复合材料第四章复合材料界面

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1、第 四 章 复 合 材 料 的 界 面 4.1 概 述 复 合 材 料 的 界 面 产 生 于 复 合 材 料 的 制 造 过 程 ，当 由 不 同 化 学 成 分 的 增 强 体 和 基 体 组 成 复 合 材 料时 ， 这 些 组 元 通 过 接 触 ， 它 们 中 的 某 些 元 素 在 相互 扩 散 、 溶 解 后 往 往 发 生 化 学 反 应 而 生 成 新 的 相 ，成 为 界 面 相 。 复 合 材 料 的 界 面 是 指 基 体 与 增 强 物 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

2、。 界 面 相 的 化 学 组 成 和 物 理 性 能 与 增 强 相 和 基 体均 不 同 ， 在 复 合 材 料 承 受 载 荷 时 ， 由 于 界 面 相 所处 的 特 殊 力 学 和 热 学 等 特 殊 环 境 ， 对 复 合 材 料 的整 体 性 能 产 生 重 大 影 响 ， 因 而 通 过 认 识 、 控 制 界面 相 来 改 善 复 合 材 料 性 能 的 研 究 越 来 越 引 起 人 们的 重 视 。 研 究 复 合 材 料 界 面 的 组 成 、 结 构 、 控 制 、 性 能和 改 进 界 面 相 的 工 作 被 称 为 “ 界 面 工 程 ” 。 复 合 材 料 中

3、的 界 面 并 不 是 一 个 单 纯 的 几 何 面 ， 而是 一 个 多 层 结 构 的 过 渡 区 域 ， 这 一 区 域 由 五 个 亚层 组 成 。 界 面 是 复 合 材 料 的 特 征 ， 可 将 界 面 的 机 能 归 为以 下 几 种 效 应 。 P61 复 合 材 料 界 面 设 计 的 原 则 (总 的 原 则 )界面粘结强度要保证所受的力由基体通过界面传递给增强物，但界面粘结强度过高或过弱都会降低复合材料的强度。 设计界面层在一定的应力条件能够脱粘，以使增强纤维从基体拔出并发生摩擦，这样就可借助脱粘增大表面能，利用拔出功和摩擦功等形式来吸收外加载荷能量以达到提高其抗破坏

4、能力。 若界面层的模量高于增强材料和基体的模量，将会产生不良的效果，因此应避免基体与增强相发生生成脆性界面层的化学反应。 4.2 复 合 材 料 的 界 面4.2.1 聚 合 物 基 复 合 材 料 的 界 面1.界 面 的 形 成 聚 合 物 基 复 合 材 料 界 面 的 形 成 可 以 分 成 两 个阶 段 ： 基 体 与 增 强 纤 维 的 接 触 与 浸 润 过 程 ； 增 强 纤 维 优 先 吸 附 能 较 多 降 低 其 表 面 能 的 组 分 ， 因 此 界 面 聚 合物 在 结 构 上 与 聚 合 物 基 体 是 不 同 的 。 聚 合 物 的 固 化 阶 段 。 聚 合 物

5、 通 过 物 理 的 或 化 学的 变 化 而 固 化 ， 形 成 固 定 的 界 面 层 。 2.界 面 作 用 机 理 界 面 作 用 机 理 是 指 界 面 发 挥 作 用 的 微 观 机 理 ，有 如 下 理 论 ： 主 要 论 点 ： 增 强 材 料 被 液 体 树 脂 良 好 浸 润 对 提高 复 合 材 料 的 性 能 是 极 其 重 要 的 。 浸 润 不 良 会 在界 面 上 产 生 空 隙 ， 易 因 应 力 集 中 而 使 复 合 材 料 发生 开 裂 ； 如 果 完 全 浸 润 ， 则 基 体 与 增 强 相 间 的 粘结 强 度 将 大 于 基 体 的 内 聚 强 度

