ，7 争 ：2 ，、摘要 综述 国内外新 型复合材料 尤其是新 型陶瓷材 料界 面研 究的情况，详 毒 田 综述 了界 面力学行为及界 面作 用机理研 究的现 状 并指 出1今后界面研 究的方向。关键词 界面陶瓷刀再材

2、料复台材料 Abs t r a c t S t u d y o n t h e i n t e r f a c e o f a d v a n c e d c o mp o s i t e s，e s p e c i a l l y a d r a n t e d e e r a mi c ma t e r i a l，h a s b e e n s umma r i z e d Th e s t a t u s q u o o f s t u d y o n i n t e r f a c i a l me c h a n i c s b e h a v i o r a n d i n t

3、e r f a c i a l b o n d i n g me c ha n i s ms i s r e v i e we d i n d e t a i l The f u t u r e r e s e a r c h f i e l d s o f i n t e r f a e e a r e p o i n t e d o u t K ey wor ds i n t e r f a c e，c e r a mi c s，t o o l ma t e r i a l，c o mp o s i t e 1 概述 表 面科学是 当代 蓬勃发展的一 门边缘科 学，而 固体材 料界 面研究

4、 是其重 要分 支。7 0 年代 以来，为了满足 新技 术领域 的需要，固体 材料界 面研究得到 了迅速的发展“。近 年 来，人 们把获 取理想 的晶粒 度、晶界相 和界 面 形 貌 的技术称为晶界(或相界)工程，其实质就 在于获得 高结合强度 的 同种或异种材料的界 面。陶瓷复合材料是多相体 系，它是 由连续 的 基体相和非连续的第二相甚至第三相材料通 过适 当 的复合工 艺制备 而成的，存在 着 不 同 物相及 相 界面 具有其它 单相 材料所 没有 的 特殊结构。多相复合 材料的复合改性 作用都 要通过相界 面进行力 的、化学 的以及功、能 的 传递过程。同时，第二相材料(粒子、纤维或

5、晶须等)的精细结 构(微米级或亚微 米级)，使 其单位体积 内的相界 面积可 以达到 相当高 的 数量级水平，因此相界面问题是复合材料 中 除物相组成外最重要 的技术关键。界 面(包括 晶界和相界面)是 复合材料 极 为重要的微观结构，它作为增强体与基体连 接 的“桥 梁”，对复 合材料 的物理 机械 性能 有 至关重要的影响。因此复合材料界面 的重要 性 已经得 到广泛 的关 注，许 多 国家相 继 展开 了界 面微 区 的研 究和 结构优 化设计，以充分 挖掘复合材料的巨大潜力，制得综合性能更 加优 良的复合材料。国际上 已专门就复合材 料界 面问题 召开过 四次 国际性 会议(J C C

6、 1)，国 内也 召开 过 三 届 全 国性 的界 面 工程 研 讨 会，可见人 门对复 合材料 界 面研 究的重 视 程度。随着对复合材料界 面结构及优 化设计研 究的 不断 深入，研究材 料的界 面力学行 为与 破坏机理是当代材料科学、力学、物理学 的前 沿课题之 一，而复 合材料 界面 问题 更有其 自 身的特殊性 和复 杂性，复 合材料 一般是 由增 强相、基体相和它们的中间相(界面相)组成，各自都有其独特的结构、性能与作用，增强相 主要起承载作用；基体相主要起连接增强榴 和 传载作 用，界面是 增强相 和基体相 连接 的 桥 梁，同时是应力 的传递者。对增强相和 基体 相的研究 已取

7、 得了许多成果，而对作为复合 材料三大微观结构之一的界面问题却研究得 不够 深入，其原 因是测 试界面 的精细方 法运 用起来较困难，描述的理论 尚不完整，尤其从 力学 的角度 研究 界面 的性质、作 用 及其对复 合材料力学性能的影响和破坏机理等方面的 维普资讯 http:/ 1 6 材 料 导报 1 9 9 6，N o_ 4 工作正 在开展 在复合 材料中 界 面积占很大 的 比例 如碳纤维 复合材料 每 1 0 0 e ra 的体 积 中界 面面积 为 8 9 m 界面的性质 直接 影响 着复 合材 料 的 各项 力学 性能，尤 其是 层 间剪 切、断裂、抗 冲 击等性 能，因此随 着

8、复合材 料 科学 和应 用 的发 展，复合 材料界 面 及其力 学 行为 的研 究越来越 受到重视。从 1 9 4 2年起，为 了改进玻璃纤维复 合材 料 的力 学性能，开 展 了对复 合材料 界 面的 研 究，提 出了几种理 论来解释和 评价。不过较 系 统 的界 面科学研 究是从 6 o年代开展起来的 Z i s ma n提 出了对 粘 结表 面及表 面 张力 的看 法“P l e u d d e ma n 0 等 发表 了有关 界 面理 论 的著作 Mi c h e l D Th o u l e s s等“研究 了纤维 增韧陶 瓷材料 中界面 机械 性能对纤维拔 出的 影响，纤 维 的性

