1、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)本章要求本章要求4了解復(fù)合資料界面的根本概念和界面結(jié)合類型；了解復(fù)合資料界面的根本概念和界面結(jié)合類型；4了解聚合物基、金屬基和陶瓷基復(fù)合資料的界了解聚合物基、金屬基和陶瓷基復(fù)合資料的界面特征、界面要求及界面控制方法。面特征、界面要求及界面控制方法。4了解復(fù)合資料界面性能的表征方法。了解復(fù)合資料界面性能的表征方法。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4 復(fù)合資料的界面實(shí)際4.1 復(fù)合資料界面的根本概念4.2 界面結(jié)合類型和界面模型4.3 對界面的要求4.4 聚合物基復(fù)合資料的界面及優(yōu)

2、化4.5 金屬基復(fù)合資料的界面及優(yōu)化4.6 陶瓷基復(fù)合資料界面及優(yōu)化4.7 復(fù)合資料界面性能的表征國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4.1 復(fù)合資料界面的根本概念4.1.1 界面定義4.1.2 潤濕與結(jié)合4.1.3 復(fù)合資料中纖維與基體的界面相容性國防科技大學(xué)航天與資料工程學(xué)院國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4.1.1 界面定義4.1.1.1 定義4.1.1.2 原子配位的概念4.1.1.3 復(fù)合資料中纖維與基體的界面國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4.1.1.1 定義可以把任何兩相如纖維與基體之間某種資料可以把任何兩相如纖維與基體之間某種資

3、料特性出現(xiàn)不延續(xù)性的區(qū)域叫做界面。特性出現(xiàn)不延續(xù)性的區(qū)域叫做界面。這種不延續(xù)性能夠是陡變的，也能夠是漸變的。這種不延續(xù)性能夠是陡變的，也能夠是漸變的。很顯然，一個(gè)給定的界面，其所涉及的資料特性很顯然，一個(gè)給定的界面，其所涉及的資料特性不延續(xù)性可以是一個(gè)也可以是幾個(gè)。不延續(xù)性可以是一個(gè)也可以是幾個(gè)。普通，界面在本質(zhì)上是一個(gè)兩維區(qū)域。普通，界面在本質(zhì)上是一個(gè)兩維區(qū)域。 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)元素的濃度元素的濃度concentration of an elementconcentration of an element晶體構(gòu)造晶體構(gòu)造crystal structurecr

4、ystal structure原子的配位原子的配位atomic registryatomic registry彈性模量彈性模量elastic moduluselastic modulus密度密度densitydensity熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)coefficient of thermal expansioncoefficient of thermal expansion資料的特性包括：資料的特性包括：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4.1.1.2 原子配位的概念 上述大多數(shù)物理、化學(xué)或力學(xué)的不延續(xù)性都可以上述大多數(shù)物理、化學(xué)或力學(xué)的不延續(xù)性都可以自釋，而原子配位的概念還需求進(jìn)一

5、步詳細(xì)闡明。自釋，而原子配位的概念還需求進(jìn)一步詳細(xì)闡明。 根據(jù)界面處原子配位的類型，可以將界面分為：根據(jù)界面處原子配位的類型，可以將界面分為： 共格界面共格界面 半共格界面半共格界面 非共格界面非共格界面國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)共格界面定義：界面處的原子屬于兩部分晶體共格界面定義：界面處的原子屬于兩部分晶體所共有，即在界面兩側(cè)，原子位置之間存在一所共有，即在界面兩側(cè)，原子位置之間存在一一對應(yīng)的關(guān)系。如圖一對應(yīng)的關(guān)系。如圖4-1(a)4-1(a)所示。所示。普通除孿晶普通除孿晶twintwin外，晶體之間很難出現(xiàn)這外，晶體之間很難出現(xiàn)這種理想的原子配位即界面沒有變形，界

6、面能種理想的原子配位即界面沒有變形，界面能接近于零。接近于零。共格界面的界面能比較低。共格界面的界面能比較低。1 1共格界面共格界面coherent coherent interfaceinterface國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué) 在大多數(shù)情況下，界面兩側(cè)的晶格常數(shù)不相等在大多數(shù)情況下，界面兩側(cè)的晶格常數(shù)不相等即即aa ，共格界面處總是存在一定程度的，共格界面處總是存在一定程度的彈性變形。如圖彈性變形。如圖4-1(b)所示。所示。 111 (a) (b)圖圖4-1 共格界面的兩種情況共格界面的兩種情況a共格孿晶界面；共格孿晶界面；b普通共格界面普通共格界面aa普通共格界

