复合材料的界面理论和界面控制.ppt
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1、国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4 4 复合材料的界面理论和复合材料的界面理论和界面控制界面控制国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学本章要求本章要求4了解复合材料界面的基本概念和了解复合材料界面的基本概念和界面界面结结合合类类型型;4了解了解聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料的界聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料的界面特征、界面要求及界面控制面特征、界面要求及界面控制方法方法。4了解了解复合材料界面性能的表征方法。复合材料界面性能的表征方法。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4 复合材料的界面理论4.1 复合材料界面的基本概念4.2 界面结合类型和界
2、面模型4.3 对界面的要求4.4 聚合物基复合材料的界面及优化4.5 金属基复合材料的界面及优化4.6 陶瓷基复合材料界面及优化4.7 复合材料界面性能的表征国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1 复合材料界面的基本概念4.1.1 界面定义4.1.2 润湿与结合4.1.3 复合材料中纤维与基体的界面相容性国防科技大学航天与材料工程学院国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.1 界面定义4.1.1.1 定义4.1.1.2 原子配位的概念4.1.1.3 复合材料中纤维与基体的界面国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.1.1 定义可以把任何两相
3、(如纤维与基体)之间某种材料可以把任何两相(如纤维与基体)之间某种材料特性出现不连续性的区域叫做界面。特性出现不连续性的区域叫做界面。这种不连续性可能是陡变的,也可能是渐变的。这种不连续性可能是陡变的,也可能是渐变的。很显然,一个给定的界面,其所涉及的材料特性很显然,一个给定的界面,其所涉及的材料特性不连续性可以是一个也可以是几个。不连续性可以是一个也可以是几个。一般,界面在本质上是一个两维区域。一般,界面在本质上是一个两维区域。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学元素的浓度(元素的浓度(concentration of an elementconcentration of an
4、 element)晶体结构(晶体结构(crystal structurecrystal structure)原子的配位(原子的配位(atomic registryatomic registry)弹性模量(弹性模量(elastic moduluselastic modulus)密度(密度(densitydensity)热膨胀系数(热膨胀系数(coefficient of thermal expansioncoefficient of thermal expansion)材料的特性包括:材料的特性包括:国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.1.2 原子配位的概念上述大多数物理、
5、化学或力学的不连续性都能够上述大多数物理、化学或力学的不连续性都能够自释,而原子配位的概念还需要进一步详细说明。自释,而原子配位的概念还需要进一步详细说明。根据界面处根据界面处原子配位的类型原子配位的类型,可以将界面分为:,可以将界面分为:共格界面共格界面 半共格界面半共格界面 非共格界面非共格界面国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学共格界面共格界面定义定义:界面处的原子属于两部分晶体所界面处的原子属于两部分晶体所共有,即在界面两侧,原子位置之间存在共有,即在界面两侧,原子位置之间存在一一对应一一对应的的关系。如图关系。如图4-1(4-1(a a)所示。所示。一般除一般除孪晶孪晶
6、(twin)外,晶体之间很难出现这种理想外,晶体之间很难出现这种理想的原子配位(即界面没有变形,界面能接近于零)。的原子配位(即界面没有变形,界面能接近于零)。共格界面的共格界面的界面能比较低界面能比较低。(1 1)共格界面)共格界面(coherentinterface)国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学在大多数情况下,界面两侧的晶格常数不相等在大多数情况下,界面两侧的晶格常数不相等(即(即a a aa ),共格界面处总是存在一定程度的弹),共格界面处总是存在一定程度的弹性变形。如图性变形。如图4-1(b)4-1(b)所示。所示。(111)(a)(b)图图4-1共格界面的两种情
