6第六章-金属基复合材料的界面及其表征
金属基复合材料界面
金属基复合材料界面金属基复合材料界面是指由金属基体和其他材料相互作用形成的界面。
金属基复合材料是一种重要的结构材料，在航天、航空、汽车制造等领域发挥着重要作用。
而界面则是金属基复合材料性能的关键因素之一，影响着材料的力学性能、热学性能、电学性能等。
金属基复合材料界面的特点主要包括界面强度、界面形态以及界面反应等。
首先，界面强度是指金属基复合材料界面的抗剪强度，决定了材料的强度和韧性。
界面形态则是指金属基复合材料界面的结构形貌，包括界面的平整度、均匀度等。
最后，界面反应是指金属基复合材料界面处发生的化学反应，影响着材料的稳定性和使用寿命。
金属基复合材料界面的研究主要包括界面强度的测试方法以及界面的表征技术。
一般来说，界面强度可以通过剪切测试、拉伸测试等方法进行测量。
剪切测试是将金属基复合材料的界面置于剪切载荷下，通过测量界面之间的滑动距离和加载力来计算界面的剪切强度。
拉伸测试则是将金属基复合材料的界面置于拉伸载荷下，通过测量界面的断裂强度和断裂面积来计算界面的拉伸强度。
界面的表征技术主要包括电子显微镜观察和X射线衍射分析等。
电子显微镜观察可用于观察金属基复合材料界面的形貌和结构特征，如界面的平整度、均匀度以及异质相等。
X射线衍射分析则可以用于分析界面处的晶体结构和相变行为，从而揭示界面反应的机制和影响因素。
金属基复合材料界面的性能调控主要包括三个方面，即界面结构调控、界面化学调控以及界面力学调控。
界面结构调控主要是通过改变复合材料的结构和工艺参数来调控界面的形貌和结构特征，从而改善界面的强度和稳定性。
界面化学调控则是通过引入中间相或质量扩散来调控界面的化学反应，从而提高界面的稳定性和抗氧化性能。
界面力学调控主要是通过改变金属基复合材料的力学性能来调控界面的剪切强度和散射行为，从而提高界面的强度和韧性。
总之，金属基复合材料界面是一种关键的材料界面，影响着金属基复合材料的力学和热学性能。
了解金属基复合材料界面的特点和性能调控方法，对于开发高性能金属基复合材料具有重要意义。
5.第六章 复合材料的性能及表界面
若按比强度计算，玻璃纤维增强的树脂基复合材 比强度计算 若按比强度计算，玻璃纤维增强的树脂基复合材 料不仅超过碳钢 而且可超过某些特殊合金纲 碳钢， 合金纲。 料不仅超过碳钢，而且可超过某些特殊合金纲。 碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃 碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃 复合材料 复合材料具有比 纤维复合材料更低的密度和更高的强度， 纤维复合材料更低的密度和更高的强度，因此具有更 复合材料更低的密度和更高的强度 高的比强度。 高的比强度。
复合材料既能保留原组分材料的主要特色， 复合材料既能保留原组分材料的主要特色，并 通过复合效应获得组分材料所不具备的性能， 通过复合效应获得组分材料所不具备的性能，还可 以通过材料设计 材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关 以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关 联，从而获得新的性能。 从而获得新的性能。 复合材料设计：选择复合材料的组分、 复合材料设计：选择复合材料的组分、增强体 复合材料的组分 分布和复合材料制造工艺、使其具有使用所要求的 分布和复合材料制造工艺、使其具有使用所要求的 性能过程。 性能过程。 过程
复合材料设计可分为三个层次：单层材料设计、 复合材料设计可分为三个层次：单层材料设计、铺 可分为三个层次 设计 层设计、结构设计。 设计、结构设计。 设计 单层材料设计包括正确选择增强材料、基体材料及 单层材料设计包括正确选择增强材料、基体材料及 包括正确选择增强材料 共配比，该层次决定单层板的性能； 共配比，该层次决定单层板的性能； 铺层设计包括对铺层材料的铺层方案做出合理的安 铺层设计包括对铺层材料的铺层方案做出合理的安 包括对铺层材料的铺层方案 排，该层次决定层合板的性能； 该层次决定层合板的性能； 结构设计则最后确定产品结构的形状和尺寸。 结构设计则最后确定产品结构的形状和尺寸。 则最后确定产品结构的形状和尺寸 上述三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。 上述三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。
复合材料的界面
⑤叠氮型硅烷偶联剂
28
偶联剂的品种及其应用范围 偶联剂能有效地提高玻璃纤维与树脂基体的粘结强度，
所以，国内外都进行了大量的研究工作。目前国内生产的 常用偶联剂有沃兰、A—151、KH—550、KH—560、 ND—42、B—201、B—202等。经每种偶联剂处理后的 玻璃纤维，都有自己相应的树脂基体适用范围。 Eg: 1)、KH—570对不饱和聚配树脂处理效果最好； 2）、A—151、A—172对1，2－聚丁二烯树脂和丁苯树 脂最有效； 3）、KH—560对环氧树脂最好； 4）、KH—550对酚醛树脂、聚酰亚胺效果最好； 5）、沃兰处理的玻璃纤维对大部分树脂都有较好效果， 且价格便宜，是一种最常用的偶联剂。
35
碳纤维表面经氧、氯、氨、烯烃、炔烃等各种气体等离子 体处理后，其物化性能发生显著变化，最重要的有如下几方 面。
①表面浸润性的变化 碳纤维表面经等离子体处理后，其被浸润速度和浸润吸附 量均有显著增加。 ②强度和直径的变化 实质上等离子体处理是对纤维表面作了蚀刻，碳纤维强度 和直径都会受影响 ③表面组成的变化 有机等离子体一般由有机气体自由基组成，在碳纤维表面 形成聚合层。