7、面普通共格界面共格孿晶界面共格孿晶界面國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué) 界面處原子只需一部分是一一對應(yīng)的，而其他那么是界面處原子只需一部分是一一對應(yīng)的，而其他那么是由周期性出現(xiàn)的位錯(cuò)組成的。如圖由周期性出現(xiàn)的位錯(cuò)組成的。如圖4-2所示。所示。 位錯(cuò)位錯(cuò) 位錯(cuò)位錯(cuò) 原子配位區(qū)原子配位區(qū) 原子配位區(qū)原子配位區(qū) 原子配位區(qū)原子配位區(qū) 圖圖4-2 半共格界面半共格界面2半共格界面半共格界面semi-coherent interface國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué) 在界面處的原子曾經(jīng)找不到任何對應(yīng)關(guān)系。普通，這在界面處的原子曾經(jīng)找不到任何對應(yīng)關(guān)系。普通，這種非共格

8、界面只需幾個(gè)原子直徑寬。在此區(qū)域，原子陳列種非共格界面只需幾個(gè)原子直徑寬。在此區(qū)域，原子陳列紊亂、不規(guī)那么。紊亂、不規(guī)那么。 3非共格界面非共格界面in-coherent interface 也就是說，非共格界也就是說，非共格界面處的原子陳列與相鄰面處的原子陳列與相鄰晶體晶體 和和的的構(gòu)造均不一樣，與相鄰構(gòu)造均不一樣，與相鄰晶粒構(gòu)造也能夠不一樣晶粒構(gòu)造也能夠不一樣。如圖。如圖4-34-3所示。所示。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4.1.1.3 復(fù)合資料中纖維與基體的界面界面形貌界面形貌纖維與基體之間的界面是在制造過程中產(chǎn)生的；纖維與基體之間的界面是在制造過程中產(chǎn)生的；纖維與

9、基體之間的界面是纖維與基體之間的界面是A-A-粗糙界面粗糙界面rough rough interface) interface) ，而不是，而不是B-B-理想的平面界面。理想的平面界面。 纖維纖維 纖維纖維 A A界面界面 B B界面界面 基體基體 基體基體 圖圖4-4 4-4 復(fù)合資料中的界面復(fù)合資料中的界面 A A粗糙界粗糙界面；面；BB理想平面界面理想平面界面國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué) 在粗糙界面的情況下，通常是根據(jù)潤濕在粗糙界面的情況下，通常是根據(jù)潤濕wettability)概念來研討纖維概念來研討纖維f與基體與基體m之間的嚴(yán)之間的嚴(yán)密接觸。即密接觸。即f-m之

10、間的嚴(yán)密接觸取決于液體之間的嚴(yán)密接觸取決于液體m能否能否潤濕纖維潤濕纖維f。液體液體基體基體m固體固體纖維纖維f圖圖4-5 粗糙界面時(shí)纖維與基體的接觸粗糙界面時(shí)纖維與基體的接觸國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4.1.2 潤濕與結(jié)合4.1.2.1 潤濕性4.1.2.2 潤濕性與結(jié)合概念的區(qū)別國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4.1.2.1 潤濕性1 1潤濕性的定義潤濕性的定義潤濕性是用于描畫液體在固體外表上自動(dòng)潤濕性是用于描畫液體在固體外表上自動(dòng)鋪展程度的術(shù)語。鋪展程度的術(shù)語。潤濕性在促進(jìn)結(jié)合或妨礙結(jié)合的機(jī)理方面潤濕性在促進(jìn)結(jié)合或妨礙結(jié)合的機(jī)理方面是最關(guān)鍵的概念

