复合材料的界面解析

《复合材料的界面解析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复合材料的界面解析（70页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、6.复合材料的界面 6.1 界面的特征与分类 界面在复合材料中的必然性与重要性 l硬化、强化跨越界面的载荷传递 l韧性裂纹的偏转，纤维的拔出 l塑性界面附近峰值应力的松弛 界面的分类 1) 机械结合。没有化学反应，靠机械连结。粗糙产生 的摩擦力。 2) 溶解和润湿结合。润湿，原子扩散和溶解，形成结 合。 3) 反应结合。发生化学反应，在界面上生成化合物。 4) 交换反应结合。化学反应，元素交换，形成固溶体 。 6) 混合结合。以上几种结合方式中几个的组合。 6.2界面的结合机理 6.2.1 吸附与润湿 n当一种液体与一种固体相互接触时，如果 能够自然地发生原子尺度的紧密结合，则 称为“润湿”。

2、主要是范德华力的作用。 6.2.2 内部扩散与化学反应 n界面处可能会发生多种促进接合的反应。 n两个聚合物材料之间的自由基末端能够通 过扩散而连接，从而增大结合强度。 n在热硬化树脂中得到了应用。其他体系中 ，也会伴随着化学反应而发生扩散，使结 合强度增大。 6.2.3 静电吸引 n当表面具有相反电荷的情况下，会形成表 面结合力。 n对玻璃纤维涂敷偶联剂，或者对纤维实施 某些处理时，利用这一效应。 n表面显示阴离子或阳离子特性。 n使用具有离子功能的原子团，就可能实现 上述结合。 6.2.4 力学结合 n基体对增强体（纤维）的润湿性良好，纤 维表面的粗糙度也能够增大界面的结合。 n与拉伸强度

3、相比，该效应对于由剪切应力 引起的断裂的抵抗能力更大。 n有凹陷角度存在，对拉伸强度的贡献也增 大。接触面积的增加，使强度增大。 6.2.5 残余应力 n残余应力的存在会对界面的接触性质产生很大的 影响。 n基体的塑性变形及伴随着体积变化的相变的发生 是残余应力的主要原因。伴随着热硬化树脂的硬 化也会发生体积变化。形成残余应力的最主要的 原因是成形（制造）后冷却时发生的收缩。 n大部分的复合材料中纤维的热膨胀系数比基体的 热膨胀系数小，所以纤维受到压缩残余应力，而 基体受到拉伸残余应力。 6.3 界面反应与界面行为 6.3.1 研究界面反应的重要性 增强材料与基体间相互作用的必然性（在制造和

4、使用过程中） 界面难以达到理想热力学平衡状态 控制增强材料与基体间相互作用的数量和速度 界面反应的动力学问题 研究界面反应的目的：选择最佳的材料组合和制造 工艺，以得到最佳的材料性能。 6.3.2 界面的相容性 为了实现基体和增强材料之间的有效 结合，需要二者之间发生扩散。界面元素 的相容性是实现扩散的先决条件。一般说 来，可以根据两种物质混合后的Gibbs自由 能G来判断其相容性。 G0，不相容。 6.3.3 界面反应的种类 n不生成化合物，只生成固溶体。 生成的固溶体并不导致复合材料性能的 降低，增强材料消耗使强度降低。 假定基体中的扩散物的原始浓度为零，基体表面上 扩散原子的浓度在整个过

5、程中保持不变，等于该元素在 基体中的极限溶解度，基体为半无限的物体，扩散系数 与浓度无关。扩散的菲克第二定律如下： 式中 c0为平衡浓度、 D为扩散系数、 t为时间、 x为距离。 界面反应的种类 可以计算在某以扩散系数D下，经过时间t扩散后， 浓度达到c时的扩散带宽度。 扩散系数与温度的关系如下： D=A exp (-Q/kT) 式中 A为频率因子；Q为扩散激活能；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。 根据式 可以计算出欲达到一定厚度 的扩散层时所需要的温度和时间。 界面反应的种类 2) 界面形成化合物 达到一定的厚度时，强度可能会大幅度降低。生 成的脆性化合物层在受载破坏而造成纤维断裂 。预测化

