第6章 复合材料的界面(6).ppt

1、第4章 复合材料的界面与表面,4.1 界面特征与界面反应,4.2 界面的控制,4.3 界面的脱粘与剥离,4.4 界面特性与裂纹扩展,4.5 表面强化,一、 界面的定义及机能 复合材料界面：基体与增强体之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。,6.1 界面特征与界面反应,典型界面,界面机能,(1)传递效应 (2)阻断效应 (3)不连续效应 (4)散射和吸收效应 (5)诱导效应,2.界面结合方式的分类,1) 机械结合。基体与增强材料之间不发生化学反应，纯粹靠机械连结，靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。 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

2、散和溶解，形成结合。界面是溶质原子的过渡带。 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，使基体和增强材料结合在一起。 4) 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，且还通过扩散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。 5) 混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。是以上几种结合方式中几个的组合。,3.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。,二、 界面粘结强度,界面黏结强度的重要性 PMC高

3、的界面强度，有效地将载荷传递给纤维。 CMC界面处能量的耗散，以提高韧性。 MMC强的界面，有益的非弹性过程。,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。,1.界面反应的种类,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。 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，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。,(1) 基体与增强材

4、料间不生成化合物，只生成固溶体。,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。,计算在扩散系数D下，经过时间t扩散 后，浓度达到c时的扩散带宽度。,（2）界面形成化合物 当其达到一定的厚度时，复合材料的强度可能会大幅度降低。这是因为在界面生成的脆性化合物层在受载破坏而造成纤维断裂。因此预测化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。通常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

5、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。,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。 反应不足：复合材料的强度低 过量：可以引起界面脆化。 对于界面反应，应根据具体情况，采取： 促进反应以增进结合 抑制反应,2.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,由于复合材料中存在人为的界面，而 界面又起着很重要的作用，所以由界面的 特性可以控制材料的性能。 界面的控制方法有以下几类： 一、 改变强化材料表面的性质； 二、向基体添加特定的元素

6、 三、强化材料的表面涂层,4.2 界面的控制,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。,一、 改变强化材料表面的性质,改变强化材料表面性质的方法,等离子体改性：操作简便、无污染、改性层薄 电化学改性：阳极氧化、电聚合改性 辐照改性：温度任意、材料均匀、适宜批量处理 光化学改性：操作容易、时间短、工艺简单 超声波表面改性：去除夹杂及氧化物，提高表面能 臭氧氧化法：氧化能力强、速度快,对SiC晶须表面采用化学方法处理后

7、XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)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。,二、 向基体添加特定的元素,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。 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。 例如：在SiCPCS纤维强化玻璃陶瓷（LAS）中，如果采用通常的LAS成分的基体，在晶化处理时会在界面产生裂纹。而添加百分之几的Nb时，热处理过程中会发生反应，在界面形成数微米的NbC相，获得最佳界面，从而达到高

8、韧化的目的。,SiCPCS纤维强化玻璃陶瓷LAS中热处理时的晶体变化,对晶化前后界面的剪切强度做了测定，发现从11.5MPa降低到3.2MPa。这是因为晶化处理前后界面的微观结构发生了变化，使得界面的剪切强度下降。另外，在Nb2O5向NbC转化的过程中，希望能尽量少的产生CO、CO2等气体。 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一项比较新的课题。,三、强化材料的表面涂层,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。 在玻璃，陶瓷作为基体的场合，使用的涂层材料有C、BN、Si、

9、B等多种。玻璃作为基体时，还可以使用铝等金属材料。,1.化学气相沉积,过程：将热的纤维穿过反应区，由热分解或其它蒸气反应的蒸发物质在基底上形成沉积物 应用例：用于SiC和硼纤维上。 注意： 气体的毒性和腐蚀性 如何提高沉积的速度 对沉积温度和沉积物微观结构和应力等的控制 涂层的主要目的是：防止成形过程中纤维与基体的反应；调节界面剪切破坏能量以提高剪切强度。,2.物理气相沉积,可以只用简单的加热蒸发或通过高能离子溅射产 生蒸气： 例：在活性气氛中也可以使用这种方法。例如用 活性蒸发法在钨丝上沉积不同的覆盖层。用活性溅射 法在SiC上形成Y2O3,涂层的效果,表面涂层对SiCPCS纤维强化复合材料

10、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,注：B表示脆性断裂；C积累断裂；P纤维拔出。,4.3 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： 在分析复合材料中强化材料与基体间应力传递的方式时，考虑基体中仅有一根纤维，受到拉伸载荷为Pf的情况。,脱粘、剥离与滑动的关系：一旦发生脱粘与剥离，剥离部分就产生滑动 解析法： 应用最大剪切应力理论 应用断裂力学理论,一、裂纹扩展时界面剥离的机理,裂纹向界面接近 主裂纹尖端的界面剥离 主裂纹与剥离界面的合体,描述一根纤维从基体拨出时界面脱粘与剥离的进展的参数,二、最大剪切应