11、。是最關(guān)鍵的概念。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)2 2潤濕性的丈量潤濕性的丈量 溫度升高方向溫度升高方向 950 900 1000 1100 1150圖圖4-7 丈量潤濕性的滴球模型丈量潤濕性的滴球模型國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué) 潤濕條件：潤濕條件： ls + lv sv即：即： 液液-固外表能固外表能 + 液液-氣外表能氣外表能 固固-氣外表能氣外表能只需當(dāng)系統(tǒng)自在能產(chǎn)生凈減少只需當(dāng)系統(tǒng)自在能產(chǎn)生凈減少(a net reduction)時(shí)，時(shí)，液滴才將鋪展，并潤濕固體外表。反之，那么液滴才將鋪展，并潤濕固體外表。反之，那么不會出現(xiàn)完全潤濕。不會出現(xiàn)

12、完全潤濕。 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)潤濕條件：潤濕條件：完全潤濕時(shí)：完全潤濕時(shí)： =0完全不潤濕時(shí)：完全不潤濕時(shí)： =180部分潤濕時(shí)：部分潤濕時(shí)：0 90圖圖4-8 潤濕條件表示圖潤濕條件表示圖國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)3 3影響潤濕角大小的要素影響潤濕角大小的要素 固體外表的原始形狀。如吸附氣體、氧化膜等固體外表的原始形狀。如吸附氣體、氧化膜等均使?jié)櫇窠窃龃?；均使?jié)櫇窠窃龃螅?固體外表粗糙度將影響潤濕角；固體外表粗糙度將影響潤濕角； 固相或液相的夾雜包括人為的或相與相之固相或液相的夾雜包括人為的或相與相之間的化學(xué)反響所呵斥的產(chǎn)物都將影響潤濕

13、性間的化學(xué)反響所呵斥的產(chǎn)物都將影響潤濕性潤濕劑。潤濕劑。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4 4潤濕性的改善途徑潤濕性的改善途徑v 對纖維進(jìn)展涂層對纖維進(jìn)展涂層v 變卦基體成份變卦基體成份v 改動(dòng)溫度改動(dòng)溫度v 添加液體壓力添加液體壓力v 改動(dòng)加工氣氛改動(dòng)加工氣氛 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)v 對纖維進(jìn)展涂層對纖維進(jìn)展涂層 涂層方法：電鍍、化學(xué)鍍、涂層方法：電鍍、化學(xué)鍍、 化學(xué)氣相堆積、熱解等?；瘜W(xué)氣相堆積、熱解等。涂層目的：增大纖維的外表能涂層目的：增大纖維的外表能svsv實(shí)例：玻璃纖維的硅烷涂層；實(shí)例：玻璃纖維的硅烷涂層； 碳纖維的鈦碳纖維的鈦- -

14、硼硼(Ti-B)(Ti-B)涂層；涂層； 硼纖維的硼纖維的SiCSiC、B4CB4C涂層涂層 碳化硅纖維的熱解碳涂層等。碳化硅纖維的熱解碳涂層等。涂層涂層纖維纖維國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)v 變卦基體成份變卦基體成份 改動(dòng)金屬基體化學(xué)成份的方法是合金化。改動(dòng)金屬基體化學(xué)成份的方法是合金化。目的：使合金元素在界面上富集，降低外表能目的：使合金元素在界面上富集，降低外表能ls，從而降低接觸角潤濕角，從而降低接觸角潤濕角。 160 Zr 120 80 40 Cr 0 30 60 90 120 時(shí)間min)圖圖4-6 潤濕角的降低與潤濕角的降低與所加元素和熔化時(shí)間所加元素和熔化

15、時(shí)間的關(guān)系的關(guān)系C / Cu國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué) 普通，提高溫度可使?jié)櫇窠菧p小。普通，提高溫度可使?jié)櫇窠菧p小。 如如C/Al系，在系，在1050時(shí)，時(shí)，才小于才小于90。但。但是是,在此高溫下，會產(chǎn)生：在此高溫下，會產(chǎn)生：基體嚴(yán)重過熱，鋁氧化；基體嚴(yán)重過熱，鋁氧化；C與與Al發(fā)生化學(xué)反響在界面生成發(fā)生化學(xué)反響在界面生成Al4C3,使界面使界面脆化。導(dǎo)致復(fù)合資料低應(yīng)力斷裂。脆化。導(dǎo)致復(fù)合資料低應(yīng)力斷裂。再如再如W/Cu系，要在系，要在1400才潤濕。而才潤濕。而Cu的的熔點(diǎn)為熔點(diǎn)為1083。Ta/Sn系，在系，在1000潤濕。潤濕。Sn的熔點(diǎn)僅為的熔點(diǎn)僅為232。v