饱和双键的反应为例：
23
新品种硅烷偶联剂 硅烷偶联剂是偶联剂中最重要的一大类型，除了目前已广泛 应用的几十种外，近来又开发了许多新的品种，下面介绍主 要的几个品种。 ①耐高温型硅烷偶联剂
24
②过氧化物型硅烷偶联剂 特点：一是偶联作用的获得是通过过氧化物热裂解，
而不是通过烷氧基团的水解；二是偶联作用不局限于玻 璃纤维增强塑料，而是适用于一大类相似或不相似物质 之间的偶联。
31
(1)表面浸涂有机化合物 将碳纤维像纺织中的浆纱一样，使与含有反应性端
《复合材料原理》金属基复合材料界面控制 ppt课件
金具有很好的润湿性，润湿性好，才能充填
纤维束和丝之间的间隙。基体改性很少采用。
ppt课件
23
3 界面反应与界面控制
3.1基体改性
溶质元素可以减少碳纤维的溶解和界面反应：
提高活化能，减少碳纤维溶解 阻止碳在反应产物中的扩散
System Al-C E103
0.43
(Al/Fe)-C (Al/Ga)-C
复合材料原理
ppt课件
1
第九讲 金属基复合材料界面控制
1 强结合及其失效机制 2 界面问题与纤维涂层 3 界面反应与界面控制
ppt课件
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
0.23
0.38
System (Al/Zn)-C (Al-Mg)-C (Al-Si)-C
E103 4.8
6.0
7.1
溶质元素对C在Al中溶解的影响 ppt课件
Al4C3速度常数 24
3 界面反应与界面控制
3.1基体改性
溶质元素在界面偏聚形成溶解和反应阻挡层：
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25
3 界面反应与界面控制
表面涂层处理： (1) 改善润湿性，提高界面结合强度 (2) 防止过渡界面反应，降低界面脆性
ppt课件
11
2 界面问题与纤维涂层
2.1 界面化学反应
涂层能控制界面反应，有了涂层基体元素越过涂 层扩散与纤维发生反应或纤维元素越过涂层扩散 与基体反应将受到抑制。
80
扩散控制的反应层厚度
复合材料的界面及复合原则
体育器材领域
复合材料在体育器材领域的应用也十分广泛，主要应用于制造高性能的体育器材和装备。复合材料具 有轻质、高强度、抗冲击等优点，能够提高体育器材的性能和使用安全性。
例如，碳纤维复合材料可以用于制造高级自行车架、高尔夫球杆、滑雪板等体育器材，能够显著提高 器材的刚性和减震效果。同时，复合材料还可以用于制造运动鞋和运动服等装备，提高运动员的竞技 表现和舒适度。
向控制工艺。
03
复合材料结构的可设计性
提高复合材料结构的可设计性是实现其高性能的关键。通过发展先进的
计算设计和模拟技术，可以预测和控制复合材料的结构和性能，实现高
性能复合材料的快速研发。
THANKS
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复合材料面临的挑战与解决方案
01
界面性能控制
复合材料的界面性能对其整体性能具有重要影响，但界面性能的调控仍
面临挑战。解决方案包括优化界面设计、改进制备工艺和引入新型界面
改性技术等。
02
增强材料的分散与取向
增强材料的分散和取向对复合材料的力学性能和功能性能有显著影响。
解决这一问题需要深入研究增强材料的物理和化学性质，优化分散和取
面能等因素。
提高界面粘附力的方法包括选择合适的粘合剂、对材料表面进
03
行预处理、优化复合工艺等。
界面稳定性
01
界面稳定性是指复合材料在长 期使用过程中保持其性能不变 的能力，它与材料的耐久性和 可靠性密切相关。
02
界面稳定性取决于组分之间的 化学键合、物理相互作用以及 环境因素如温度、湿度和化学 介质的影响。
复合材料的界面及复 合原则
目录
• 引言 • 复合材料的界面特性 • 复合原则 • 复合材料的应用 • 结论
金属基复合材料界面
华东理工大学2012－2013学年第二学期《金属基复合材料》课程论文2013.6班级复材101 学号10103638 温乐斐开课学院材料学院任课教师麒成绩浅谈金属基复合材料界面特点、形成原理及控制方法摘要金属基复合材料都要在基体合金熔点附近的高温下制备，在制备过程中纤维、晶须、颗粒等增强体与基体将发生程度不同的相互作用和界面反应，形成各种结构的界面。
界面结构和性能对金属基复合材料的性能起着决定性作用。
深入研究和掌握界面反应和界面影响性能的规律，有效地控制界面的结构和性能，是获得高性能金属基复合材料的关键。
本文简单讨论一下金属基复合材料的界面反应、界面对性能的影响以及控制界面反应和优化界面结构的有效途径等问题。
前言由高性能纤维、晶须、颗粒与金属组成的金属基复合材料具有高比强度、高比模量、低热膨胀、耐热耐磨、导电导热等优异的综合性能有广阔的应用前景，是一类正在发展的重要高技术新材料。
随着金属基复合材料要求的使用性能和制备技术的发展，界面问题仍然是金属基复合材料研究发展中的重要研究方向。
特别是界面精细结构及性质、界面优化设计、界面反应的控制以及界面对性能的影响规律等，尚需结合材料类型、使用性能要求深入研究。
金属基复合材料的基体一般是金属、合金和金属间化合物，其既含有不同化学性质的组成元素和不同的相，同时又具有较高的熔化温度。
因此，此种复合材料的制备需在接近或超过金属基体熔点的高温下进行。
金属基体与增强体在高温复合时易发生不同程度的界面反应；金属基体在冷凝、凝固、热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相变等。
这些均使金属基复合材料界面区的结构十分复杂，界面区的结构及组成明显不同于基体和增强体，其受到金属基体成分、增强体类型、复合上艺参数等多种因素的影响。
