复合材料学之三(界面)

1、第3章 复合材料的界面界面是增强材料和基体间的结合处，即增强材料分子和基体分子在界面形成原子作用力；界面又作为从基体向增强材料传递载荷的过渡带或媒介，对复合材料力学性能举足轻重。界面的问题是复合材料的核心问题3.1 界面的物理化学特征n3.1.1 表面及界面构造n表面及界面是材料密度、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，晶体结构液不同。n固体表面可分为：n1） 技术表面：经过加工的表面，表面上存在氧化物、油污和水分等物质n2） 清洁表面：从技术表面上除去氧化物、水分和有机物的表面。n3） 纯表面：从清洁表面上除去一切污染物和不纯物后的表面，这种表面只有在高真空条件下

2、才能获得和保存。n金属表面极易氧化，因此技术表面和清洁表面度存在氧化物。3.1.2元素的相容性和界面结合n界面是基体与增强材料接触之处，为实现基体与增强材料结合，形成有效界面，需要两者之间进行原子交换，即扩散。界面元素的相容性是实现扩散的先决条件。n一般情况下，可根据两种物质混合后的自由能变化来判断，n相容， 不相容。0G0GSTHG3.2界面反应n界面是基体和增强材料结合之处，由于基体和增强材料是两种不同材料，因此界面是化学成分急剧变化的区域。在制作过程中，基体与增强材料接触时，要产生化学反应，反应类型和反应量决定了界面的性能，液决定了复合材料的性能。n3.2.1 界面类型n复合材料中实际存

3、在的界面可以分为5类：n1）机械结合：基体与增强材料之间没有发生化学反应，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。n2） 溶解和润湿结合：首先液态基体润湿增强材料，然后发生相互原子扩散，产生互相溶解，形成结合。界面是溶质浓度从0到100的过渡带。（如FeCu）n3）反应结合：基体与增强材料间发生化学反应，在界面生成化合物，从而使基体和增强材料结合在一起。（如TiB，形成TiB2）n4）交换反应结合：基体与增强材料间发生化学反应，生成化合物，并且通过扩散发生元素交换，形成固溶体而将两者结合。n5）混合结合：以上几种结合方式中的几个的组合3.2.2

4、界面反应动力学由于界面是化学成分急剧变化的区域，必然要产生原子定向流动，即扩散，扩散是界面反应动力学中的主要现象和速度控制过程。1） 基体与增强材料之间不生成化合物，只生成固溶体。假设金属基体中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，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，则根据菲克第二定律有：其中：C0平衡浓度，D扩散系数，t时间，x距离)21 (0Dtxerfccn利用上式可以计算在某一扩散系数下，经过时间t扩散后，浓度达到c时的扩散带宽度。n当基体为Ni，增强材料为碳纤维，扩散物质为C，其扩散计算如下表：n扩散系数：C/C0扩散

5、系数D，106 cm2/s100h1000h1071061051041031020.50.60.70.91.32.556791325)exp(kTQADn2） 若在作用区生成化合物，当其厚度达到一定厚度时，复合材料强度大大降低。原因：在界面生成的脆性化合物层受载荷时破坏而造成纤维破坏。n化合物层的大概厚度预测：n设相界面移动符合抛物线规律，则化合物厚度为：ccDtx/23.2.3界面反应的控制n基体与增强材料之间相互作用不足或过量都不利，反应不足时复合材料强度低，过量时界面脆化，对复合材料也不利，所以必须对界面反应的类型、数量及速度加以控制。n（1） 增进结合。n在石墨纤维和氧化物作增强材料时

6、，因它们与大多数基体不能很好润湿，界面强度低，很难完成载荷传递的任务，因此在制造复合材料时在部损伤纤维的条件下改善金属基体对它们的润湿性。改进的最好方法是涂层。n如（1）石墨纤维真空喷涂铝退火形成Al4C3通过界面强度n （2） 碳纤维涂Nb和Tan （3） 碳纤维1010 浸溶铝680 热压反应厚度0.5m。n 碳纤维1150 浸溶铝680 热压反应厚度2m，纤维破坏，强度降低。n因此，在碳纤维铝复合材料中，反应过程最好有少量Al4C3形成，但形成量过大时，纤维损伤，复合强度下降。n（2） 抑制反应：n某些复合材料在制造及高温使用过程中，基体与增强材料往往会发生过量反应，为了得到良好的界面结