16、 改動(dòng)溫度改動(dòng)溫度國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)所加外壓必需抑制毛細(xì)管壓力所加外壓必需抑制毛細(xì)管壓力PcPc： Pc=4 Pc=4lv(Vf/df)coslv(Vf/df)cos 式中，式中，Vf Vf 、df df 分別為纖維體積分?jǐn)?shù)和纖維直徑分別為纖維體積分?jǐn)?shù)和纖維直徑。可見，可見，Vf / df Vf / df 越大、越大、lv lv 越大，那么越大，那么Pc Pc 的絕對值的絕對值越大。但是還要看越大。但是還要看coscos的正、負(fù)。的正、負(fù)。 當(dāng)當(dāng)9090，coscos0 0，那么，那么PcPc為正值。是完全潤濕為正值。是完全潤濕的情況，液體金屬可自動(dòng)浸滲纖維束；

17、的情況，液體金屬可自動(dòng)浸滲纖維束； 當(dāng)當(dāng)9090，coscos0,0,那么那么PcPc為負(fù)值。是不潤濕的為負(fù)值。是不潤濕的情況，此時(shí)必需施加大于情況，此時(shí)必需施加大于PcPc的外力才干使液體滲入纖的外力才干使液體滲入纖維束。維束。v 添加液體壓力添加液體壓力國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué) 假設(shè)在固體或液體外表吸附某種氣體，可以假設(shè)在固體或液體外表吸附某種氣體，可以改動(dòng)改動(dòng)sv sv 或或 lvlv使外表張力降低。使外表張力降低。 如在大氣中含如在大氣中含10%10%的的O2,O2,可使銀的外表張力從可使銀的外表張力從1200erg/cm2 1200erg/cm2 降低至降低

18、至400erg/cm2400erg/cm23 3倍，此時(shí)倍，此時(shí)，銀很容易潤濕用鎳涂層的，銀很容易潤濕用鎳涂層的Al2O3Al2O3晶須。晶須。要求：課后歸納改善潤濕性的幾種途徑要求：課后歸納改善潤濕性的幾種途徑v 改動(dòng)加工氣氛改動(dòng)加工氣氛國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4.1.2.2 潤濕性與結(jié)合概念的區(qū)別 良好的結(jié)合意味著沿著整個(gè)界面構(gòu)成均勻的、原良好的結(jié)合意味著沿著整個(gè)界面構(gòu)成均勻的、原子或分子程度的接觸。其結(jié)合強(qiáng)度可以從弱的范子或分子程度的接觸。其結(jié)合強(qiáng)度可以從弱的范德華力德華力Van der WaalsVan der Waals到強(qiáng)的共價(jià)鍵到強(qiáng)的共價(jià)鍵covalen

19、t bondcovalent bond。 潤濕性指的是固體、液體在分子程度上嚴(yán)密接觸潤濕性指的是固體、液體在分子程度上嚴(yán)密接觸的能夠程度。的能夠程度。 潤濕角低潤濕角低909090那么闡明潤濕性差。那么闡明潤濕性差。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4.1.3 復(fù)合資料中纖維與基體的界面相容性4.1.3.1 界面的物理相容性4.1.3.2 界面的化學(xué)相容性國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)相容性的含義相容性的含義 相容性相容性compatibilitycompatibility是指纖維與基體能是指纖維與基體能否相互包容。否相互包容。 相容性包括：相容性包括： 化

20、學(xué)相容性化學(xué)相容性力學(xué)相容性力學(xué)相容性物理相容性物理相容性國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4.1.3.1 界面的物理相容性physical compatibility物理相容性主要指：物理相容性主要指：1 1纖維與基體間的潤濕性纖維與基體間的潤濕性基體對纖維潤濕不好時(shí)，界面結(jié)合太弱，使其傳送載基體對纖維潤濕不好時(shí)，界面結(jié)合太弱，使其傳送載荷的功能不能充分發(fā)揚(yáng)。荷的功能不能充分發(fā)揚(yáng)。2 2熱剩余應(yīng)力熱剩余應(yīng)力在制造過程，由于組元之間熱膨脹系數(shù)不匹配引起組在制造過程，由于組元之間熱膨脹系數(shù)不匹配引起組元和界面剩余應(yīng)力。它容易呵斥微裂紋和影響組元元和界面剩余應(yīng)力。它容易呵斥微裂紋和