6、 ， 将 提 高 复 合 材 料的 强 度 。界 面 浸 润 理 论 浸 润 性 的 定 义 浸 润 性 是 用 于 描 述 液 体 在 固 体表 面 上 自 动 铺 展 程 度 的 术 语 。 或 说 是 固 体 、 液 体在 分 子 水 平 上 紧 密 接 触 的 可 能 程 度 。 浸 润 性 好 将 促 进 结 合 。 浸 润 角 低 （ 90 ） 表 明 浸 润 性 良 好 ； 浸 润角 高 （ 90 ） 则 表 明 浸 润 性 差 。浸 润 性 的 测 量 ： B.化 学 键 理 论 主 要 论 点 ： 涂 覆 在 增 强 相 表 面 的 偶 联 剂 应 既 含 有 能 与 增强

7、相 起 化 学 作 用 的 官 能 团 ， 又 含 有 能 与 树 脂 基 体 起 化 学 作用 的 官 能 团 。 由 此 在 界 面 上 形 成 共 价 键 结 合 ， 如 能 满 足 这一 要 求 则 在 理 论 上 可 获 得 最 强 的 界 面 粘 结 能 。 偶 联 剂 是 一 种 高 分 子 化 合 物 ， 这 种 化 合 物 一 般 都 含 有 两部 分 性 质 不 同 的 基 团 。 一 种 官 能 团 能 很 好 地 与 增 强 纤 维 表面 结 合 ； 另 一 种 官 能 团 能 很 好 地 与 合 成 树 脂 结 合 （ 产 生 共聚 ） 。 通 过 表 面 处 理 剂

8、 把 性 能 截 然 不 同 的 物 质 联 合 起 得 ，形 成 一 个 统 一 的 整 体 ， 因 此 ， 把 表 面 处 理 剂 叫 “ 架 桥 剂 ” ，也 叫 “ 偶 联 剂 ” 。 D.变 形 层 理 论E.拘 束 层 理 论F.扩 散 层 理 论G.减 弱 界 面 局 部 应 力 作 用 理 论 C.物 理 吸 附 理 论 （ 机 械 作 用 理 论 ） 这 种 理 论 认 为 ， 增 强 纤 维 与 树 脂 基 体 之 间 的 结 合 是 属于 机 械 铰 合 和 基 于 次 价 键 作 用 的 物 理 吸 附 。 3.聚 合 物 基 复 合 材 料 界 面 设 计 在 聚 合

9、 物 基 复 合 材 料 的 设 计 中 ， 首 先 应 考 虑 如何 改 善 增 强 材 料 与 基 体 间 的 浸 润 性 ； 选 择 合 适的 偶 联 剂 。 所 选 处 理 增 强 材 料 表 面 的 偶 联 剂 既 含有 能 与 增 强 材 料 起 化 学 作 用 的 官 能 团 ， 又 含 有 与聚 合 物 基 体 起 化 学 作 用 的 官 能 团 。 4.2.2 金 属 基 复 合 材 料 的 界 面 金 属 基 复 合 材 料 由 于 基 体 与 增 强 物 复 合 的 温 度较 高 ， 基 体 与 增 强 物 易 发 生 相 互 作 用 而 生 成 化 合物 ， 而 基 体

10、 与 增 强 物 互 相 扩 散 而 形 成 扩 散 层 ， 增强 物 的 表 面 预 处 理 涂 层 ， 使 界 面 的 形 状 、 尺 寸 、成 分 、 结 构 等 变 得 非 常 复 杂 。 类 型 类 型 类 型 纤 维 与 基 体 互 不 反 应 亦不 溶 解 纤 维 与 基 体 不 反 应 但相 互 溶 解 纤 维 与 基 体 互 相 反 应 形成 界 面 反 应 层钨 丝 / 铜Al2O3纤 维 / 铜Al2O3纤 维 / 银硼 纤 维 （ 表 面 涂 BN） / 铝不 锈 钢 丝 / 铝SiC纤 维 （ CVD） / 铝硼 纤 维 / 铝硼 纤 维 / 镁 镀 铬 的 钨 丝