在金属基复合材料界上出现材料物理性质（如弹性模量、线胀系数、热导率、热力学参数）和化学性质等的不连续性，使增强体与基体金属形成了热力学不平衡的体系。
第6章-2 金属基复合材料的界面及其表征
6.2.6.2 界面对金属基复合材料力学性能的影响
界面结合强度对复合材料 的冲击性能影响较大。纤维 从基体中拔出，纤维与基体 脱粘后，不同位移造成的相 对摩擦都会吸收冲击能量， 并且界面结合还影响纤维和 基体的变形能力。
三种复合材料的典型冲击载荷－ 时间关系曲线
1－弱界面结合 2－适中界面结合 3－强界面结合
1
界面组成及成分变化
2
界面区的位错分布
3
界面强度的表征
4
界面残余应力的测定
5 界面结构的高分辨观察及其原子模拟
10
6.3.1 界面组成及成分变化
确定界面上有无新相形成是界面表征的主要内容之一。新相可能是 增强体与基体通过扩散反应而在界面处形成的新相, 也可能是基体组 元与相界处杂质元素反应在界面处优先形核而成为新相。 一般情况下常用明场像或暗场像对界面附近区域形貌进行观察, 通 过选区衍射和X射线能谱进行微区结构和成分分析。 当析出物十分细小时, 可采用微衍射和电子能量损失谱来分析其结 构和成分, 电子能量损失谱尤其适合于对C、O等轻元素的分析。可 以准确判知界面析出物的结构、成分和形貌特征。
1、金属基复合材料界面可分成哪些类型？请分别举 例说明不同类型界面的特征。 2、金属基复合材料的界面结合有哪几种？什么样的 界面结合对力学性能更有利？
3
6.2.6 界面对性能的影响
不同类型和用途的金属基复合材料界面的作用和最佳界面结构 性能有很大差别。
纤维增强脆性基体复合材料的微观断裂模型 （a）纤维“桥接” （b）裂纹穿过纤维造成脆断
11
挤压铸造Al18B4O33w /Al-2.5%Mg 复合材料界面 TEM 照片
4Al18B4O33+33Mg = 33MgAl2O4+6Al+16B
金属基复合材料界面
华东理工大学2012-2013学年第二学期《佥属基复合材料》镌程论丈2013.6班级复材101学号10103638 温乐斐开课学院材料学院任课教师成绩________________________论文题目：戎淡全属基复合材料界而特盍、形成原理及控制方法怡文要求:疫下列题a中迪挣一题作为课他临丈题于以*题・全為晟复合材料界面特点•形成廉理和控制方法。
・阐述一科液态比制羞工艺及讨论工艺条件对全寓晟复合材料性能的彩响。
・长纤维增强全為墓复合材料设计中主要彩响因索和鮮决方法（举例说朗丿。
二•课程论丈形比要求兜整的课程论丈要有題目，摘要，正丈和参考丈欷5个部分级成。
正丈字救不少于1500字。
X.课穩论丈格此要求■A4缄.单面肘印。
■页而设逍：左.右.下边距为2.5厘卷，上边.距为2.8厘耒。
■正丈用宋体小4号，字间距设逍为“标准”，段隊设.更为=• 25得行距”。
正丈中所冇非汉字均用Times New Roman体。
表名伐.于表的正上方，用宋体小五号粗体，图的大小不超过8X8crn,图名位于图的正下方，用家体小五号粗体。
■数学公扎用斜体，须有编号。
若有多考丈故，其格扎为“参考文故”居中，用黑体小4号，菁录的彖应荷仝国求标准（参見《华东理工大学学圾》人切•兜成对间■6月19日中午门:00的交至冬逬学习委员后送校和平極303玄。
教师评语:教师签字：年月目发淡全属基复合材料界面特点・形成原理及控制方法摘要全属基复合材坍都要在基体合全竦点附近的需温下制备，在制备过程中纤维・晶须、鞭粒等增强体与基体将发生程度不同的相互作用和界面反应，形成各种结构的界面。
界面结构和性能对金属基复合材料的性能起着决岌性作用。
滦入研死和拿握界面反应和界面影响性能的规律，有效地桂制界面的结构和性能，是获得需性能全厲基复合材料的矢健。
本丈简单讨论一下金厲基复合材料的界面反应、界面对性能的影响以及技制界面反应和优化界面结构的有效涂径等问題。
金属基复合材料界面特征与力学性能
工业技术96 2015年35期金属基复合材料界面特征与力学性能肖伟利山东核电设备制造有限公司，山东烟台 265118摘要：随着金属基复合材料应用要求的不断提高，研究其界面特征与力学性能凸显出重要意义。
本文首先对相关内容做了概述，分析了复合材料微结构拓扑优化，并结合相关实践经验，研究了MMC的制备工艺和制备方法，提出了个人看法。
关键词：金属基复合材料；界面特征；力学性能中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)35-0096-011 前言作为金属基复合材料应用中的重要工作，对其界面特征与力学性能的研究在近期得到了广泛关注。
该项课题的研究，将会更好地提升对其界面特征与力学性能的掌控水平，从而有效优化金属基复合材料在实际应用中的整体效果。
2 概述金属基复合材料界面，乃至所有复合材料界面都是外载荷从复合材料基体传递给增强体的主要媒介。
复合材料界面的性质在很大程度上决定复合材料的性能。
对金属基复合材料来说，其增强体常为陶瓷粒子或金属间化合物相吸各种纤维，所以其界面的原子结构、化学成分和原子键结合类型不同于界面两侧的材料，且在界面上更容易发生化学反应。
尽管在界面上产生一个反应层是增强体与基体牢固结合所需要的，但反应层过量生长将直接影响复合材料的力学性能。
实际上，金属基复合材料的屈服；断裂、疲劳强度以及裂纹扩展行为等均与界面反应层厚度有关系，再者，其使用条件的选择，使用寿命如何也均主要依赖界面特性。
所以，只有深入了解金属基复合材料的界面微结构、界面反应和界面稳定性等界面特性，建立界面结构特性因素与力学性能指标之间的数学模型，才能在深层、次层上阐明界面特征与力学性能间的关系，以达到利用“界面工程”发展新型高性能复合材料的目的。
3 复合材料微结构拓扑优化研究结构拓扑优化是结构形状优化的发展，是布局优化的一个方面。