21、影響組元的承載才干，導(dǎo)致復(fù)合資料低應(yīng)力斷裂。但對于陶的承載才干，導(dǎo)致復(fù)合資料低應(yīng)力斷裂。但對于陶瓷基復(fù)合資料來說，反而能夠產(chǎn)生增韌效果。瓷基復(fù)合資料來說，反而能夠產(chǎn)生增韌效果。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)界面剩余應(yīng)力產(chǎn)生緣由：界面剩余應(yīng)力產(chǎn)生緣由： 制造過程中，由復(fù)合溫度冷至室溫，制造過程中，由復(fù)合溫度冷至室溫，或運(yùn)用過程中，由室溫升至高溫，出現(xiàn)或運(yùn)用過程中，由室溫升至高溫，出現(xiàn)急冷或急熱。當(dāng)復(fù)合資料中各組元的熱急冷或急熱。當(dāng)復(fù)合資料中各組元的熱膨脹系數(shù)不同時(shí)，將產(chǎn)生剩余內(nèi)應(yīng)力。膨脹系數(shù)不同時(shí)，將產(chǎn)生剩余內(nèi)應(yīng)力。 表表4-1 常用纖維及基體的熱膨脹系數(shù)常用纖維及基體的熱膨

22、脹系數(shù)10-6/ ：SiC Al2O3 C B Si3N4 Al Mg Ti Ni 4-6 8.3 -1 6.3 3.6 24.525.8 26 9.614.0 15.517.5國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)剩余應(yīng)力的符號：剩余應(yīng)力的符號： z表示軸向應(yīng)力；表示軸向應(yīng)力； r表示徑向應(yīng)力；表示徑向應(yīng)力；表示切向應(yīng)力。表示切向應(yīng)力。 z r 圖圖4-9 單元體上的應(yīng)力分量單元體上的應(yīng)力分量國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)MatrixFiberABC 復(fù)合資料制備過程應(yīng)力重新分布表示圖復(fù)合資料制備過程應(yīng)力重新分布表示圖：高溫下，纖維：高溫下，纖維與基體的長度一

23、致；與基體的長度一致；：冷卻后由于熱膨脹系數(shù)的差別產(chǎn)生熱應(yīng)：冷卻后由于熱膨脹系數(shù)的差別產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)基體的膨脹系數(shù)大于纖維的膨脹系數(shù)時(shí)，基體將遭到拉應(yīng)力。當(dāng)基體的膨脹系數(shù)大于纖維的膨脹系數(shù)時(shí)，基體將遭到拉應(yīng)力的作用，而纖維將遭到壓應(yīng)力的作用。力的作用，而纖維將遭到壓應(yīng)力的作用。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)引起基體變形引起基體變形 W/Cu W/Cu系，系，11001100浸滲，冷至室溫后，界浸滲，冷至室溫后，界面附近的面附近的CuCu基體中位錯(cuò)密度增高?；w中位錯(cuò)密度增高。ChawlaChawla和和MetzgerMetzger以為是熱應(yīng)力呵斥基體塑性變形而引以為是熱應(yīng)力

24、呵斥基體塑性變形而引起的。起的。 Arsenault Arsenault發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)SiCw/AlSiCw/Al系也有類系也有類似的情況。似的情況。呵斥纖維或基體預(yù)應(yīng)力呵斥纖維或基體預(yù)應(yīng)力 當(dāng)當(dāng)fzfzmzmz時(shí)時(shí)( (常見于陶瓷基復(fù)合資料常見于陶瓷基復(fù)合資料，由高溫冷至室溫。界面附近基體中產(chǎn)生，由高溫冷至室溫。界面附近基體中產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，使基體抵抗拉伸載荷下開裂的才預(yù)壓應(yīng)力，使基體抵抗拉伸載荷下開裂的才干添加。起增韌效果。干添加。起增韌效果。熱應(yīng)力的作用熱應(yīng)力的作用國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)1復(fù)合資料中界面的重要性復(fù)合資料中界面的重要性 在纖維加強(qiáng)復(fù)合資料的情況下，界面在