11、/ 铜碳 纤 维 / 镍钨 丝 / 镍合 金 共 晶 体 丝 / 同 一 合 金 钨 丝 /铜 -钛 合 金碳 纤 维 / 铝 （ 580 ）Al2O3纤 维 / 钛硼 纤 维 / 钛硼 纤 维 / 钛 -铝SiC纤 维 / 钛SiO 2纤 维 / 铝 1.界 面 类 型 （ 1） 机 械 结 合 （ 物 理 结 合 ） 产 生 类 型 界 面 定 义 ： 基 体 与 增 强 体 之 间 仅 仅 依 靠 纯 粹 的 粗 糙 表面 相 互 嵌 入 （ 互 锁 ） 作 用 ， 以 及 借 助 基 体 收 缩 应力 包 紧 纤 维 时 产 生 的 摩 擦 而 进 行 的 连 接 ， 称 为 机械 结

12、 合 。 金 属 基 纤 维 复 合 材 料 的 几 种 界 面 结 合 形 式 ： 不 同 的 界 面 结 合 形 式 形 成 不 同 的 界 面 类 型 ： 机 械 结 合 的 效 果 : 最 突 出 的 例子 是 硼 纤 维 增 强 铝 复 合 材 料(Bf/A1)。 采 用 化 学 气 相 沉 积(CVD)方 法 生 产 的 硼 纤 维 ， 表面 是 玉 米 棒 状 ， 与 金 属 铝 进 行固 态 扩 散 复 合 时 ， 由 于 温 度 升高 使 铝 变 软 ， 经 外 力 压 实 铝 填充 硼 纤 维 的 粗 糙 表 面 ， 形 成 与硼 纤 维 的 机 械 结 合 。 （ 2）

13、溶 解 和 浸 润 结 合 产 生 类 型 界 面定 义 :在 复 合 材 料 制 造 的 过 程 中 基 体 与 增 强 体 之 间首 先 发 生 浸 润 ， 然 后 相 互 溶 解 ， 所 形 成 的 结 合 方式 称 为 溶 解 与 浸 润 结 合 。 浸 润 作 用 通 常 是 主 要 的 ，而 溶 解 是 次 要 的 ， 因 为 一 般 在 高 温 下 原 子 的 扩 散时 间 很 短 。溶 解 与 浸 润 结 合 的 要 求 ： 为 了 达 到 润 湿 ， 纤 维 表 面 应 当 作适 当 处 理 ， 首 先 应 除 去 污 染 物 、 吸 附 的 气 体 和 工 艺 涂 层(如

14、纺 织 型 浸 润 剂 )， 其 次 通 过 表 面 处 理 形 成 表 面 润 湿 层 、阻 挡 层 ， 或 使 增 强 材 料 形 成 利 于 机 械 结 合 的 粗 糙 表 面 。 （ 3） 反 应 结 合 产 生 类 型 界 面定 义 ： 基 体 与 纤 维 间 发 生 化 学 反 应 ， 在 界 面 上 形成 一 种 新 的 化 合 物 而 产 生 的 结 合 称 为 反 应 结 合 。这 是 一 种 最 复 杂 、 最 重 要 的 结 合 方 式 。反 应 结 合 的 本 质 ： 能 够 发 生 反 应 的 两 种 元 素 或 化 合 物 ， 通过 相 互 接 触 和 相 互 扩

15、散 发 生 某 种 化 学 反 应 。 随 反 应 程 度 的增 加 ， 界 面 结 合 强 度 也 增 大 ， 但 由 于 界 面 反 应 产 物 多 为 脆性 物 质 ， 所 以 当 界 面 层 达 到 一 定 厚 度 时 ， 界 面 上 的 残 余 应力 可 使 界 面 破 坏 ， 反 而 降 低 界 面 结 合 强 度 。 要 实 现 良 好 的反 应 结 合 ， 必 须 选 择 最 佳 的 制 造 工 艺 参 数 (温 度 、 压 力 、时 间 、 气 氛 等 )来 控 制 界 面 反 应 的 程 度 。 界 面 结 合 状 态 对 金 属 基 复 合 材 料 强 度 的 影 响 界

