第四章_4.2复合材料加工原理--复合材料的界面

Chapter 10 山东大学材料学院李丽编写 17
金属基复合材料的界面
Chapter 10
山东大学材料学院李丽编写
18
金属基复合材料的界面
界面结合状态对材料性能的影响（表4.12）： 界面结合状态对金属基复合材料沿纤维方向的抗张强度 有很大影响，对剪切强度、疲劳特性等也有不同程度的影 响。 对于纤维增强金属基复合材料，界面结合强度过高或 过低都不利，适当的界面结合强度才能保证复合材料具有 最佳的抗张强度。
界面增强的原则： （1） 改善树脂基体对增强材料的浸润程度。可采取延长浸润 时间、增大体系压力、降低熔体黏度以及改善增强体的结构等 措施。 （2） 适度的界面结合强度。采用偶联剂，分别与基体和增强 体反应，提高界面结合强度。 （3） 调节界面内应力和减缓应力集中。在增强体和基体之间 引入可变形的界面层可缓解应力集中，减缓裂纹扩展。
Chapter 10
山东大学材料学院李丽编写
11
金属基复合材料的界面
金属基复合材料的界面类型（表4.11）： （1）增强体与基体互不反应，亦互不溶解，机械结合为主。 （Ⅰ类界面） （2）增强体与基体互不反应，但能互相溶解，物理结合为主。 （Ⅱ类界面） （3）增强体与基体互相反应生成界面反应物，化学结合为主。 （Ⅲ类界面）
Chapter 10
山东大学材料学院李丽编写
15
金属基复合材料的界面
影响界面稳定的因素： （2）化学不稳定性 化学不稳定性因素主要与复合材料加工和使用过程中 发生的界面化学作用有关。主要指复合材料制造和使用中 界面通过扩散产生基体与增强体的化学反应，生成不希望 得到的脆性化合物。这种化合物的厚度达到一定时，复合 材料的强度会大幅度降低。
Chapter 10
山东大学材料学院李丽编写
7
4.2 复合材料的界面
适度的界面结合强度。界面结合太弱，复合材料在应力作 用下容易发生界面脱粘破坏，纤维不能充分发挥增强作用。若 界面结合太强．在应力作用下，材料易发生脆性破坏。
Chapter 10
山东大学材料学院李丽编写
8
（a）是加入MPP 相容剂的玻纤增强 体系，( a）中玻璃 纤维与基体的结合 较好，纤维拔出较 少.
第四章 复合材料加工原理
4.2 复合材料的界面
复合材料是由纤维、晶须或颗粒等增强体与基体（聚合物、 金属、陶瓷）复合而成，在增强体与基体之间便形成界面。 界面的性能对复合材料的性能起着决定性的作用。 复合材料组成： 基体 增强体
Reinforcement
Matrix
界面 Interface
Chapter 10 山东大学材料学院李丽编写 2
Chapter 10
山东大学材料学院李丽编写
4
4.2 复合材料的界面
1 基体与增强体的相容性 相容性包括物理相容性和化学相容性。 1）物理相容性又包括力学相容性和热相容性。 力学相容性指复合材料在应力作用下，组分材料之间的配 合程度。要求基体有足够的韧性、强度，能将外部载荷均匀 传递给增强材料，而不会产生局部应力集中。 热相容性指复合材料在温度变化下，组分材料之间的配合 程度。由于基体与增强体的热涨系数有差异，当基体凝固后 产生收缩，在界面处产生内应力。要尽量减小界面应力。 2） 化学相容性主要指基体与增强体之间有无化学反应。 化学反应会不同程度地损伤增强材料的性能。
Chapter 10 山东大学材料学院李丽编写 5
4.2 复合材料的界面
2 基体与增强体的润湿性 润湿性:液态基体在固态增强体表面的铺展能力。润湿 性好，才能保证液态基体对增强体的充分浸润，防止在界 面处出现空隙和缺陷。
Chapter 10
山东大学材料学院李丽编写
6
4.2 复合材料的界面
3 界面结合方式： （1）机械结合：依靠粗糙表面机械结合和依靠基体复合中的 收缩应力包紧增强体的摩擦结合。界面结合弱。 （2）物理结合：由两相间原子中电子的交互作用的行为，即 以范德华力、氢键结合，其作用力是短程的，只有几个原 子间距。界面结合弱。 （3）基体与增强体间无化学反应，但基体能润湿增强体，相 互之间发生一定程度的扩散和溶解，由范德华力、氢键、 金属键结合。界面结合增强。 （4）化学结合：基体与增强体之间发生化学反应，在界面处 生成化合物，利用共价键、离子键结合。界面结合强。
Chapter 10 山东大学材料学院李丽编写 13
金属基复合材料的界面