25、纖維加強(qiáng)復(fù)合資料的情況下，界面,或或更準(zhǔn)確地說更準(zhǔn)確地說界面區(qū)域界面區(qū)域是由纖維與基是由纖維與基體的外表層附近以及這些外表層之間的物質(zhì)體的外表層附近以及這些外表層之間的物質(zhì)層所組成。層所組成。 *纖維或基體附近的外表層是由于纖維纖維或基體附近的外表層是由于纖維基體元素相互基體元素相互溶解、分散構(gòu)成的，而過渡層是由于化學(xué)反溶解、分散構(gòu)成的，而過渡層是由于化學(xué)反響產(chǎn)物組成的。響產(chǎn)物組成的。纖維纖維*纖維外表層纖維外表層過渡層過渡層*基體外表層基體外表層基體基體4.1.3.2 界面的化學(xué)相容性國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué) 在復(fù)合資料中界面之所以重要的理由在復(fù)合資料中界面之所以重

26、要的理由是被界面所占有的內(nèi)外表積非常大，在是被界面所占有的內(nèi)外表積非常大，在一個(gè)適當(dāng)體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合資料中界面面一個(gè)適當(dāng)體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合資料中界面面積可達(dá)積可達(dá): : 纖維復(fù)合資料：纖維體積分?jǐn)?shù)纖維復(fù)合資料：纖維體積分?jǐn)?shù)50%50%，直，直徑徑1010m m，那么界面面積，那么界面面積2000 cm2/cm32000 cm2/cm3。 顆粒加強(qiáng)復(fù)合資料：顆粒體積分?jǐn)?shù)顆粒加強(qiáng)復(fù)合資料：顆粒體積分?jǐn)?shù)50%50%，直徑，直徑1 1m m，那么界面面積，那么界面面積15000cm2/cm315000cm2/cm3。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué) 化學(xué)成份參數(shù)化學(xué)成份參數(shù) 幾何和尺寸參數(shù)

27、幾何和尺寸參數(shù) 微觀構(gòu)造和組織形狀微觀構(gòu)造和組織形狀 界面區(qū)出現(xiàn)的不同相的力學(xué)、物理、界面區(qū)出現(xiàn)的不同相的力學(xué)、物理、化學(xué)和熱學(xué)特性參數(shù)化學(xué)和熱學(xué)特性參數(shù) (2)(2)表征界面的參數(shù)表征界面的參數(shù)國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué) 良好的化學(xué)相容性是指在高溫時(shí)復(fù)合資料兩相處良好的化學(xué)相容性是指在高溫時(shí)復(fù)合資料兩相處于熱力學(xué)平衡，以及兩相反響動(dòng)力學(xué)非常緩慢。于熱力學(xué)平衡，以及兩相反響動(dòng)力學(xué)非常緩慢。 除共晶復(fù)合資料和原位生長復(fù)合資料外，普通復(fù)除共晶復(fù)合資料和原位生長復(fù)合資料外，普通復(fù)合資料都很難找到熱力學(xué)平衡體系。合資料都很難找到熱力學(xué)平衡體系。 在選擇組元時(shí)，只能根據(jù)組元在孤立

28、情況下的力在選擇組元時(shí)，只能根據(jù)組元在孤立情況下的力學(xué)和物理性能來選擇。當(dāng)把兩組元放在一同構(gòu)成復(fù)學(xué)和物理性能來選擇。當(dāng)把兩組元放在一同構(gòu)成復(fù)合資料時(shí)，由于熱力學(xué)不平衡，通常存在一個(gè)驅(qū)動(dòng)合資料時(shí)，由于熱力學(xué)不平衡，通常存在一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，促使兩組元發(fā)生某種反響，導(dǎo)致體系到達(dá)熱力力，促使兩組元發(fā)生某種反響，導(dǎo)致體系到達(dá)熱力學(xué)平衡形狀。學(xué)平衡形狀。(3) (3) 界面處的相互作用界面處的相互作用國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)在確定復(fù)合資料界面最終的平衡形狀時(shí)，可在確定復(fù)合資料界面最終的平衡形狀時(shí)，可以查閱兩組元或三組元的相圖。以查閱兩組元或三組元的相圖。有關(guān)反響動(dòng)力學(xué)的技術(shù)資料，例如