16、 面结 合 强 度 过 高 或 过 低 对 复 合 材 料 的 强 度 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 。 就 改 善 复 合 材 料 的 疲 劳 性 能 而 言 ，界 面 强 度 稍 强 一 些 为 好 。 界 面 结 合 状 态 抗 张 强 度 ， MPa 断 口 形 貌结 合 不 良 206 纤 维 大 量 拔 出 ， 长 度 很 长 ， 呈 刷 子 状结 合 适 中 612 有 的 纤 维 拔 出 ， 有 一 定 长 度 ， ； 铝 基 体 发 生 颈 缩 ， 可 观 察 到 劈 裂 状结 合 稍 强

17、470 出 现 不 规 则 断 面 ， 可 观 察 到 很 短 的 拔 出纤 维结 合 过 强 224 典 型 的 脆 性 断 裂 ， 平 断 口表 4-2 碳 纤 维 增 强 铝 的 抗 张 强 度 和 断 口 形 貌 2. 影 响 界 面 稳 定 性 的 因 素 与 聚 合 物 基 复 合 材 料 相 比 ， 耐 高 温 是 金属 基 复 合 材 料 的 主 要 特 点 。 因 此 ， 金 属 基 复合 材 料 的 界 面 能 否 在 所 允 许 的 高 温 环 境 下 长时 间 保 持 稳 定 ， 是 非 常 重 要 的 。 影 响 界 面 稳 定 性 的 因 素 包 括 物 理 和 化

18、 学两 个 方 面 。 （ 1） 物 理 因 素 界 面 的 溶 解 与 析 出 是 影 响 金 属 基 复 合 材 料 第 类 界 面 稳 定 性 的 物 理 因 素 。 当 增 强 材 料 表 面 溶 入基 体 中 ， 必 然 会 损 伤 纤 维 ， 降 低 增 强 材 料 的 增 强作 用 ， 结 果 会 降 低 复 合 材 料 的 强 度 。 有 的 复 合 材 料 还 会 出 现 先 溶 解 后 又 析 出 的 现 象 。这 种 析 出 使 增 强 材 料 的 表 层 聚 集 形 态 和 结 构 发 生变 化 , 严 重 损 伤 了 纤 维 ， 使 其 强 度 严 重 下 降 。 例

19、 1 粉 末 冶 金 制 备 的 W丝 /Ni， 钨 在 镍 中 有 很 大 的固 溶 度 ， 在 1100 左 右 使 用 50小 时 后 ， 钨 丝 发 生溶 解 ， 造 成 钨 丝 直 径 仅 为 原 来 的 60%， 大 大 影 响钨 丝 的 增 强 作 用 ， 如 不 采 取 措 施 ， 将 产 生 严 重 后果 。 为 此 ， 可 采 用 钨 丝 涂 覆 阻 挡 层 或 在 镍 基 合 金中 添 加 少 量 合 金 元 素 ， 如 钛 和 铝 ， 可 以 起 到 一 定的 防 止 钨 丝 溶 入 镍 基 合 金 的 作 用 。 例 2 碳 纤 维 增 强 镍 基 复 合 材 料 。

20、 在 800 高 温 下 ，在 界 面 碳 先 溶 入 镍 ， 而 后 又 析 出 ， 析 出 的 碳 是 石墨 结 构 ， 密 度 增 大 而 在 界 面 留 下 空 隙 ， 给 镍 提 供了 渗 入 碳 纤 维 扩 散 聚 集 的 位 置 。 而 且 随 温 度 的 提高 镍 渗 入 量 增 加 ， 在 碳 纤 维 表 层 产 生 镍 环 ， 严 重损 伤 了 碳 纤 维 ， 使 其 强 度 严 重 下 降 。 如 何 防 止 碳 在 镍 中 先 溶 解后 析 出 的 问 题 ， 就 成 为 获 得性 能 稳 定 的 Cf / Ni的 关 键 。 (2)化 学 因 素 界 面 反 应 是