当形状优化逐渐成熟后，结构拓扑优化这一新的概念就开始发展，现在拓扑优化正成为国际结构优化领域一个最新的热点。
4 复合材料界面
2、界面的六类结合类型（1）
(1)机械结合。
基体与增强材料之间没发生化学反应，纯粹靠机械连接。
这种结合是靠粗糙的纤维表面和基体产生摩擦力而实现 的，因此只能承受正向载荷。 I类界面属这种结合，具有这类界面结合的复合材料的 力学性能差，不宜作结构材料使用。
四、界面的分类（基体与增强体的相互作用类型）
金属基复合材料大都在高温下制造，其界面比聚合物基复合材料复杂得 多。根据增强物和基体的相互作用情况，界面可以归纳为三种类型。 I类界面：基体与纤维不互相作用，也不互溶。 I类界面相对而言是比较 平整的，而且只有分子层厚度，界面除了原组成物质外，基本上不含其 他物质； Ⅱ类界面：基体与纤维间不发生化学反应，但互溶； Ⅱ 类界面为原组成 物质构成的犬牙交错的溶解扩散界面，基体的合金元素和杂质可能在界 面上富集或贫化； Ⅲ类界面：基体与纤维间发生化学反应，在界面上生成化合物。 Ⅲ类界 面则有亚微米级左右的界面反应产物层。 应当指出，各类界面间没有严格的界限，在不同条件下同样组成的物质， 或在相同条件下不同组成的物质可以构成不同类型的界面。 准I类界面。例如，在Cu-W复合材料中，如果基体是纯Cu，形成I类界面； 如果基体是Cu-Cr合金，形成Ⅱ类界面；如果基体是Cu-Ti合金，则合金中 的Ti将与W发生反应而形成Ⅲ类界面。
界面与表面的不同
表面和界面是材料密度、成分和结构急剧变化的区域，表 面和界面上分子间的作用力与内部不同，晶体结构也不同。 肉眼观察的固体表面，即使是光洁度非常高的平面，微 观上也是凸凹不平的。银、铜表面，即使磨成镜面，凸凹 度也有0.1mm，比分子尺寸大得多。 固体表面也可分成技术表面、清洁表面和纯表面三种。 技术表面是经过加工的表面，表面上存在氧化物、油污和 水分等物。 清洁表面是从技术表面上除去氧化物、水分和有机物之后 的表面； 纯表面是从清洁表面上除去一切污染物和不纯物质的表面， 这种表面只有在高真空条件下才能获得和保存。 金属表面极易氧化。因此技术表面和清洁表面上都存在 氧化层。纯表面一旦脱离真空，也很快氧化，成为技术表 面或清洁表面。
金属基复合材料的界面微观结构与力学性能研究
金属基复合材料的界面微观结构与力学性能研究金属基复合材料由金属基体和强化相组成，具有优异的力学性能和良好的工程应用前景。
在金属基复合材料的力学性能中，复合界面的微观结构起着关键作用。
本文将探讨金属基复合材料的界面微观结构与力学性能的研究。
1. 金属基复合材料的界面结构金属基复合材料的界面结构是指金属基体与强化相之间的结构特征。
界面的微观结构决定了力学性能的优劣。
其中，界面的结晶度、化学成分均会影响力学性能。
以铝基复合材料为例，硅化物在金属基体中的分布方式、界面的结晶度以及界面的塑性变形等因素均对力学性能有着重要影响。
2. 界面结构与材料强度的关系界面结构对材料的强度具有重要影响。
研究表明，界面结晶度高、接触面积大的复合材料具有更高的强度。
这是因为结晶度高的界面可以有效抑制裂纹扩展，提高材料的抗拉强度。
另外，界面的接触面积大可以增加原子间的相互作用力，从而增加材料的韧性。
3. 界面结构与材料的塑性变形能力除了影响材料的强度外，界面结构还会对材料的塑性变形能力产生影响。
界面能够阻止晶体滑移，从而抑制材料的塑性变形。
如果界面结晶度低，会导致界面的塑性变形更易发生，从而影响材料的韧性和延展性。
因此，界面的结晶度对于金属基复合材料的塑性变形能力具有重要意义。
4. 界面结构与疲劳性能的关系疲劳性能是金属基复合材料工程应用中需要考虑的重要因素。
界面结构对材料的疲劳性能影响较大。
较为均匀的界面分布可以有效地抑制裂纹扩展，提高材料的疲劳寿命。
此外，良好的界面结晶度有助于维持材料的结构完整性，从而提高疲劳性能。
综上所述，金属基复合材料的界面微观结构与力学性能有着密切的关系。
界面结构的优化可以提高材料的强度、塑性变形能力和疲劳性能。
在今后的研究中，应重点关注界面结构的调控与优化，以进一步提高金属基复合材料的力学性能。
第6章 复合材料的界面(6)
对晶化前后界面的剪切强度做了测定， 对晶化前后界面的剪切强度做了测定，发现从 11.5MPa降低到 降低到3.2MPa。这是因为晶化处理前后界 降低到 。 面的微观结构发生了变化， 面的微观结构发生了变化，使得界面的剪切强度下 另外， 转化的过程中， 降。另外，在Nb2O5向NbC转化的过程中，希望能尽 转化的过程中 量少的产生CO、CO2等气体。 等气体。 量少的产生 、 关于纤维与基体的反应，已经进行了不少的研究。 关于纤维与基体的反应，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 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。 一项比较新的课题。
粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。 粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。
溶解和润湿结合。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶解， 2) 溶解和润湿结合。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶解，形成
结合。界面是溶质原子的过渡带。 结合。界面是溶质原子的过渡带。
