复合材料第四章复合材料界面ppt课件.ppt
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1、为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益第四章第四章 复合材料的界面复合材料的界面为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益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
2、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。用的微小区域。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益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
3、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”。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益 复复合合材材料料中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
4、五五个个亚亚层层组成。组成。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益 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为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益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
5、都会会降降低低复复合合材材料料的强度。的强度。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益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。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益
6、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。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益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
7、体与增强纤维的接触与浸润过程;增增强纤维优先先吸吸附附能能较多多降降低低其其表表面面能能的的组分分,因因此此界界面面聚聚合合物在物在结构上与聚合物基体是不同的。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。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益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理,有有如下理论:如下理论:主主要要论论点点:增增
8、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为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益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
9、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:为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益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
10、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
11、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”。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益D.D.变形层理论变形层理论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
12、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。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益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
13、作用的官能团。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益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、结结构等变得非常复杂。构等变得非常复杂。为了规范事业单位聘用关系,建立和完
14、善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益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
15、碳纤维/铝(铝(580)Al2O3纤维纤维/钛钛硼纤维硼纤维/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.界面类型界面类型为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益(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:基基体体与与增增强体体之之间仅仅依依靠靠纯粹粹的的粗粗糙糙表表面面相相互互嵌嵌入入(互互锁)作作用用,以以及及借借助助基基体体收收缩应力力包包紧纤维时产生生的的摩摩擦擦而而进行行的的连接接,称称为机机械械结合。合。金属基纤维复合材料的几种界面结合形式:
16、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:为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益机机械械结合合的的效效果果:最最突突出出的的例例子子是是硼硼纤维增增强铝复复合合材材料料(Bf/A1)。采采用用化化学学气气相相沉沉积(CVD)方方法法生生产的的硼硼纤维,表表面面是是玉玉米米棒棒状状,与与金金属属铝进行行固固态扩散散复复合合时,由由于于温温度度升升高高使使铝变软,经外外力力压实铝填填充充硼硼纤维的的粗粗糙糙表表面面,形形成成与与硼硼纤维的机械的机械结
17、合。合。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益(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结合合的的要要求求:为了了达达到到润湿湿,纤维
18、表表面面应当当作作适适当当处理理,首首先先应除除去去污染染物物、吸吸附附的的气气体体和和工工艺涂涂层(如如纺织型型浸浸润剂),其其次次通通过表表面面处理理形形成成表表面面润湿湿层、阻阻挡层,或使增,或使增强材料形成利于机械材料形成利于机械结合的粗糙表面。合的粗糙表面。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益(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
19、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。反反应结合合的的本本质:能能够发生生反反应的的两两种种元元素素或或化化合合物物,通通过相相互互接接触触和和相相互互扩散散发生生某某种种化化学学反反应。随随反反应程程度度的的增增加加,界界面面结合合强度度也也增增大大,但但由由于于界界面面反反应产物物多多为脆脆性性物物质,所所以以当当界界面面层达达到到一一定定厚厚度度时,界界面面上上的的残残余余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合合强度度。要要实现良良好好的的反反应结合合,必必须选择最最佳佳的的制制造造工工艺参参数数(温温度度、压力力、时间、气氛等、气氛等)来控
20、制界面反来控制界面反应的程度。的程度。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益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
21、,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 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为了规范事业单位聘用关系
22、,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益 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的的高高温温环境境下下长时间保持保持稳定,是非常重要的。定,是非常重要的。影影响响界界面面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。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法
23、权益(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。为了规范事业单位聘用关系,
24、建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益例例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
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