21、影 响 具 有 第 类 界 面 的 复 合 材 料 界面 稳 定 性 的 化 学 因 素 。 界 面 化 学 反 应 形 成 的 大 量脆 性 化 合 物 ， 会 削 弱 增 强 材 料 的 增 强 作 用 ， 尤 其是 在 高 温 使 用 条 件 下 ， 这 种 界 面 反 应 的 不 稳 定 性会 造 成 复 合 材 料 的 脆 性 破 坏 。 （ a） 连 续 界 面 反 应 金 属 基 复 合 材 料 在 热 处 理 以 及 在 使 用 时 经 历 不同 的 热 过 程 中 ， 界 面 反 应 可 连 续 进 行 。 影 响 界 面反 应 的 因 素 主 要 是 温 度 与 时 间 ：

22、tKX (4-1) 其 中 ， X为 反 应 层 厚 度 ； K为 反 应 速 度 常 数 ， 随 着反 应 温 度 的 升 高 而 增 大 ； t为 反 应 时 间 (秒 ) 。 随着 反 应 温 度 和 时 间 的 增 加 ， 反 应 层 厚 度 增 大 ， 高温 时 在 很 短 时 间 内 就 可 以 达 到 足 以 引 起 破 坏 的 厚度 。金 属 基 复 合 材 料 的 界 面 化 学 反 应 包 括 有 : 例 如 硼 纤 维 增 强 钛 基 复 合 材 料 中 的 界 面 反 应 是 由 硼 纤 维 的 硼 原 子 向基 体 扩 散 ， 在 硼 纤 维 外 层 形 成 一 层

23、白 色 的 反 应 产 物 TiB2。 由 于 硼 原子 向 外 扩 散 ， 在 纤 维 的 表 层 留 下 孔 洞 ， 孔 洞 面 积 可 达 10%以 上 ， 这会 对 硼 纤 维 的 强 度 产 生 极 不 利 影 响 。 图 5-34为 硼 纤 维 增 强 钛 基 复 合材 料 在 不 同 温 度 下 界 面 反 应 层 (二 硼 化 物 )的 厚 度 与 时 间 的 关 系 。 高温 时 在 很 短 时 间 内 反 应 产 物 就 可 以 达 到 足 以 引 起 破 坏 的 厚 度 。 （ b） 交 换 式 反 应 当 增 强 材 料 与 含 有 两 种 以 上 元 素 的 金 属

24、基 体 之间 发 生 化 学 反 应 ， 形 成 反 应 产 物 后 ， 反 应 产 物 还会 与 其 它 基 体 元 素 发 生 交 换 反 应 ， 产 生 界 面 的 不稳 定 。 例 如 硼 纤 维 /钛 合 金 （ Ti-Al-1V-1Mo） ,硼 与 钛 在界 面 首 先 发 生 反 应 ： Ti(Al) + B (TiAl)B2再 发 生 交 换 反 应 : (TiAl)B 2 + Ti TiB2 + Ti(Al)电 子 探 针 证 实 了 界 面 反 应 的 最 终 产 物 是 TiB2。 (c) 暂 稳 态 界 面 的 变 化 暂 稳 态 界 面 是 由 于 增 强 材 料 表

25、 面 局 部 氧 化 所产 生 的 氧 化 物 与 基 体 间 发 生 反 应 而 在 界 面 上 形 成另 一 种 氧 化 物 所 形 成 的 界 面 。 界 面 上 的 氧 化 层 稳定 性 差 ,在 长 时 间 热 环 境 下 容 易 发 生 球 化 而 影 响 复合 材 料 的 性 能 。 例 如 ： 在 硼 纤 维 增 强 铝 中 ， 由 于 硼 纤 维 上 吸 附 有 氧 ，并 与 之 生 成 BO2， 当 这 层 氧 化 物 在 扩 散 结 合 时 未 受 到 破 坏 ，但 它 是 不 稳 定 的 。 在 一 定 温 度 下 ， 由 于 铝 与 氧 亲 和 力 强 ，可 以 还