9、 能 和界 面 的滑移 阻力对 纤维 的 拔 出 有 重 要 的 影 响 An t h o n y G Ev a n s 等。研究 了陶 瓷复 合材料 中界面 脱粘 及纤 维对材 料性 能 的影响，定 性分 析 了界面脱 牯 和 界 面 断 裂 功 的 关 系；Ch u n Hwa y Hs u e h 等。研 究 了界面层 对 晶须增韧 陶 瓷材 料热应 力的影响 近几年来，一些力 学专家也在研究 界 面性 质对复 合 材料力 学性 能 的影 响 提 出 了一些微观理 论 模型“”，使 界面 问题 的研 究从 物理 化 学表 面深入 到力 学行 为的研 究，这是界 面科学的一大 突破 冼杳娟

10、 从事复 合材料力学性能研究十多年，认识到界面问 题的重 要性，近年 开 展了 碳环氧复 合 材料界 面对力 学性能影响 的研究 多年 来，中国科学 院 化 学研 究 所对 碳纤 维 表 面处 理 及 界面 问 韪，上海 交通 大学 对金属 基复 合材 料界 面等 问题，中山大学 材料研 究所 对聚合 物复 合 材 料界面等 问题开展 了研究。近几年来，山东工 监大学研究了新型复相陶瓷刀具材料的界面 力学 行为及 其与 材料力 学性 能 的关 系，研 究 了界 面的扩 散和 渗透 作用、界 面的 作用机 理 和破坏 机理“研 究这一问题对于改善 陶 瓷刀具材料 的力学 性能和切 削性 能有重

11、要 的 意义。现 就有关 的问题叙述如下。2 界面力学行 为的表征及其测试 复相陶瓷材料 的力学性 能与界面性质 紧 密相 关 而 界面性质 又取 决于界 面 的结 合状 态、微观结构 特征 以及应力 状态。界面的微观 结构 包括 界面 的组成 和结构、界 面 区的成 分 及其分 布 近 界面基 体一侧 的位错 密度及 其 分布 等，全面 而确切 地表 征界面 是 了解 界面 性质并进而控 制和改善复台材料性能的最重 要 的 基 础 之 一 2 1 界 面析 出相 确定界面上有无 新相 形成 是表 征界面的 主要 内容之 一。界面新相一般是增强相与基 体相通过 扩散 而在 界 面处形成 的，也

12、 可能是 基体组元与相 界处 杂质元素反应 在界面处 优 先形 核而 形成 新相。通过 TE M 照片、ED AX 能谱、电子衍射图等信息，综合分析可以准确 判知界面析 出相 的结构、成分和 形貌特征，也 可以采 用高分 辨场 发射俄歇 电子探 针 得 到 界 面成 分的宝贵信息。由表 征界面所获得的 宝贵信 息可 用于指导和 控制界面性质和材料 性 能。2 2界面区的位错分布 界面 区近 基体 侧的位错分布是 界面层表 征的 又一重点 已有 的研 究表 明，在界面结 合 良好 的情况 下，增强 相与基体 相热 膨胀 系数 的 明显 差异 将导致 相界 面处产 生位错，且多 集中分布于近界面的

13、基体 一侧 中。高密度的 位错是新型复 相陶瓷刀具材料 重要强化机制 之一u”，目前 实验 观 测位 错的方 法有”浸蚀法利用蚀坑显示晶体表面的位错；缀饰法 通过在位错上缀饰 可见的颗粒 来表示 出位错 的存在 情况 I 透 射 电子显微 分析 在透 射 电镜上 用较高的放大倍数观 察 研究薄 膜试 样 中的位错；x 射线衍 衬显 微分析 用 x 射 线光 束 的局部 衍 射来 研 究低 密度位错；场 离子 显微 分析 以 撅 高 的放 大倍 数显 示 金属表 面 的原 子 排列情 况。在 这些方法 中，浸蚀 法是 一 种简单而在 早 期常 用 的方 法；透 射 电镜分析 则是 目前最 广泛使

14、 用而有效 的分析 方法，这 已得 到 了实 验 证 明“。2 3 界 面结 构 维普资讯 http:/ I 才 谩 目前，对 于复合材 料，由于复 合工艺水 平 的局限性，界面结合 并非处处均匀完整，加上 界 面组 成复 杂多变，因 而对界 面结 构的高分 辨观 察 十分 困难，然而值 得材 料科 技工作 者 着手探索。可 预测 随着 电子 显微镜分辨率 的提 高，随 着具有 特殊 功能 的纳米 复合材 料 的研 究发展 及复 合工 艺等的 完善 必将 能 够获得 更均 匀完 整的界 面，对 某些 复合材 料 的界 面 结构 的 高分 辨 直接 观 测 可 望成 为现 实。在这 方面，南京大