6、合物反应带的厚度十分重要。反应扩 散是一个非常复杂的过程，测定总反应速度十 分困难。用简化的公式求化合物层的大概厚度 。 式中c为化合物均质区内 扩散物的平均浓度、c 为均质区内浓度。这里 假定相界移动符合抛物 线规律，指数为2 。 利用上式可以计算经一定的扩散时间 t后，化合物厚度达 到一定值时所对应的极限扩散系数。 界面反应的种类 一般说来，基体与增强材料之间相互作用不 足或过量都不利 F反应不足：复合材料的强度低 F过量：可以引起界面脆化。 对于界面反应，应根据具体情况， 促进反应以增进结合 抑制反应 6.4 界面强度 6.4.1界面粘结强度的重要性 nPMC高的界面强度，载荷传递给纤维

7、 nCMC界面处能量的耗散 nMMC强的界面，有益的非弹性过程 表征界面的力学行为 非弹性过程开始的临界应力值 测量界面的断裂韧性 界面上所发生现象的模式图 6.4.2 界面强度的实验测定 n界面结合的性质会以各种方式影响复合材料的弹性 与断裂性能。 n利用单一纤维的试验，得到结合强度的定量信息。 n粗糙的纤维表面能够对剪切变形断裂具有较大的贡 献，但是却对垂直于纤维拉伸几乎没有作用。 n使用单一纤维的“复合材料”，成形方法可能会与实 际的复合材料不同，不具有邻接纤维的约束，界面 的性质也可能不同。 n实验数据的解释一般是采用临界应力模型，但是也 可以采用能量模型（断裂力学模型）。 1）单纤维

8、的拔出试验 广泛适用于树脂基复合材料。由拉伸广泛适用于树脂基复合材料。由拉伸 载荷将埋入树脂基体的单纤维拔出。载荷将埋入树脂基体的单纤维拔出。 2）单纤维的推出试验 n与纤维的拔出试验相 比，更容易适用于实 际的复合材料试样。 n在埋入纤维的上表面 ，施加轴向的压缩载 荷，直至发生剥离。 n该方法适用于较粗的 纤维。 6.2.1 界面应力与非弹性过程 应力的来源 p 外加载荷 p 不均匀热膨胀 （或收缩） p 基体优先塑性 变形 微观结构 应力状态 非弹性 ？ 临界应力值 n剪切脱粘 nfr = 0 r 0：某一基准水平的剪切应力 ：滑动摩擦系数 r：径向压缩应力 黏结强度的特征 单纤维加载试

9、验 纤维拔出 纤维推出 完全破碎、脱粘的观察、纤维突出 单纤维拔出试验中的应力分布及载荷-位移的 模式图 单纤维推 出试验后 的Ti-6Al- 4V/30%S iC单纤维 复合材料 的SEM 照片 单纤维推出试验中的应力分布及载荷-位移的模式图 界面剪切应力的实验值与解析值的对比 3）其他试验 n金属基复合材料与树脂基复合材料，将单纤 维埋入基体，对基体施加与纤维方向平行的 拉伸应力，由此来推定剪切强度。 n纤维断裂后成为多个小片，测定每个小片的 长径比。 n也可以是不注重特定的纤维，而是对单层板 进行试验。难以建立数据与实际的纤维/基体 的界面特性之间的关系。 6.5 界面行为 6.5.1

10、界面的脱粘与剥离（Debonding） 研究界面的脱粘与剥离的意义 研究思路 基体中仅有一根纤维，受到拉伸载荷为Pf 分析复合材料中强化材料与基体间应力传递 的方式 解析法： 应用最大剪切应力理论 应用断裂力学理论 脱粘、剥离与滑动的关系为一旦发生脱粘与剥离，剥离部分就产生滑 动。解析法可以应用最大剪切应力理论，也可以应用断裂力学理论。 1） 最大剪切应力理论 n当界面剪切应力达到界面剥离所需要的剪切应力 时，界面发生脱粘与剥离。 纤维与基体间应力传递解析模型 2） 断裂力学的应用 n纤维与基体间存在有结合力，界面因成分引起的能量释放率为Gic，纤维 由于受到拉伸有dx长度的部分与基体发生了界

11、面剥离，剥离的部分不能 再靠摩擦传递应力。此时，界面能量的释放全部转化为基体的弹性能。 产生应力缓和的基体体积 界面发生脱粘和剥离时纤维的应力 纤维的应力 6.5.2 界面的滑动 一根纤维从 基体拔出时 纤维载荷与 位移之间的 关系。 锯齿状的部 分称为“stick slip”， 纤维与基体 之间形成的 凸凹，使得 界面的滑动 断续发生。 实际材料中 ，Ta纤维从 SiC中的拔 出，与以上 的结果相符 。 裂纹扩展 a.无界面剥离与滑动 b.界面滑动 c. 界面剥离 6.5.3 界面特性与裂纹扩展 n实际中不大采用(a)的模式，而(b)和(c)的模式与实 际比较接近。 n基体中裂纹扩展后，界面