26、原 BO 2， 生 成 Al2O3， 这 种 界 面 结 合 亦 称 之 为 氧 化 结合 。 在 长 期 热 效 应 的 作 用 下 ， 界 面 上 的 Al2O3氧 化 膜 会 发生 球 化 ， 从 而 影 响 复 合 材 料 的 性 能 。 3.残 余 应 力 在 金 属 基 复 合 材 料 结 构 设 计 中 ， 除 了 要 考 虑 化 学方 面 的 因 素 外 ， 还 应 注 意 增 强 纤 维 与 基 体 金 属 的物 理 相 容 性 。 要 求 金 属 基 体 有 足 够 的 韧 性 和 强 度 ， 以 便 能够 更 好 地 通 过 界 面 将 载 荷 传 递 给 增 强 纤 维

27、 ； 要 求 在 材 料 中 出 现 裂 纹 或 位 错 移 动 时 基 体 上产 生 的 局 部 应 力 不 在 增 强 纤 维 上 形 成 高 应 力 ； 物 理 相 容 性 中 最 重 要 的 是 要 求 纤 维 与 基 体 的热 膨 胀 系 数 匹 配 。 4.金 属 基 复 合 材 料 界 面 设 计 希 望 增 强 材 料 与 基 体 之 间 具 有 良 好 的 润 湿 性 ，粘 着 强 ， 有 利 于 界 面 均 匀 、 有 效 地 传 递 应 力 ； 增 强 材 料 与 基 体 润 湿 后 互 相 间 发 生 一 定 程 度 的溶 解 ， 保 持 适 宜 的 界 面 结 合 力

28、 ， 提 高 复 合 材 料 的强 韧 性 ； 产 生 适 量 的 界 面 反 应 ， 而 界 面 反 应 物 质 地 均 匀 、无 脆 性 异 物 、 不 成 为 复 合 材 料 内 部 缺 陷 (裂 纹 )源 ，希 望 界 面 反 应 能 够 得 到 一 定 控 制 。 以 上 设 计 要 求 可 通 过 界 面 控 制 来 达 到 ， 通 常 采用 两 种 方 法 ， 即 增 强 材 料 的 表 面 改 性 （ 表 面 处 理 ）以 及 基 体 的 改 性 。 增 强 材 料 的 表 面 处 理 是 针 对 不 同 基 体 应 用 合 适的 材 料 来 进 行 表 面 涂 覆 。 表 面

29、 涂 层 则 可 以 起 到 以下 作 用 ：(a)可 以 改 善 增 强 材 料 与 基 体 的 润 湿 性 和 粘 着 性 ；5. 金 属 基 复 合 材 料 界 面 控 制（ 1） 增 强 材 料 的 表 面 处 理 (b)可 起 到 防 止 增 强 材 料 与 基 体 之 间 的 扩 散 、 渗 透和 反 应 的 阻 挡 层 的 作 用 ；(c)可 以 减 轻 增 强 材 料 与 基 体 之 间 的 热 应 力 集 中 ，并 防 止 增 强 材 料 在 运 输 和 制 备 时 造 成 的 损 伤 。 目 前 ， 在 增 强 材 料 表 面 涂 覆 中 比 较 成 功 的 主 要有 ，