7、合又不损伤纤维，对反应应加以控制。n方法：纤维涂层和基体合金化n如：B/Ti复合材料，在B纤维涂B4C、SiC、BN等，对纤维都有一定的保护作用，其中，BN效果最佳。n在Ti基复合材料中，抑制反应最好的方法时基体合金化。在B/Ti复合材料中，基体与与纤维之间的反应带生长速度可用下式描述：n而合金元素对反应速度的影响可用比速度S来表示：n式中：k1为太合金与纤维反应的速度参数；k2为钛与纤维反应的速度常数；a0为合金元素的原子百分数。tKx 021akksn第一类：Si和Sn，s0，无影响n第二类：Cu和Ge，随含量增加，s降低，反应速度减慢，抑制反应。n第三类：Al、Mo、V等，低浓度时抑制作

8、用很强，浓度高时抑制作用降低。n3） 界面化学位控制。n纤维与基体之间具有一定溶解度的复合材料，在高温复合及使用过程中，由于纤维组分在界面两侧从界面到基体存在化学位梯度，因此纤维可能向基体中不断溶解，造成界面不稳定，纤维损伤，复合材料强度降低。为控制这类溶解过程，防止纤维损伤，应设法减少界面化学位梯度。n如在W/Ni复合材料中，含38W的Ni基体与含Ni0.3的W丝处于热力学平衡状态，它们在界面上的化学位梯度接近于零，可防止W在Ni中大量溶解。n4） 降低扩散速度。比较有效的方法是改变基体成分，即添加合金元素。3.3 界面强度理论n1 强界面理论n理论认为：界面结合良好，即认为材料性能与界面强

9、度无关，即使增加界面强度，复合材料断裂强度也不增加。要求界面本身能有效地传递载荷，本身不发生破坏。n2 弱界面强度理论n理论认为：复合材料受力时，认为界面在传递载荷过程中发生破坏或削弱而引起整个复合材料破坏。若界面强度理论认为，界面强度决定复合材料强度。n实际界面破坏又四种形式：n（1） 由弹性收缩或塑性收缩而产生地拉伸应力造成地界面破坏。n（2） 增强材料周围形成一定厚度的化合物，在拉应力作用下造成的破坏。n（3） 传递载荷过程中剪应力造成的破坏。n（4） 界面反应削弱纤维造成增强材料的破坏。弱界面一般理论（适合于1，2种破坏形式）n该理论认为：n在拉伸时，界面拉伸强度对复合材料性能影响不大

10、，起主要作用的时界面剪切强度 ， 决定短纤维的临界长度，或长纤维的载荷临界传递长度lc。n得：nLc随 增大而减小，在界面剪切强度等于基体剪切强度时， ， Lc 达最小值。bb)2/(bffFcdlbmbbbffFcfbrlr22 .n如果断裂面与纤维薄弱点的距离为y，纤维缺陷处强度为 ，则n把 代入得：n当考虑另一边得纤维长度时，两缺陷距离为2y，纤维临界缺陷距离lcd,n一定时， 为定值。n当实际缺陷间距 时，缺陷处断裂， 拔出。n当实际缺陷间距 时，矩断裂面近的纤维在缺陷处断裂。bffFyrr222fyfdbffFfry2)()2/(bffFcdlfFcffFly2)(fFcffFcdl

11、yl)(2fcdlcdll fFfcdll 弱界面反应带理论理论主要认为：纤维周围形成一定化合物时在拉应力作用下的断裂（适合于2破坏形式） 增强纤维的理论强度为 ，实际纤维中有缺陷，强度明显低于理论强度，同样反应带中生成的化合物中有裂纹，因此实际强度低于理论强度。设裂纹根部半径为r，x为裂纹深度，则应力集中系数为当x较小时，KC较小，这时纤维强度主要由纤维内部缺陷决定。当反应带增加时，x值增大，Kc增大，当 时， 称为第一临界厚度：反应带中化合物裂纹造成的应力集中等于纤维固有缺陷造成的应力集中 。10/fE21)(rxBKccfcKK rBExxfFfc21)10/(1cxcfKn当裂纹深度x