12、发生剥离和滑动。 n一般是认为界面一旦发生了剥离，将其剪切应力 保持一定的值进行解析。 裂纹扩展时界面剥离的机理 (a)裂纹向界面接近 (b)主裂纹尖端的界面剥离 (c) 主裂纹与剥离界面的合体 在裂纹的尖端不仅存在有张应力，而且还有剪切应力 6.6界面的控制 界面断裂韧性 n耗散的能量 fr ，接触面积，滑动距离 n脱粘过程的能力吸收 Gi Gic 释放的形变能 临界值 n断裂的机制 张开型裂纹 =0 剪切型裂纹 =90 =tan-1（K/K） 界面对复合材料性能的影响 n界面特性 复合材料性能 界面黏结强度下降复合材料弹性模量下降 n但界面特性与复合材料性能的定量关系少 n界面参数 （强度

13、，韧性） n脆性组元的界面区域，尺寸与厚度相当的缺 陷 断裂力学模型 *c= dEc n吸收能量与韧性的关系 复合材料强度与界面层厚度的关系 优化的目标： 提高黏结强度 避免缺陷与应力集中 界面的控制 6.6.1 改变强化材料表面的性质 用化学手段控制界面的方法。例：在SiC晶须表 面形成富碳结构，在纤维表面以CVD或PVD 的方法进行BN或碳涂层。 目的： 为了防止强化材料（纤维）与基体间的反应，从 而获得最佳的界面力学特性。 改变纤维与基体间的接合力。 改变强化材料表面性质的方法 n等离子体改性：操作简便、无污染、改性层薄 n电化学改性：阳极氧化、电聚合改性 n辐照改性：温度任意、材料均匀

14、、适宜批量处理 n光化学改性：操作容易、时间短、工艺简单 n超声波表面改性：去除夹杂及氧化物，提高表面能 n臭氧氧化法：氧化能力强、速度快 改变强化材料表面的性质 n对SiC晶须表面采用化学方法处理后分析的结果。由C(1s)和Si(2p)的波谱可以看 出，有的地方存在SiO2，有的地方不存在SiO2。利用这样的表面状态的差来增强 界面的结合力。 6.6.2 向基体添加特定的元素 n在用烧结法制造复合材料的过程中，为了 有助于烧结，往往向基体添加一些元素。 n有时为了使纤维与基体发生适度的反应以 控制界面，也可以添加一些元素。 n在SiCPCS纤维强化玻璃陶瓷（LAS）中，添 加百分之几的Nb时

15、，热处理过程中会形成 NbC相，获得最佳界面，从而达到高韧化 的目的。 SiCPCS纤维强化 LAS中热处理时基 体微观组织变化 向基体添加特定的元素 场所复合前LAS 的成分 复合后的成分陶瓷化后的成分 基体 界面 二次相 核生成 Li2O, Al2O3, SiO2 Nb2O6 ZrO2 MgO LiAl(SiO3)2 NbC ZrSO4 MgOAl2O3 3SiO2 or 2MgO2Al2O3 6SiO2 Li2O, Al2O38SiO2 NbC ZrSO4 MgOAl2O3 3SiO2 or 2MgO2Al2O3 6SiO2 3Al2O3SiO2 添加特定的元素 n关于纤维与基体的反应，

16、已经进 行了不少的研究。但是以改善界 面状态为目的向基体中添加元素 还是一项比较新的课题。 6.6.3 强化材料的表面涂层 1）概述 n涂层技术的应用是实用的界面控制方法之 一。可以分为化学气相沉积（CVD）、物 理气相沉积（PVD）、喷镀和喷射等。使 用的涂层材料可以有C、BN、Si、B等多种 。 涂 层 的 效 果 表面涂层对SiCPCS纤维强化复合材料的弯曲断 裂行为的影响 纤维表面涂层材料及剪切强度对SiCPCS纤维强化SiC断裂方式 的影响 涂层材料涂层厚度 (m) 弯曲强度 (MPa) 界面剪切强度 (MPa) 断裂行 为 非涂层 Si B C C C C BN 0.17 0.60 0.08 0.17 0.28 0.60 0.16 8210 8810 10716 26261 42036 39021 36233 26693