反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，在界面上生成化合物， 3) 反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，在界面上生成化合物，使基体和
三、 界面反应
研究界面反应的必然性和重要性： 研究界面反应的必然性和重要性： 研究界面反应的目的： 研究界面反应的目的： 选择最佳的材料组合和制造工艺， 选择最佳的材料组合和制造工艺，以得 到 最佳的材料性能。 最佳的材料性能。
1.界面反应的种类 界面反应的种类
(1) 基体与增强材料间不生成化合物，只生成固溶体。 基体与增强材料间不生成化合物，只生成固溶体。 在界面上生成的固溶体并不导致复合材料性能的降低， 在界面上生成的固溶体并不导致复合材料性能的降低， 主要是增强材料消耗使强度降低。 主要是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， 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程中保持不变， 散原子的浓度在整为半无限的物体， 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： 浓度无关。扩散的菲克第二定律如下：
第六章 复合材料的表界面
硅醇的硅羟基之间以及硅醇硅羟基不玻纤表面硅羟基之间形 成氢键
R Si O H O H O Si O H H O Si H O R Si O H O H H O R Si
硅羟基之间脱水形成-Si-O-Si-键
R O Si O Si O O
R Si O Si O
硅烷偶联剂与玻纤表面以Si－O－Si化学键结合，同时 在玻纤表面缩聚成膜，形成了有机R基团朝外的结构
6.扩散理论
此理论是BOROZncui等首先提出来的。该理论认为 高聚物的相互粘结是由表面上的大分子相互扩散所致。 如图所示，两相的分子链互相扩散、渗透、缠结，形成 了界面层。扩散过程与分子链的相对分子质量、柔性、 温度、溶剂、增塑剂等因素有关。相互扩散实质上是界 面中发生互溶、黏结的两相之间界面消失，变成了一个 过渡区域，因此对黏结强度提高有利。当两种高聚物的 溶解度参数接近时，便容易发生互溶和扩散，得到比 较高的黏结强度。 必须指出，扩散理论有很大的局限性，高聚物黏结剂与 无机物之间显然不会发生界面扩散问题，扩散理论不能 用来解释此类黏结现象。
6.3.2、钛酸酯偶联剂
与无机填料 表面反应 决定特性的 基团
R-O-Ti-(O-X-R’-Y )n
与聚合物以及 填料发生交联
决定特性的 基团
保证和聚合物 的相容性
(RO)m Ti - (OX-R’-Y)n
(RO)为钛酸酯和无机填料进行化学结合的官能团； -Ti(Ox)部分为钛酸酯的有机骨架，与聚合物的羧基之 间进行相互交换，起酯基和烷基转移反应；
复合材料为什么会产生协同效应呢？性 能上的特点应从结构上寻找原因。
图：纤维增强塑料复合前后的结构示意图
为什么复合材料的断裂能比其组成材料树脂和 纤维要大很多倍呢 ? 且看下面图的复合材料破坏过程中的能量吸收
复合材料的复合理论与界面
复合材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂， 但塑性很和韧性好的基体能组织裂纹的扩展。
纤维受载断裂时，断口不可能都在一个平面上，从而使材 料的抗拉强度大大提高，同时断裂韧度也增加。
因为混杂复合兼有两种或多种材料的特征，在性能方 面可起到互相弥补的作用，由此扩大了材料设计的自 由度。
另外，采用价格昂贵的高性能增强纤维与一般性能的 廉价纤维混杂使用，可望受到较好的经济效果。
目前，混杂复合已趋于多样化，对增强体，在混杂的 纤维增强体中又加入颗粒增强体；基体也混杂了属性 不同的材料，成为混杂体。
纤维排布有两种方式：一种是将纤维编制成纤维布， 这种材料在二维方向上性能优越；另一种是纤维分层 单向排布，层间纤维成一定角度。前一种材料用于平 板构件或曲率半径较大的壳体构件，后一种材料可以 根据构件的形状用纤维缠绕的方法制成所需形状的壳 层状构件。
二维多向纤维增韧陶瓷基复合材料的韧化机理与单向 排布复合材料一样，也主要是靠纤维的断裂、纤维的 拔出与裂纹转向使其韧度及强度比基体材料大幅度提 高。
3.良好的减振性能
纤维增强的复合材料具有良好的减振性能，主要 有两方面的原因： 纤维增强复合材料的自振频率高，一般工作条件下很 难达到这样的高频率，因此这种材料制成的构件在工 作状态下不易发生共振现象； 大量的纤维与基体界面有吸收振动能量的作用，阻尼 特性好，振动很很快衰减。
复合材料良好的减振性能，使其在精密控制和精密检 测的仪器、仪表方面得到广泛应用。
2.抗疲劳与断裂安全性能好
复合材料对缺口、应力集中的敏感性小，特别是纤 维增强的树脂基复合材料，基体良好的强韧性降低了 裂纹扩展速度，大量的纤维对裂纹又有阻隔作用，具 有较高的疲劳强度。
第六章 复合材料 材料科学基础课件
纤维增强复合材料的机理：
1。微细的增强纤维因直径较小，产生裂纹的几率降低。
2。纤维在基体中，彼此隔离，纤维表面受到基体的保， 护，不易受到损伤，不易在承载中产生裂纹，增大承载力。
3。纤维在基体中，即使有些裂纹会断裂，但基体能阻止 裂纹扩展。
三.聚合基粒子复合材料
1. 粒子增强聚合物 (1).电绝缘材料 (2).钙塑材料 聚氯乙烯塑料.聚乙烯钙塑料和聚丙烯钙塑料 (3).耐磨材料 (4).粒子增强橡胶 主要的补强剂是炭黑 2. 粒子分散质增强机理 粒子分散质增强机理认为.填料粒子的活性表面能与若干高分子链 相结合形成一种交联结构.为了提高增强效果,可对填料粒子进行
与则,适合于 容易产生气泡 长纤维增强体系
B-Al,SiC-Al,C-Al,WAl,
温度低,纤维损伤小 基体有限制,容易 W-Ni,W-Cu, B-Al, 产生气泡,效率低