30、硼 纤 维 采 用 化 学 气 相 沉 积 (CVD)涂 覆 碳 化 硅 ，主 要 用 于 Bf Al复 合 材 料 ； 硼 纤 维 CVD法 涂 覆 B4C用于 Bf Ti复 合 材 料 以 及 碳 纤 维 CVD法 涂 覆 Ti-B， 主要 用 于 Cf Al基 复 合 材 料 。 例 图 为 制 备 硼 纤 维 增 强 钛 基复 合 材 料 时 ， 采 用 涂 覆 碳 化 硅和 碳 化 硼 与 未 涂 覆 的 硼 纤 维 的界 面 反 应 物 厚 度 平 方 与 不 同 反应 时 间 之 间 的 关 系 。 由 图 可 以看 出 ， 在 同 样 条 件 下 ， 有 涂 覆层 的 复 合

31、材 料 ， 界 面 反 应 明 显减 少 ， 尤 其 是 硼 纤 维 在 涂 覆B4C后 ， 界 面 反 应 层 最 薄 ， 而且 较 稳 定 ， 随 时 间 的 变 化 小 ，有 效 控 制 了 B f Ti复 合 材 料 的界 面 反 应 。 硼 纤 维 涂 覆 碳 化 硅后 不 仅 可 减 少 与 钛 界 面 反 应 物量 ， 而 且 可 增 加 润 湿 性 。 某 一 制 备 温 度 下 碳 纤 维 增 强 铝 是 一 种 适 宜 空 间 技 术 的 结 构 与 功 能 的 复合 材 料 。 但 是 碳 纤 维 的 表 面 能 很 低 ， 在 一 般 情 况 下 不 能 被铝 所 润

32、湿 。 在 1000 以 上 ， 它 们 之 间 的 接 触 角 才 小 于90 为 了 提 高 碳 与 铝 的 润 湿 性 并 控 制 界 面 反 应 ， 一 般 采用 CVD法 在 碳 纤 维 上 涂 覆 Ti-B涂 层 ， 取 得 了 令 人 满 意 的润 湿 效 果 。 （ 2） 金 属 基 体 的 改 性 在 某 些 金 属 基 复 合 材 料 体 系 中 ， 采 用 基 体 合 金中 添 加 某 些 合 金 元 素 以 改 善 增 强 材 料 与 基 体 之 间的 浸 润 条 件 或 有 效 控 制 界 面 反 应 的 方 法 为 基 体 改性 。 基 体 改 性 方 法 有 三

33、种 ： 第 一 是 控 制 界 面 反 应 ， 在 某 种 确 定 的 增 强 材料 基 体 体 系 中 ， 选 择 的 改 性 合 金 元 素 应 使 界 面发 生 反 应 时 的 反 应 速 度 常 数 尽 可 能 小 ， 以 保 持 第 类 界 面 的 稳 定 性 。 第 二 是 通 过 在 基 体 中 添 加 合 金 元 素 ， 在 增 强 材料 表 面 形 成 一 层 薄 的 反 应 层 而 增 加 增 强 材 料 的 表面 能 ,从 而 改 善 界 面 浸 润 性 。 第 三 是 添 加 的 合 金 元 素 尽 可 能 不 与 增 强 材 料 表面 发 生 界 面 反 应 ， 但

34、可 降 低 基 体 液 相 的 表 面 能 ，从 而 改 善 界 面 浸 润 性 。 基 体 改 性 合 金 化 元 素 应 考 虑 为 与 增 强 材 料 组 成元 素 化 学 位 相 近 的 元 素 ， 因 为 化 学 位 相 近 的 物 质亲 和 力 大 ， 容 易 发 生 润 湿 ， 此 外 化 学 位 是 推 动 反应 的 位 能 ， 差 别 小 发 生 反 应 的 可 能 性 亦 小 。 例 ： 在 硼 纤 维 增 强 钛 基 复 合 材 料 研 制 中 ， 硼 纤维 与 钛 的 界 面 反 应 强 烈 ， 界 面 反 应 产 物 TiB2又 是 脆性 物 质 ， 在 达 到 一