7、况(共格界面的两种情况(a)共格孪晶界面;()共格孪晶界面;(b)一般共格界面)一般共格界面a a 一般共格界面一般共格界面共格孪晶界面共格孪晶界面国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学界面处原子只有一部分是一一对应的,而其余则是由界面处原子只有一部分是一一对应的,而其余则是由周期性出现的位错组成的。如图周期性出现的位错组成的。如图4-24-2所示。所示。位错位错位错位错 原子配位区原子配位区原子配位区原子配位区原子配位区原子配位区图图4-2半共格界面半共格界面(2)半共格界面()半共格界面(semi-coherentinterface)国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合
8、材料学在在界界面面处处的的原原子子已已经经找找不不到到任任何何对对应应关关系系。一一般般,这这种种非非共共格格界界面面只只有有几几个个原原子子直直径径宽宽。在在此此区域,原子排列紊乱、不规则。区域,原子排列紊乱、不规则。(3)非共格界面()非共格界面(in-coherentinterface)也也就就是是说说,非非共共格格界界面面处处的的原原子子排排列列与与相相邻邻晶晶体体 (和和)的的结结构构均均不不相相同同,与与相相邻邻晶晶粒粒结结构构也也可可能能不不相相同同。如图如图4-34-3所示。所示。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.1.3 复合材料中纤维与基体的界面界面形
9、貌界面形貌纤维与基体之间的界面是在制造过程中产生的;纤维与基体之间的界面是在制造过程中产生的;纤维与基体之间的界面是纤维与基体之间的界面是A-粗糙界面粗糙界面(roughinterface),而不是而不是B-理想的平面界面。理想的平面界面。纤维纤维纤维纤维A界面界面B界面界面基体基体基体基体图图4-4复合材料中的界面复合材料中的界面A粗糙界面;粗糙界面;B理想平面界面理想平面界面国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学在粗糙界面的情况下,通常是根据在粗糙界面的情况下,通常是根据润湿润湿(wettability)概念来研究纤维概念来研究纤维f与基体与基体m之间的紧密之间的紧密接触。即接
10、触。即f-m之间的紧密接触取决于液体之间的紧密接触取决于液体m是否润是否润湿纤维湿纤维f。液体液体(基体)(基体)m固体固体(纤维)(纤维)f图图4-5粗糙界面时纤维与基体的接触粗糙界面时纤维与基体的接触国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.2 润湿与结合4.1.2.1 润湿性4.1.2.2 润湿性与结合概念的区别国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.2.1 润湿性(1 1)润湿性的定义)润湿性的定义润湿性是用于描述液体在固体表面上自动润湿性是用于描述液体在固体表面上自动铺展程度的术语。铺展程度的术语。润湿性在促进结合或妨碍结合的机理方面润湿性在促进结合
11、或妨碍结合的机理方面是最关键的概念。是最关键的概念。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(2 2)润湿性的测量)润湿性的测量温度升高方向温度升高方向950900100011001150图图4-7测量润湿性的滴球模型测量润湿性的滴球模型国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学润湿条件:润湿条件:ls+lv sv即:即:液液-固表面能固表面能 +液液-气表面能气表面能 固固-气表面能气表面能只有当系统自由能产生净减少只有当系统自由能产生净减少(anetreduction)时,液滴才将铺展,并润湿固体表面。反之,则时,液滴才将铺展,并润湿固体表面。反之,则不会出现完全润湿。不
12、会出现完全润湿。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学润湿条件:润湿条件:完全润湿时:完全润湿时:=0完全不润湿时:完全不润湿时:=180部分润湿时:部分润湿时:0 90图图4-8润湿条件示意图润湿条件示意图国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(3 3)影响润湿角大小的因素)影响润湿角大小的因素固体表面的固体表面的原始状态原始状态。如吸附气体、氧化膜等。如吸附气体、氧化膜等均使润湿角增大;均使润湿角增大;固体表面固体表面粗糙度粗糙度将影响润湿角;将影响润湿角;固相或液相的固相或液相的夹杂夹杂(包括人为的)或相与相之(包括人为的)或相与相之间的间的化学反应所造成的产物化