15、学化学 系的薛奇教授 已 取得 了突破性 的成果；与此同时，界面结构 的 计算机 原子 模拟研究 也将逐 步开 展，这必将 深化人 们对界 面 的认 识，并有 助于 控制和 改 善复 合材 料的性能。2 4界面层 厚度 界 面层的厚度是 界 面表征 的重要 指标之 一，它反 映了界面反应 的程度，目前的测量 方 法是 利用显微镜或透 射 电镜照片进行人工 目 测。2 5界面残余应力 复合材料 的界 面结合情况与该处 的残余 应力密切相关 对于透 明的树脂 基复合材 料，可采 用弹 性力学分 析 法进行观 测，而对 于不 透 明的复 合材料，残余应 力 的测 定 主要用 x 射线 的 s i n

16、。法。通 过制备合适 的试 样，可 以 测出界面两侧一定厚 度范围 内的平均残余应 力，而要 准确地知道 界 面处的应力仍 较困难。界面附近的残余应力 与界面结 合强度和界面 处两相热失配程度有关 界面结合越强，能承 受的残余应力就越大 2 6 界面能 虽然人们对晶界结构 的了解 已有了很大 的进 步，但对 界面结 构和界 面性 质之 间的关 系了解 得还 很少。例如 没有一个能 够同时明 确表达界 面结构和 界面 能之 间相互关 系的模 型，但了解这一关 系又非常重要 它有助于根 据两个晶粒之 间的位相差 解释 许多直接 或 间 接观察 到的界 面结构 以及 界面 的动力学 行 为。因此一个

17、成功的界面结构 模型 必须 同时 也能预 测界面 能 因 为界面能是 描述 界面 特 征的一个重要参量。计算 机的原子模拟 为研 究界面能 与界面结构之 间的关 系提供 了一种 有效手段。对 于小 角 晶界 而言，界 面能的 主要 部分 是 晶界应 变场 的 弹性 能，应 变场又是 由组成 品界的点 陈位 错列 阵造 成的。在对称倾侧晶 界 中 这 些 位错是 一排 平行 于转轴而 柏 氏矢 量垂 直于 晶界 的 位错，如果 这些位错 在界 面 上是 均 匀分 布的，则 可 以计 算单位 面积 的界 面能。目前还很难 对界 面能进行 测量 2 7界面结 合强度 复合材料 界面结合 强度的直接

18、测定是十 分 困难的。实 验证 明，不 同界面结合强度的复 合材 料 在 宏 观上 表现 出不同 的 界面 剪 切强 度，所 以复合 材料 的界 面剪切强 度是能 直接 表 征界面结合强度 的指标。界面 剪切强度(结 合 强度)的测 试方法有 平板 实验 法和纤 维拔 出实验法等。界面结合强度 目前没 有统一的 计 算 方 法 针 对 不 同 的 材 料 有 不 同 的 公 式”。3 界面力学行为的基本理论 3 1 界面作 用机理 在 复合 材料界面形成 的过 程 中，基体组 分 间产生 化 学反应，增强体 与基体 间产生物 理 和化学 的作 用，然 后通过分子 间形 成化学 键 的化 学 作

19、用、摩擦粘结和“钉 扎 的机械作 用使界 面固定下来。复台材料 的界 面一般是 从 固体一液体 边界，通过 固化过 程转 化为 固 体一 固体边 界。界面层 的结构由两相 的表面层及 由于两 相 间的相互 作用而深入到两相 内部一定厚度 的 区域 组成，在研究界面 作用机理 时应考 虑 界面层的这一结构特点。目前用来描述界面作用机理 的主要理 论 有：物理 吸附理论(即浸润理论)“该理论 认 为两 相 间的 结合是机 械牯结模式，物理 吸 附主要是范德华力使两相粘附。这一理论从 热力学基 础出发，引入牯合功的概念 后来又 有人 进一步 作 了动力学考虑，但 由于 没有考 虑 化学作 用 不能

20、全面解释有化学 结合 的实 验 结 果。维普资讯 http:/ 1 8 材料 导报 化 学键理 论：该理 论 认 为基 体表面 与 增强 体表 面之 间起化学 反应，构 成 化学键结 合的界 面 模型，但这种 模型 的缺 点是难 以解 释纯物理作用的界面结 合。摩擦理论：该理论认为增强体与基体 问界面 的 牯结完 全是 荤擦作 用的结 果，处理 剂 增 加 了两相问 的摩 擦 系数，从 而提高 复合 材 料的强度。除此 之外，还有 减弱界 面 局 部应 力作用 理论和界面控制理论。上述 各种理论 都有 各 自的 实验基 础，但 都 未能 全面 阐述界面 效应，由于对 界面 的全 面表 征 目前