35、定 临 界 厚 度 后 ， 在 远 低 于 硼 纤维 断 裂 应 变 条 件 下 ， 硼 化 物 界 面 层 破 裂 ， 引 起 硼纤 维 的 断 裂 ， 如 图 5-39所 示 。 为 了 控 制 界 面 硼 化 物 的 厚 度 ， 在 钛 中 分 别 添 加铝 、 钼 、 钒 和 锆 合 金 元 素 可 以 明 显 降 低 硼 化 物 生成 速 度 ， 尤 其 是 当 铝 、 钼 、 钒 和 锆 综 合 合 金 化 时其 作 用 更 为 明 显 。 硼 化 物 的 厚 度 的 控 制 避 免 了 硼纤 维 的 早 期 断 裂 。 4.2.3 陶 瓷 基 复 合 材 料 的 界 面陶 瓷 基

36、 复 合 材 料 的 界 面 设 计 （ 改 善 陶 瓷 韧 性 差 的缺 点 ） 陶 瓷 基 复 合 材 料 要 有 一 个 最 佳 的 界 面 强 度 ， 一方 面 应 强 到 足 以 传 递 轴 向 载 荷 并 具 有 高 的 横 向 强度 ， 另 一 方 面 要 弱 到 足 以 沿 界 面 发 生 横 向 裂 纹 沿纤 维 轴 向 偏 转 直 到 纤 维 脱 粘 、 断 裂 、 拔 出 。 所 有这 些 过 程 都 要 吸 收 能 量 ， 从 而 提 高 复 合 材 料 的 断裂 韧 性 ， 避 免 了 突 然 的 脆 性 失 效 。 强 的 界 面 粘 结 往 往 导 致 脆 性 破

37、 坏 。 4.3 增 强 材 料 的 表 面 处 理 什 么 是 增 强 材 的 表 面 处 理 ？ 其 目 的 是 什么 ？ P70 4.3.1 玻 璃 纤 维 的 表 面 处 理 常 采 用 偶 联 剂 涂 层 的 方 法 对 纤 维 表 面 进 行 处 理 ，以 改 善 树 脂 对 玻 璃 纤 维 的 浸 润 性 。 最 有 代 表 性 的 偶 联 剂 品 牌 为 沃 兰 (Volan) 沃 兰 对 玻 璃 纤 维 表 面 处 理 机 理 如 下 ： 1.沃 兰 水 解 2.玻 璃 纤 维 表 面 吸 水 ， 生 成 羟 基 3.沃 兰 与 吸 水 的 玻 璃 纤 维 表 面 反 应（

38、1） 沃 兰 之 间 及 沃 兰 与 玻 纤 表 面 间 形 成 氢 键 （ 2） 沃 兰 之 间 及 沃 兰 与 玻 纤 表 面 间 缩 合 醚 化 反应 （ 干 燥 、 脱 水 ）4.制 备 复 合 材 料 时 沃 兰 的 R基 团 将 与 基 体 树 脂 反 应 用 表 面 处 理 剂 处 理 玻 璃 纤 维 的 方 法 有 三 种 ： 1.前 处 理 法 2.后 处 理 法 3.迁 移 法 自 学 内 容 4.3.2 碳 纤 维 的 表 面 处 理 碳 纤 维 表 面 处 理 的 方 法 有 哪 些 ？ 这 些 表 面 处 理 的 目 的 是 什 么 ？它 们 各 基 于 什 么 界 面 作 用 理 论 ？ 4.3.3 Kevlar纤 维 的 表 面 处 理 -方 法 、 目 的 、 界 面 作 用 理 论4.3.4 超 高 分 子 量 聚 乙 烯 纤 维 的 表 面 处 理 方 法 、 目 的 、 界 面 作 用 理 论 ?4.3.5 金 属 基 复 合 材 料 增 强 纤 维 的 表 面 处 理 （ 自 学 ） 金 属 基 复 合 材 料 增 强 纤 维 的 表 面 处 理 的 目 的 是 什 么 ？ 书 中 所 举 的 三 个 例 子 各 基 于 那 种 目 的 ？