13、学反应所造成的产物都将影响润湿性都将影响润湿性(润湿剂)。(润湿剂)。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(4 4)润湿性的改善途径)润湿性的改善途径v 对纤维进行涂层对纤维进行涂层v 变更基体成份变更基体成份v 改变温度改变温度v 增加液体压力增加液体压力v 改变加工气氛改变加工气氛 国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学v 对纤维进行涂层对纤维进行涂层 涂层方法涂层方法:电镀、化学镀、:电镀、化学镀、化学气相沉积、热解等。化学气相沉积、热解等。涂层目的涂层目的:增大纤维的表面能:增大纤维的表面能 svsv实例实例:玻璃纤维的硅烷涂层;:玻璃纤维的硅烷涂层;碳纤维的
14、钛碳纤维的钛-硼硼(Ti-B)涂层;涂层;硼纤维的硼纤维的SiC、B4C涂层涂层 碳化硅纤维的热解碳涂层等。碳化硅纤维的热解碳涂层等。涂层涂层纤维纤维国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学v变更基体成份变更基体成份改变金属基体化学成份的方法是合金化。改变金属基体化学成份的方法是合金化。目的:使合金元素在界面上富集,降低表面能目的:使合金元素在界面上富集,降低表面能 lsls,从而降低,从而降低接触角接触角(润湿角润湿角)。160Zr1208040Cr0306090120时间(时间(min)图图4-6润湿角的降低与润湿角的降低与所加元素和熔化时间所加元素和熔化时间的关系的关系C/Cu
15、国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学一般,提高温度可使润湿角减小。一般,提高温度可使润湿角减小。如如C/Al系系,在,在10501050时,时,才小于才小于9090。但是。但是,在此在此高温下,会产生:高温下,会产生:基体严重过热,铝氧化;基体严重过热,铝氧化;C C与与AlAl发生化学反应在界面生成发生化学反应在界面生成AlAl4 4C C3 3,使界面脆化。导致复合使界面脆化。导致复合材料低应力断裂。材料低应力断裂。再如再如W/Cu系系,要在,要在14001400才润湿。而才润湿。而Cu的熔点为的熔点为10831083。Ta/Sn系系,在,在10001000润湿。润湿。Sn的
16、熔点仅为的熔点仅为232232。v改变温度改变温度国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学所加外压必须克服毛细管压力所加外压必须克服毛细管压力Pc:Pc=4 lv(Vf/df)cos 式中,式中,Vf、df 分别为纤维体积分数和纤维直径。分别为纤维体积分数和纤维直径。可可见见,Vf/df 越越大大、lv 越越大大,则则Pc 的的绝绝对对值值越越大大。但但是还要看是还要看coscos 的正、负。的正、负。当当 9090,coscos 0 0,则则Pc为为正正值值。是是完完全全润润湿湿的的情情况,液体金属可自动浸渗纤维束;况,液体金属可自动浸渗纤维束;当当 9090,coscos 0,0
17、,则则Pc为为负负值值。是是不不润润湿湿的的情情况况,此时必须施加大于此时必须施加大于Pc的外力才能使液体渗入纤维束。的外力才能使液体渗入纤维束。v 增加液体压力增加液体压力国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 如果在固体或液体表面吸附某种气体,可以如果在固体或液体表面吸附某种气体,可以改变改变 sv sv 或或 lvlv(使表面张力降低)。(使表面张力降低)。如在大气中含如在大气中含10%10%的的O2,可使银的可使银的表面张力表面张力从从1200erg/cm1200erg/cm2 2 降低至降低至400erg/cm400erg/cm2 2(3 3倍),此时,倍),此时,银很容
18、易润湿用镍涂层的银很容易润湿用镍涂层的Al2O3晶须。晶须。要求:课后归纳改善润湿性的几种途径要求:课后归纳改善润湿性的几种途径v 改变加工气氛改变加工气氛国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.2.2 润湿性与结合概念的区别良好的良好的结合结合意味着沿着整个界面形成均匀的、原意味着沿着整个界面形成均匀的、原子或分子水平的接触。其结合强度可以从弱的范子或分子水平的接触。其结合强度可以从弱的范德华力(德华力(VanderWaals)到强的共价键到强的共价键(covalentbond)。润湿性润湿性指的是固体、液体在分子水平上紧密接触指的是固体、液体在分子水平上紧密接触的可能程度
19、。的可能程度。润湿角低(润湿角低(909090)则表明润湿性差。)则表明润湿性差。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.3 复合材料中纤维与基体的界面相容性4.1.3.1 界面的物理相容性4.1.3.2 界面的化学相容性国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学相容性的含义相容性的含义相容性相容性(compatibility)是指纤维与基体是否相是指纤维与基体是否相互容纳。互容纳。相容性包括:相容性包括:化学相容性化学相容性力学相容性力学相容性物理相容性物理相容性国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学4.1.3.1 界面的物理相容性(physical c