12、大于 时，纤维的强度由纤维固有缺陷和化合物裂纹深度同时控制，这是复合材料中纤维的断裂应变为：n上式表明：在到达化合物断裂应变（ ）前，纤维断裂应变与化合物厚度间有抛物线关系，化合物厚度增加，纤维断裂应变 减小，当 减小到等于化合物断裂应变时n 称为第二临界厚度，其物理意义是反应层中化合物的厚度大于此厚度时，复合材料中纤维的强度完全由化合物裂纹及化合物断裂应变控制。n从第一临界厚度到第二临界厚度，表明复合材料断裂由纤维控制转变为界面控制。1cxBxrf10)/(21hhhEffrExxhhc22)10/(2cx根据反应层厚度和界面结合状态估算复合材料强度n假设复合材料由圆柱状纤维和纤维与基体反应

13、物化合物组成，纤维和复合材料的半径分别为a和b，化合物层厚度为出ba，化合物一般较脆，断裂应变比纤维还小。假设缺口形成时应变为 ，缺口延伸到纤维内时应变为 ，界面脱粘时纤维应变为 ，无脆性层希望断裂应变为 。n假设界面结合牢固，脆性层应变在其厚度c变化时是亿常数。由于界面牢固，不发生脱开，因此在全部c范围内， 、 、 。n（1） 脆性层很薄，纤维固有缺陷影响大于所形成的缺口的影响，复合材料强度由纤维固有缺陷控制，此时， ，复合材料的强度为n n随着脆性层增加，缺口影响越来越大，纤维固有缺陷越来越小，当 nccB时，纤维强度开始下降， cB为界面结合牢固时最大允许厚度，nGc 为纤维应变能释放速

14、率。12341324ffVE4)/(4fcBEGc241n（2） 随着脆性层厚度增加，纤维强度和复合材料强度不断降低，此时， ，复合材料的强度为：n（3） 形成缺口足够大，缺口一旦形成，立即向纤维延伸，造成复合材料断裂。当ccc时，复合材料强度完全由脆性层控制。nCc为界面化合物层极限厚度，124ffVE2ffVE1n钢铝复合界面强度与扩散层厚度关系界面变形n1 界面滑移时复合材料应力应变关系n假设基体时完全弹性的，断裂前纤维也是弹性的，长度为2lf的纤维在基体中，在应力作用下，纤维微元长度dx的受力分析如下图所示，其力平衡为：n简化得：n即：n对纤维进行积分得：fffddxrdrrfffff

15、f2)(22dxrdrfff22ffrdxd2fflxflxfdxrd2n边界条件：当x=lf时，n因此得：n设纤维两端长度产生界面滑动，滑动长度与纤维总长度得比值为m，则不滑动部分为n其应力值为n n （式中： ）)(2xlrffxlf0f)(2xlrffx)1 (mLxfmaxffmsrlmmllrfffff22)1 (2ffrls 根据复合准则：由于基体和纤维是弹性的mmffVVmaxmaxmax)21 (21)1 (ffffffffmlmlmlmmffmmffVVmVV)21 (maxmmmffffffmmmfffVEVEmVEVEVmE2)21 (n由 得：n因此：n在弹性变形时，设

16、n则：n当m1时，即n即：n在弹性阶段,n不断裂msf2smf2mmmfffffffVEVEsVE2211mffffmmffVsEVEVE4)(22112sfsEf2111/2cfEsfFfmaxn当m1时，纤维完全处于滑动状态，整个界面为滑动界面，n因此复合材料应力应变关系为：maxmax21)211 (fffmmfmmffmmffEVsVVVVV1max21考虑纤维长度对复合材料强度影响：n设纤维临界纵横比为 ，n则n当 ，即：m1n当 时，fccdls ffffdldLs2mlllLssfcfcc2css mmffVVm)21 (maxmmmcfffVEssVE)21 (mf/)21 (/)21 (fmmcffFfmmcfffEVEssVEVEssVEn而当 ,即m1，全滑动n因此，在弹性变形条件下，或基体屈服前纤维破断：mmbfmmffVsVVVmax21css n基体屈服的影响n在弹性变形条件下，或基体屈服前纤维破断的强度为：n若基体屈服， ， 为