11、力理论,该理论认为，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。以界面完全未发生剥离模型估算剪切应力达到d时的f，界面发生剥离时纤维的应力 为 式中 为埋入基体内的纤维长度， , H为由基体内力的平衡所确定的比例常数，Ef， Af分别为纤维的弹性模量和横截面积。,三、断裂力学的应用,按照J.O.Outwater的理论，假设VfVm，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。 式中dVm为产生应力缓和的基体体积， 式中为由纤维

12、的半径和基体的剪切模量所定的常数。,由以上2式可以得出界面发生脱粘和剥离时纤维的应力为 上式的意义是纤维与基体之间发生滑动是因为纤维所受的拉伸应力超过了d。如果纤维的强度fu小于d，则在界面发生脱粘和剥离之前纤维会发生断裂。另一方面，当fu大于d时，宏观的裂纹可以通过纤维或者通过纤维后界面发生剥离。此时纤维的应力由下式给出,4.4 界面特性与裂纹扩展,无界面剥离与滑动 界面滑动 界面剥离,1、裂纹扩展三类型（不发生纤维断裂）,2、裂纹剥离机理,裂纹到达纤维表面之前，界面受到张应力而发生剥离。称之为Cook-Goedon机理。该机理是指裂纹尖端存在的张应力使界面脱粘和剥离，而裂纹到达这一部分时会

13、发生钝化,裂纹向界面接近 主裂纹尖端的界面剥离 主裂纹与剥离界面的合体,4.5 表面强化,重要性：材料的表面与酸、碱等化学腐蚀，高温蒸发，氧化，冲击，摩擦等，表面的缺陷有关。 为了使表面性能提高，可以采用种种表面强化的手段。 表面强化不仅能使耐腐蚀性提高，而且还可以缓和表面的缺陷。利用表面材料的低热膨胀系数，在表面形成残余压应力，使材料的强度提高。,表面强化的方法,1、 CVD 法,CVD（化学气相沉积）是用热、电磁波等手段，使以气相提供的原料在基体表面反应，生成固相的物质并沉积在基体的表面。控制沉积过程，可以在表面形成覆盖膜。具有以下特点： 1) 致密，且易于对应于复杂的基体形状。 2) 纯

14、度高，对于氮化物、碳化物等难烧结物质，也可以不添加助烧剂。,2、 离子镀,离子镀是指用等离子方法发出金属离子，在基体表面与氧、氮、甲烷等气体反应并沉积。采用电场对离子加速，可促进在表面的附着，称为离子束混合。在CVD法中必须适当地选择原材料才能使反应进行。与此相比，离子镀仅需选择金属与气体，就几乎能形成所有的化合物。另外，成膜的温度较低。在有些场合，对于低温使用的工件则不必考虑热膨胀系数的影响。即使是作为结构材料的陶瓷，为了提高其耐磨性，也可以进行表面涂层。在Si3N4烧结体上用这种方法得到了数m TiN层。该方法的缺点在于成膜的速度较慢，且难以对应于复杂的形状。,3、 熔射,定义：将高速气流

15、所携带的陶瓷颗粒通过气体火焰或等离子进行熔融，冲击到基体表面，使之固化和粘附。 特点：熔射时颗粒与基体基本上不反应，所以膜主要靠钉扎作用的机械粘附。由于熔射的溶体急速冷却，所以往往含有裂纹。 实用例：对于金属的气体透平，为了提高耐热性，在其表面熔射ZrO2。ZrO2自身以及具有裂纹的微细结构可以起到隔热的作用。在以等离子熔射法涂氧化物层后，其重降低到原来的1/10 进一步做高温处理使之反应，有希望得到较强的化学结合，但同时由于热膨胀系数的差异也可能导致剥离。,4、 离子注入,定义：用电场将离子加速，冲击到基体表面，可以达到一定的深度。 对Si3N4烧结体注入碳的场合，1MeV约能达到1m的深度。加速电压通常为KeVMeV，所以深度在1m以下。 作用：在表面产生压应力、晶格缺陷，并可能形成非晶化，所以使强度耐磨性、耐腐蚀性等都得到改善。同时还可能产生一些其它的效果。 特点：在高温，离子注入的效果会减弱，所以表面强化的效果一般限于低温。另外，离子注入时易形成阴影，所以使基体材料的形状受到限制。,5、其它,