不损伤纤维
容易产生气泡,效 Be-Al, B-Al, C-Al 率低
纤维取向规则,浸润好, 时间较长 温度较低,界面反应不 严重
纤维增强金属基复合材料界面的类型 I。纤维与基体互不反应、互不溶解的界面。 II。纤维与基体不反应、但相互溶解的界面。 III。纤维与基体反应形成界面反应层。
界面结合的类型
I。机械结合：借助增强纤维表面凹凸不平的形态而产生的
机械铰合和基体与纤维之间的摩擦阻力形成。
II。溶解与侵润结合：液态金属对增强纤维的侵润，而
三.高性能纤维增强塑料
用各种高强度.高模量纤维来增强高强聚合物,可得到比强度高,刚 性好,抗蠕变的高性能复合材料. 1. 碳纤维增强聚合物复合材料
碳纤维增强环氧是强度,刚度,耐热性均好的复合材料.质轻而且 耐腐蚀,缺点是造价高 2. 芳香族聚酰胺纤维增强塑料 即芳纶纤维,与树脂基体相容性好,具有优异的性能且价格低于碳 纤维复合材料,具有发展前途
金属基复合材料界面问题课件.ppt
———
2．界面的作用
2024散射与吸收效应、诱导效应及不连续效 应。
传递效应：是指界面可以将外力通过基体传递给增强体，起连接基体与增强 体的作用。
阻断效应：是指界面具有阻断裂纹扩展、延缓应力集中的作用。 散射与吸收效应：是指界面具有透光、隔热、隔音、吸振、耐热冲击的性能。 诱导效应是指界面使周围物质的结构发生改变，从而产生出一系列特殊的性 质。不连续效应是指界面的物理不连续性。
产生界面反应产物一脆性相 ：界面反应结果形成各种类型的化 合物,如A14C3、AIB2、A12MgO4、MgO、Ti5Si3、TIC等。
造成增强体损伤和改变基体成份 ： 严重的界面反应使高性能纤 维损伤。
界面反应还可能改变基体的成份。
———
主要的界面问题：
1.界面反应及其控制途径: 2.界面微结构及其表征: 3.界面结构特性对微观、宏观性能的影响: 4.界面结构与复合材料组分的关系: 5.界面稳定性: 6.界面的优化设计和优化界面的有效途径
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2024/10/8
Cf/Al复合材料界面反应工艺控制
在现有的金属基复合材料体系中， Cf/Al复合材料对界面是最为敏感的， 甚至成为复合材料能否成功应用的关键技术障碍一般地,C 与 Al的复合界面在 773K便可生成 Al4C3
三方面的危害： 1.呈脆性，可降低界面在复杂应力下传递载荷的作用; 2.会导致碳纤维损伤，降低纤维的承载能力 3.易于水解，潮湿环境下易腐蚀。
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3．界面的类型
3.界面分类
2024/10/8
•结合的原理 机械结合 化学结合
•相互作用
既不反应又不扩散 不反应但溶解扩散 界面反应
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4.界面反应
4.1界面过程 （1）界面的吸附和偏聚 （2）扩散和传质 （3）成核和生长 （4）界面化学反应
6第六章-金属基复合材料的界面及其表征
（1）铝及铝合 金复合材料
1.铝－碳系 2.铝－硼系 3.铝－碳化硅系 4.铝－氧化铝系 5.铝－铁系
08.08.2021
（2）钛及钛合 金基复合材料
08.08.2021
2
6.2界面的特征
金属基复合材料的基体一般是金属合金，此种复合材料的制 备需在接近或超过金属基体熔点的高温下进行。金属基体与增 强体在高温复合时易发生不同程度的界面反应；金属基体在冷 却、凝固、热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相 变等。这些均使金属基复合材料界面区的结构十分复杂。
18
图6-6 复合材料强度与热暴露时间的关系
复合材料在热暴露过程中拉伸强度与时间关系的曲线 类型如图6-6所示。若干金属基复合材料体系的相容性 情况归纳在表6-2中。
08.08.2021
19
表6-2 金属基复合材料体系的相容性
纤维
基体（图层）
热暴露时间 h
热暴露温度 ℃
曲线类型 （图6-2）
作用类型
1.钛－硼系 2.钛－碳化硅系 3.钛－碳系
(3) 镍和镍合 金基复合材料
1.镍－钨系 2.镍－钼系 3.镍－碳化硅系 4.镍－氮化钛系 5.镍－金属碳化 物系 6.镍－碳系
(4) 镁和镁合 金基复合材料
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•1C.l镁ick－to a碳dd系Text •2C.l镁ick－to a硼dd系Text
第6章 金属基复合材料的 界面及其优化设计
08.08.2021
1
6.1界面的概念
第六章复合材料表界面的分析表征
40
未处理碳纤维复丝(曲线D )的 总冲击承载量很小，而且其中 主要的弹性承载能（U1 部分）， 不仅小且后倾。表明在冲击的 过程中纤维一直在滑移，不断 有新的纤维变形和基体变形。 而主要的塑性承载能（U2部分） 不仅占有较大的比例， 而且也 拖延较长的时间。再次表明冲 击过程中不断出现脱粘和纤维 不同处理碳纤维增强复合材料冲击载 拔出 荷与冲击时间的对应关系
32
6.4 界面力学性能的分析表征
冲击韧性/(J/cm2)
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
膨胀单体含量，质量分数/%
碳纤维/环氧复合材料 冲击韧性与膨胀单体含量的关系
33
6.4 界面力学性能的分析表征
减缓界面应力的另一方法是设计柔性的界面层。
在石墨纤维表面聚合上一层柔性的聚合物界面层共聚的单体为丙 烯酸甲酯（MA）和丙烯腈（AN）。通过调整界面层的厚度可显著 改进石墨纤维/环氧复合材料的力学性能.