（3）强界面反应有大量界面反应产物，形成聚集的脆性相和 界面反应产物脆性层，造成纤维等增强体严重损伤，强度下降， 同时形成强界面结合。复合材料的性能急剧下降，甚至低于没 有增强的金属基体的性能。造成这种情况的工艺方法不可能制 成有用的金属基复合材料零件。 界面反应程度主要取决于金属基复合材料组分的性质、工 艺方法和参数。随着温度的升高．金属基体和增强体的化学活 性均迅速增高。温度越高和停留时间越久，反应的可能性越大， 反应程度越严重。因此，在制备过程中，严格控制制备温度和 高温下的停留时间，是制备高性能金属基复合材料的关键。
4.2 复合材料的界面
界面性能与基体与增强相之间的相容性、润湿性、界面反 应等有密切的关系。
Chapter 10
山东大学材料学院李丽编写
3
4.2 复合材料的界面
1 基体与增强体的相容性 相容性指复合材料在制造、使用过程中各组分之间相 互协调、配合的程度。
相容性关系到复合材料中的各组分材料能否有效发挥 其作用以及复合材料整体的结构和性能能否长期稳定。
Chapter 10
山东大学材料学院李丽编写
16
金属基复合材料的界面
改善金属基复合材料界面结合的方法 1. 增强体表面涂层。改善浸润性和阻止严重的界面反应。电 镀、化学镀，气相沉积。例如碳纤维增强铝基复合材料中， 由于纤维表面能很低，一般不能被铝浸润，但用化学气相 沉积(CVD))法在纤维表面上形成TiB2并含有氯化物，则铝 对其浸润能力不仅大大改善，而且遏制了碳-铝界面的不良 反应。 2. 金属基体合金化。例如，在铝合金基体中加入少量的Ti, Zr, Mg等元素，对抑制碳纤维和铝基体的反应，形成良好界面 结构，获得高性能复合材料有明显作用。 3. 优化工艺参数：制备温度、保温时间、冷却速度。
Chapter 10
山东大学材料学院李丽编写
19
金属基复合材料的界面
界面结合状态对材料性能的影响： 对于短纤维、颗粒增强复合材料，基体是主要承载体。 要求有足够高的界面结合强度，才能发挥增强效果。
Chapter 10
山东大学材料学院李材料的制备工艺要点： （1）强化相与基体相具有良好的润湿性； （2）强化相与基体相之间不能发生显著的化学反应； （3）强化相能在基体相中按照期望的方式分布。
a是玻纤增强PP的冲击试样的断口扫描电镜照片，
Chapter 10 山东大学材料学院李丽编写 9
从中可以看出，而 （b）中有大量的玻 纤从基体中拔出，证 明与基体的粘接性较 差，因而体系的力学 性能不高。
（b）是未加相容剂的玻纤增强体系。
Chapter 10 山东大学材料学院李丽编写 10
聚合物基复合材料的界面
Chapter 10
山东大学材料学院李丽编写
12
金属基复合材料的界面
界面反应及反应程度对界面结构及复合材料性能影响： （1） 弱界面反应有利于金属基体与增强体的浸润、复合和形 成最佳界面结合。这类界面反应轻微，无纤维等增强体损伤和 无性能下降，无大量界面反应产物。界面结合强度适中，能有 效传递荷载和阻止裂纹向纤维内部扩散。界面能起到调节复合 材料内部应力分布的重要作用。因此，希望发生这类界面反应。 （2）中等程度界面反应会产生界面反应产物，但没有损伤纤 维等增强体的作用，同时增强体性能无明显下降，而界面结合 则明显增强。由于界面结合较强，在荷载作用下裂纹向纤维内 部扩展而出现的脆性破坏。造成纤维增强金属的低应力破坏。 应控制制备过程工艺参数，避免这类界面反应。
许多纤维、陶瓷与金属基体的润湿性很差，必须进行 特殊的处理，如热处理、酸洗、表面涂覆、添加合金元素 等。
选择增强相时要考虑以下几个方面： 弹性模量、抗拉强度、密度、熔点、抗磨性、高温性能、 在化学及物理性能等方面是否能与基体匹配。 为了防止增强相与基体金属发生显著的化学反应： （1）尽量缩短强化材料暴露在金属液中的时间；（2）在 强化材料表层包覆一层惰性膜，防止两相接触。
Chapter 10 山东大学材料学院李丽编写 14
金属基复合材料的界面
影响界面稳定的因素： （1）物理不稳定性 物理不稳定性因素主要指在高温条件下增强体与金属 基体之间的熔融。表现在高温下增强体与基体存在化学位 梯度，纤维有可能向基体不断熔解和扩散，使得界面不稳 定、纤维损伤，复合材料强度降低。 例如钨丝增强镍基合金，由于复合成形的温度低，钨 丝并没有溶入合金而降低强度。但在1100℃左右50h后， 钨丝直径仅为原来的60％、说明钨已溶人镍合金中损失了 强度。