21、 尚存在困难，所 以研究 一个具 有 昔遗 意义的界面理 论是 不可能的。3 2 复合树料弃面的力学模型和理论 复合材料界面是一个很大的应力传递表 面，因此 研 究界面上 的力学 行 为是 一个 重 要 而 又复杂 的同题，研 究者从 材料 力学方 法到 有 限元方 法，从宏观到微观力学 分析，提出了 如下 一些 力学摸型和理 论。界 面应用力 传 递理 论：该理 论是 以纤 维(或晶 须)作增 强体 的材 料为基 础，主 要分 析纤维上应力传递和 剪切 应力 的形成。微观力学分析：利用有限元法，研究复 合材料界面力学性能。界 面滑动摸 型：界面 滑 动模 型基于 临 界应力强度因子概念，作为

22、一封 闭解 的问题，它描述当一根纤维埋在基体 内而界 面有滑动 时摩擦对 界面裂缝 的影 响，井认 为界 面内的 摩 擦可以 闭合或延迟界面裂纹 的扩展 4 展望 有关复合材料界面结构和界面力学行为 的研究正得到 许多 研究 工作者 的重 视，要 全 面 了解界 面对材料力学性 能的影响以及如何 控制界面改善陶瓷刀具材料的力学性能和切 削 性能，今后 应在如 下几 方面作 深入细 致 的 研究工作：正 确合理 地表 征 界面力 学行 为，建 立 界面力学行 为的评价体 系。建立界 面力学行 为与材 料宏观力学性 能和切削性能之间关系的理论模型，为以刀 具切 削性能为优化 目标 的界面优化设计及

23、计 算机 模拟奠定基础。进 一步 研究界面 的作 用机理，研 究 出 一个 成 熟、完整、符合 实际，具有普 遍意 义的 界 面理论模型。参考文献 闻 立 时，固体 材 料界 面 研 究的 物理 基础，科学 出 版 杜，1 9 9 1 隋万美等，现代技术陶瓷，1 9 9 3；(3)1 6 黄 玉 东，纤维 复台 材料，1 9 9 3；(3)1 冼 杏 娟，力学诗 展，1 9 9 2；2 2(4)4 6 4 PEP I n t e r p e s i n Po l y m e r M a t r i x Co mp o-s i t es，New Yor k Acn de mi c Pr e s

24、s 1 97 4 M i c h a e l D Th o u l e s s e t a 1 J m-A C e r a m SO c，1 9 8 9；7 2(4)：5 2 5 7 A n t h o n y G Ev n n s e t a 1 ，J Am Ce r a m SO e 1 9 8 9；7 2(1 2)I 2 3 0 0 8 An t h o n y G Ev a n s e t a 1，J AmCe r a m SO c 1 9 9 0f 7 3(6)：l 6 9 1 9 Ch un-Hwa y Hs u e h e t a 1 ，J AmCe r a m SO c，1 9

25、 8 8 7 1(U)；9 29 1 0 W i l l i s J R，J o f Me c h Ph y s S o l l d s，1 9 7 1 I (1 9)t 3 5 3 1 1 Co mn i n o u M ，J o f Ap p l i e d M e c h a n i c s，1 9 7 7 (4 4)I 6 3 1 1 2 黄传真，艾兴，电子显散学报，1 9 9 5；1 1(5)3 6 1 l 3 黄 传 真 李 兆 前，艾兴，中 国机 槭 工 程，1 9 9 6 I (1)1 4 黄 传真，艾兴，机 槭工程 材料 1 9 9 6 f(D l s 黄 传真，艾兴，电子显

26、 傲学报，1 9 9 5 1 4(5 7 3 6,5 l 6 黄 传真，李 光前，艾兴，电子显 微学报，1 9 9,5 I 1 4 (3)，l 9 6 l 7 黄 传真，李兆前，艾兴，机械强度，1 9 9 6 I(1)l 8 Ai X i n g，Hu a n g Ch u a n z h e n，Ke y E n g i n e e r l n g M a t e r i a l s l 1 9 9 5 1 0 8 1 1 0|2 2 1 1 9 Hu a n g Ch u a n z he n，Ai Xi n g，1 CPCG 9 4 l 1 9 9 4-9，Sh a n gh a i 2 0 Hu a ng Chu a h e n e t a l-，l CQ 9 5，1 9 9 5 4，Ho n g Ko n g 2 1 胡祥，金 属学，上 海 科学 技 术出 敝杜 1 9 8 0 2 2 曾汉 民，材 料科 学与 工程，1 9 9 1；(9)1 1 2 3 4 5 6 维普资讯 http:/