根据-COOH在500～800℃分解成CO2，R-OH 在900～1000℃分解成CO，由热失重测得CO2和 CO的量，可以求出表面-COOH和-OH的量。
18
局限：灵敏度较低，含量一般要大于5％。
3）. 红外光谱法
差谱中的2922-3025cm-1 峰归属于脂肪与苯环上CH伸缩振动吸收，696cm1归属于苯环上5邻氢的CH弯曲振动吸收，充分证实 了接枝聚苯乙烯的存在。
在基体固化的初始阶段，基体处于流动态或粘流态，形成不了界面应 力。随着固化进行，基体转变成高弹态，界面应力可通过基体的高弹 形变和普弹形变松弛。如果交联度过高，界面应力的松弛可能需要相 当长的时间。
当基体进入玻璃态而还远离固化终点时，固化收缩产生的巨大内应力 无法松弛，界面应力和外界应力的共同作用可能在材料的薄弱部分产 生局部裂纹，大量裂纹的产生可松弛部分的界面应力。当材料强度不 足以抵抗界面应力时，只能通过材料的失稳、破坏来松弛界面应力。
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图6-4 当纤维是脆性时，反应物裂纹 产生的应力集中使纤维断裂
例如不锈钢丝增强铝复合材料系中，由于纤维是韧性的，反应物
裂纹尖端产生的应力集中使纤维发生塑性变形（产生了滑移带），
见图6-3所示。又例如，碳纤维增强铝复合材料系中，纤维是脆性
的，反应物裂纹产生的应力集中使纤维断裂，见图6-4所示。可见
后者的界面反应物临界厚度小于前者。
Wc＝2γLV
(6-7)
03.10.2020
16
只有当粘着功Wa大于内聚能Wc时，液体才能对固体 浸润。Wa与Wc之差定义为液体在固体表面的铺开系数S， S为正值时，即S＞0时，发生浸润现象。
S＝Wa - Wc=(γSV -γSL) -γLV
(6-8)
对于金属基复合材料可以来取下列措施来改善金属基体对 增强物的润湿性。
MO W
Ni 80 Ni-20Cr Ni- Cr-Fe
TiC HfC W W Ni Ni
~0 2
1200 0.15 1500 4.3
24 <1 <1
540 505 630 870 540 760 400 1000 1000
5
6.2.2 界面分类及界面模型
6.2.2.1 界面分类 上述几种金属基复合材料界面（机械结合、溶解与润
湿结合、交换反应结合、氧化物结合和混合结合）可以分 成I、Ⅱ、Ⅲ三种类型：I型界面表示增强体与基体金属既 不溶解也不反应（包括机械结合和氧化物结合）；Ⅱ型界 面表示增强体与基体金属之间可以溶解，但不反应（包括 溶解与润湿结合）；Ⅲ型界面表示增强体与基体之间发生 反应并形成化合物（包括交换反应结合和混合结合）。见 表6-1所示。
较直观的可由相图得到。但比较实用的相图很少，所以具体的 复合材料体系中的相容性问题往往只能通过实验得到解决。下 面以几种常用的金属基复合材料为例说明。
（1）铝及铝合 金复合材料
1.铝－碳系 2.铝－硼系 3.铝－碳化硅系 4.铝－氧化铝系 5.铝－铁系
03.10.2020
（2）钛及钛合 金基复合材料
第6章 金属基复合材料的 界面及其优化设计
03.10.2020
1
6.1界面的概念
金属基复合材料中增强体与金属基体接触构成的界面， 是一层具有一定厚度（纳米以上）、结构随基体和增强体 而异的、与基体有明显差别的新相——界面相（界面层）。 它是增强相和基体相连接的“纽带”，也是应力及其他信 息传递的桥梁。界面是金属基复合材料极为重要的微结构， 其结构与性能直接影响金属基复合材料的性能。
C
Al
C-HT
Al
24
580
100
475
A
Ⅱ
A
Ⅱ
C-HM
Al
100
550
A
Ⅱ
C
Ni
1
600
A
Ⅰ
C
Ni
5
600~800
A
Ⅰ
C
Ni
<1
900
A
Ⅰ
C-Ⅱ
Ni
1
900
A
Ⅰ
C
Ni
C-Ⅰ
Ni
C
Ni
24
1000
1
1230
1
>1270
A
Ⅰ
A
Ⅰ
B
Ⅰ
C
Ni-Cr
24
500
C
Co
24
700
C
Cu
24
800
B
Ⅰ
B
Ⅱ
B
Ⅱ
SiC
03.பைடு நூலகம்0.2020
7
Petrasek和 Weeton对 W/Cu复合材料 界面的研究结果 表明，在基体铜 中加入不同合金 元素，会出现四 种不同的界面情 况
03.10.2020
Wf/Cu系。在W丝周围未发生W与Cu 的相互溶解，也未发生相互间的化学反 应。
Wf/Cu（Co、Al、Ni）系。由于基体中的 合金元素（Co、Al、Ni）向W丝中扩散导 致其再结晶温度下降，使W丝外表面晶粒因 再结晶而粗大，结果导致W丝变脆。 Wf/Cu（Cr、Nb）系。合金元素（Cr、 Nb）向W丝中扩散、溶解并合金化，形成 W（Cr、Nb）固溶体。此种情况对复合材 料性能影响不大
Al
24
700
B
Ⅱ
SiC
Al-3%Mg
10
580
B/ SiC
Ti
0.5
870
B/ SiC
Ti-6Al-4V
0.5
350
B
Ⅱ
B
Ⅱ
B
Ⅱ
B
Al-3%Mg