20、ompatibility)物理相容性主要指:物理相容性主要指:(1 1)纤维与基体间的润湿性纤维与基体间的润湿性基体对纤维润湿不好时,界面结合太弱,使其传递基体对纤维润湿不好时,界面结合太弱,使其传递载荷的功能不能充分发挥。载荷的功能不能充分发挥。(2 2)热残余应力热残余应力在制造过程,由于组元之间热膨胀系数不匹配引起在制造过程,由于组元之间热膨胀系数不匹配引起组元和界面残余应力组元和界面残余应力。它容易造成微裂纹和影响组。它容易造成微裂纹和影响组元的承载能力,导致复合材料低应力断裂。但对于元的承载能力,导致复合材料低应力断裂。但对于陶瓷基复合材料来说,反而可能产生增韧效果。陶瓷基复合材料来
21、说,反而可能产生增韧效果。国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学界面残余应力产生原因:界面残余应力产生原因:制造过程中,由复合温度冷至室温,或使制造过程中,由复合温度冷至室温,或使用过程中,由室温升至高温,出现急冷或急热。用过程中,由室温升至高温,出现急冷或急热。当复合材料中各组元的热膨胀系数不同时,将当复合材料中各组元的热膨胀系数不同时,将产生残余内应力。产生残余内应力。表表4-1常用纤维及基体的热膨胀系数(常用纤维及基体的热膨胀系数(10-6/):):SiCAl2O3CBSi3N4AlMgTiNi4-68.3-16.33.624.525.8269.614.015.517.5国防
22、科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学残余应力的符号残余应力的符号:z表示轴向应力;表示轴向应力;r表示径向应力;表示径向应力;表示切向应力。表示切向应力。z r 图图4-9单元体上的应力分量单元体上的应力分量国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学MatrixFiberABC复复合合材材料料制制备备过过程程应应力力重重新新分分布布示示意意图图(:高高温温下下,纤纤维维与与基基体体的的长长度度一一致致;:冷冷却却后后由由于于热热膨膨胀胀系系数数的的差差别别产产生生热热应应力力。当当基基体体的的膨膨胀胀系系数数大大于于纤纤维维的的膨膨胀胀系系数数时时,基基体体将将受受到到拉拉应
23、应力力的的作用,而纤维将受到压应力的作用。)作用,而纤维将受到压应力的作用。)国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学引起基体变形引起基体变形 W/Cu系,系,11001100浸渗,冷至室温后,界面附近的浸渗,冷至室温后,界面附近的CuCu基基体中位错密度增高。体中位错密度增高。Chawla和和Metzger认为是热应力造成基认为是热应力造成基体塑性变形而引起的。体塑性变形而引起的。Arsenault发现发现SiCw/Al系也有类似的情况。系也有类似的情况。造成纤维或基体预应力造成纤维或基体预应力 当当 fzfz mzmz时时(常见于陶瓷基复合材料),由高温冷至室常见于陶瓷基复合材料
24、),由高温冷至室温。界面附近基体中产生预压应力,使基体抵抗拉伸载荷下温。界面附近基体中产生预压应力,使基体抵抗拉伸载荷下开裂的能力增加。起增韧效果。开裂的能力增加。起增韧效果。热应力的作用热应力的作用国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学(1 1)复合材料中界面的重要性)复合材料中界面的重要性 在纤维增强复合材料的情况下,界面在纤维增强复合材料的情况下,界面,或或更精确地说更精确地说界面区域界面区域是由纤维与基体的表是由纤维与基体的表面层附近以及这些表面层之间的物质层所组成。面层附近以及这些表面层之间的物质层所组成。*纤维或基体附近的表面层是由于纤维纤维或基体附近的表面层是由于纤维
25、基体元素相互基体元素相互溶解、扩散形成的,而溶解、扩散形成的,而过渡层过渡层是由于化学反应产物组成的。是由于化学反应产物组成的。纤维纤维*纤维表面层纤维表面层过渡层过渡层*基体表面层基体表面层基体基体4.1.3.2 界面的化学相容性国防科学技术大学航天与材料工程学院高性能复合材料学 在复合材料中界面之所以重要的理由是被在复合材料中界面之所以重要的理由是被界面所占有的内表面积十分大,在一个适当界面所占有的内表面积十分大,在一个适当体积分数的复合材料中界面面积可达体积分数的复合材料中界面面积可达:纤维复合材料:纤维体积分数纤维复合材料:纤维体积分数50%50%,直径,直径1010 m m,则界面面
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- 关 键 词:
- 复合材料 界面 理论 控制
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