陶瓷基复合材料界面

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1、第四章第四章 陶瓷基复合材料界面陶瓷基复合材料界面界面的定义：两相（增强相与基体）的界面的定义：两相（增强相与基体）的界面界面是一个表是一个表面，通过这个表面材料的性能，如原子晶格、密度、面，通过这个表面材料的性能，如原子晶格、密度、弹性模量、热膨胀系数、拉伸强度、断裂韧性等都有弹性模量、热膨胀系数、拉伸强度、断裂韧性等都有明显的不连续性。明显的不连续性。复合材料的界面复合材料的界面 复合材料中的界面面积很大；复合材料中的界面面积很大； 通常情况下，增强相与基体组成的界面都没有达通常情况下，增强相与基体组成的界面都没有达到热力学平衡。到热力学平衡。第四章第四章 陶瓷基复合材料界面陶瓷基复合材料

2、界面4.1复合材料内的界面面积复合材料内的界面面积一块复合材料的长、宽、高别为一块复合材料的长、宽、高别为l、w、h，其中含有其中含有 N 根根长为长为 l、直径为直径为 d 的连续纤维，则纤维的体积分数为：的连续纤维，则纤维的体积分数为： 如果定义界面面积为如果定义界面面积为IA， 则有：则有：IA = N dl4.1复合材料内的界面面积复合材料内的界面面积从上面二式中可得：从上面二式中可得：设这块复合材料的体积为设这块复合材料的体积为 1 m2 ，Vf为为 0.25， 则有则有4.1复合材料内的界面面积复合材料内的界面面积 4.1复合材料内的界面面积复合材料内的界面面积对于颗粒增强的复合材

3、料来说，可以计算得到：对于颗粒增强的复合材料来说，可以计算得到：若若VP4.2复合材料内的界面晶体学性质复合材料内的界面晶体学性质从晶体学角度看，界面有共格、半共格和非共格三种。从晶体学角度看，界面有共格、半共格和非共格三种。4.2复合材料内的界面晶体学性质复合材料内的界面晶体学性质 4.3浸润性浸润性浸润性代表了一种液体在一种固体表面扩展的能力。浸润性代表了一种液体在一种固体表面扩展的能力。 4.3浸润性浸润性当一个液滴在固体界面时，在热力学上只有当一个液滴在固体界面时，在热力学上只有 sl + lv sv液滴才能在固体表面扩展开来。液滴才能在固体表面扩展开来。 达到平衡的条件是：达到平衡的

4、条件是： sl + lv cos = sv其中其中 就是接触角：就是接触角： 4.3浸润性浸润性 = 0时，液体完全浸润固体；时，液体完全浸润固体； 0 90时就认时就认为不发生液体浸润。为不发生液体浸润。 浸润与界面的粘结是不同的，浸润只是强粘结界面的必要浸润与界面的粘结是不同的，浸润只是强粘结界面的必要条件，而非充分条件。条件，而非充分条件。4.4陶瓷基复合材料界面的粘结陶瓷基复合材料界面的粘结两相界面的粘结（粘接、粘合或粘着等）方式有多种，如两相界面的粘结（粘接、粘合或粘着等）方式有多种，如静电粘结、机械作用粘结、浸润粘结、反应粘结等等。静电粘结、机械作用粘结、浸润粘结、反应粘结等等。对

5、于陶瓷基复合材料来讲，界面的粘结形式主要有两种，对于陶瓷基复合材料来讲，界面的粘结形式主要有两种，即机械粘结和化学粘结。即机械粘结和化学粘结。 机械粘结机械粘结 由于基体的收缩率较大，冷却收缩后基体将增强相包裹产由于基体的收缩率较大，冷却收缩后基体将增强相包裹产生压应力。生压应力。 通过渗透、高温扩散等基体渗入或浸入增强纤维的表面而通过渗透、高温扩散等基体渗入或浸入增强纤维的表面而形成机械结合。形成机械结合。4.4陶瓷基复合材料界面的粘结陶瓷基复合材料界面的粘结界面的剪应力界面的剪应力 为：为： i = i 为摩擦系数，为摩擦系数，机械粘结为低能量机械粘结为低能量弱粘结，其界面强度较弱粘结，其

6、界面强度较化学粘结低。化学粘结低。4.4陶瓷基复合材料界面的粘结陶瓷基复合材料界面的粘结 化学粘结化学粘结通过原子或分子的扩散在界面上形成了固溶体或化合物，通过原子或分子的扩散在界面上形成了固溶体或化合物，此时即为化学粘结。此时即为化学粘结。扩散控制的反应中，有扩散控制的反应中，有其中，其中，x 是反应区的厚度，是反应区的厚度，D是扩散系数，是扩散系数，t 则为时间。而且则为时间。而且 D 可按照可按照Arrhenius方程计算：方程计算：4.5陶瓷基复合材料界面的作用陶瓷基复合材料界面的作用4.5.1界界面的作用面的作用4.5陶瓷基复合材料界面的作用陶瓷基复合材料界面的作用4.5陶瓷基复合材料界面的作用陶瓷基复合材料界面的作用4.5.2 界面的改善界面的改善4.5陶瓷基复合材料界面的作用陶瓷基复合材料界面的作用