100
400
B
Ⅱ
B
Al-3%Mg
>10
500
B
Al-6061
1
540
B
Ⅱ
Ⅱ
B
Ti
0.1
580
B
Ti-6Al-4V
1000
230
B
Ni
100
370
Al2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3
Wf/Cu（Ti、Zr）系。W与合金元素T i与Zr均发生反应，并形成化合物。使复合 材料的强度和塑性均下降。
8
6.2.2.2 界面模型
在早期的研究中，将复合材料界面抽象为：界面处 无反应、无溶解，界面厚度为零，复合材料性能与界面无 关；稍后，则假设界面强度大于基体强度，这是所谓的强 界面理论。强界面理论认为：基体最弱，基体产生的塑性 变形将使纤维至纤维的载荷传递得以实现。复合材料的强 度受增强体强度的控制。预测复合材料力学性能的混合物 定律是根据强界面理论导出的。由上述可见，对于不同类 型的界面，应当有与之相应的不同模型。
若γLV >γSV-γSL，则1>cosθ>0,θ<90°，液体能润湿固体。 若γLV＝γSV -γSL，则cosθ＝1,θ＝0°，这时液体完全浸润固体。 若γSL-γSV >γLV，则液体在固体表面完全浸润时仍未达到平衡而铺
展开来。
03.10.2020
15
液体对固体吸引力的大小用液体对固体的粘着功Wa
6.2.1 界面的结合机制
界面的 结合力 有三类
机械结合力就是摩擦力，它决定于增强物的比表 面和粗糙度以及基体的收缩，比表面和粗糙度越 大，基体收缩越大、摩擦力也越大。机械结合力 存在于所有复合材料中。
物理结合力包括范德华力和氢键，它存在于 所有复合材料中，在聚合物基复合材料中占 有很重要的地位。
注：①表示伪Ⅰ型界面；②该体系在低温下生成Ni4V；③当两组元溶解度极低时划为Ⅰ类。
表6-1中伪Ⅰ型（pseudo-classⅠsystem）界面的
含义是：热力学指出，该种体系的增强体与基体之间应该 发生化学反应，但基体金属的氧化膜阻止反应的进行。反 应能否进行，取决于氧化膜的完整程度，当氧化膜尚完整 时，属于Ⅰ型界面；当工艺过程中温度过高或保温时间过 长而使基体氧化膜破坏时，组分之间将发生化学反应，变 为Ⅲ型界面。具有伪I型界面特征的复合材料系在工艺上宜 采用固态法（如热压、粉末冶金、扩散结合），而不宜采 用液态浸渗法，以免变为Ⅲ型界面而损伤增强体。
反应结合
基体与增强物之间发生化学反应，在界面上形成化合物 而产生的一种结合形式
基体与增强物之间，除发生化学反应在界面上形成化合 交换反应结合 物外，还有通过扩散发生元素交换的一种结合形式
氧化物结合
这种结合实际上是反应结合的一种特殊情况
混合结合
03.10.2020
这种结合是最重要、最普遍的结合形式之一，因为在实 际的复合材料中经常同时存在几种结合形式
图6-5 液体对固体表面的浸润情况
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14
γSV-γSL=γLVcosθ
（6-3）
cosθ＝
SV SL LV
(6-4)
式中：γSV、γSL、γLV分别为液－汽、固－汽、表面张力和固－液界
面张力；θ－液体对固体的浸润角或接触角。
若γSV <γSL,则cosθ<0, θ>90°,液体不能润湿固体。当θ＝180°时， 固体表面完全涌被液体润湿，液体呈球状。
1）改变增强物的表面状态和结构以增大γSV； 2) 改变金属基体的化学成分以降低γSL； 3) 改变温度；
4) 改变环境气氛；
5）提高液相压力；
6)某些物理方法。
03.10.2020
17
6.2.3.2 基体与增强物之间的化学相容性
1、热力学相容性 决定热力学相容性的关键因素是温度，热力学相容性温度比
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6
表6-1 金属基复合材料体系的界面类型
界面类型 Ⅰ型
体系 C/Cu，W/Cu，Al2O3/Cu，Al2O3/Ag，B(BN)/Al，，B/Al①，SiC/Al①，不
锈钢/Al①
Ⅱ型
W/Cu(Cr)，W/Nb，C/Ni②，V/Ni②，共晶体③
Ⅲ型
W/Cu(Ti)， C/Al(>100℃) ， Al2O3/Ti，B/Ti，SiC/Ti， Al2O3/Ni， SiO2/Al， B/Ni，B/Fe，B/不锈钢
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9
（1） I型复合材料的界面 模型 Cooper和Kelly （1968）提出，I型界面模 型是界面存在机械互锁，且 界面性能与增强体和基体均 不相同；复合材料性能受界 面性能的影响，影响程度取 决于界面性能与基体、纤维 性能差异程度的大小；I型界 面模型包括机械结合和氧化 物结合两种界面类型。
化学结合力就是化学键，它在金属基复合 材料中有重要作用
根据上面的三种结合力，金属基复合材料中的界面结合可以 分为六种