29、一個(gè)組元有關(guān)反響動(dòng)力學(xué)的技術(shù)資料，例如一個(gè)組元在另一個(gè)組元中的分散系數(shù)，可以提供關(guān)于系在另一個(gè)組元中的分散系數(shù)，可以提供關(guān)于系統(tǒng)到達(dá)一種平衡形狀和過程方面的信息。統(tǒng)到達(dá)一種平衡形狀和過程方面的信息。為了確定組元的化學(xué)相容性，在熱力學(xué)和動(dòng)為了確定組元的化學(xué)相容性，在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)方面，還必需做許多實(shí)驗(yàn)研討。力學(xué)數(shù)據(jù)方面，還必需做許多實(shí)驗(yàn)研討。熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)對界面相互作用研討的重要性熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)對界面相互作用研討的重要性國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4.2 界面模型和界面類型4.2.1 界面結(jié)合類型4.2.2 MMC中的界面4.2.3 界面模型國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工

30、程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4.2.1 界面結(jié)合類型4.2.1.1 機(jī)械結(jié)合4.2.1.2 溶解與潤濕結(jié)合4.2.1.3 反響結(jié)合4.2.1.4 交換反響結(jié)合4.2.1.5 氧化物結(jié)合4.2.1.6 混合結(jié)合國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)學(xué)習(xí)界面模型的目的是最終可以控制基體學(xué)習(xí)界面模型的目的是最終可以控制基體與加強(qiáng)體之間的結(jié)合程度，從而做到控制與加強(qiáng)體之間的結(jié)合程度，從而做到控制界面。界面。界面結(jié)合類型簡單分為機(jī)械結(jié)合和化學(xué)結(jié)界面結(jié)合類型簡單分為機(jī)械結(jié)合和化學(xué)結(jié)合兩類?；瘜W(xué)結(jié)合又分為：溶解與潤濕結(jié)合兩類?；瘜W(xué)結(jié)合又分為：溶解與潤濕結(jié)合和反響結(jié)合。合和反響結(jié)合。學(xué)習(xí)界面模型的目的和

31、界面分類學(xué)習(xí)界面模型的目的和界面分類國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)(a)機(jī)械結(jié)合機(jī)械結(jié)合(b)溶解與溶解與潤濕結(jié)合潤濕結(jié)合(c)反響結(jié)合反響結(jié)合界面結(jié)合主要類型界面結(jié)合主要類型M FM FM MFx F圖圖4-12 4-12 復(fù)合資料界面結(jié)合的主要類型復(fù)合資料界面結(jié)合的主要類型國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)(1)(1)定義定義 基體與加強(qiáng)體之間沒有任何化學(xué)作用基體與加強(qiáng)體之間沒有任何化學(xué)作用，而依托純粹的粗糙外表相互嵌入互鎖，而依托純粹的粗糙外表相互嵌入互鎖作用進(jìn)展銜接，稱為機(jī)械結(jié)合或機(jī)械互作用進(jìn)展銜接，稱為機(jī)械結(jié)合或機(jī)械互鎖鎖(mechanical i

32、nterlocking)(mechanical interlocking)。 4.2.1.1 機(jī)械結(jié)合(mechanical bonding)國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)(a)(a)纖維的外表粗糙度大，有助于基體的嵌合；纖維的外表粗糙度大，有助于基體的嵌合；(b)(b)基體的收縮性大，有助于對纖維扣緊。基體的收縮性大，有助于對纖維扣緊。 纖維纖維 基體基體 外表粗糙外表粗糙纖維纖維 基體基體 基體收縮基體收縮(a)(b)圖圖4-13 有助于機(jī)械互鎖的要素有助于機(jī)械互鎖的要素有助于機(jī)械互鎖的要素：有助于機(jī)械互鎖的要素：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)硼纖維

33、硼纖維/ /鋁鋁用用CVDCVD方法消費(fèi)的硼纖維，外表是玉方法消費(fèi)的硼纖維，外表是玉米穗米穗(corn cob)(corn cob)構(gòu)造，與金屬鋁箔固態(tài)復(fù)合時(shí)，由構(gòu)造，與金屬鋁箔固態(tài)復(fù)合時(shí)，由于基體軟，壓緊后填充硼纖維外表，構(gòu)成機(jī)械結(jié)合于基體軟，壓緊后填充硼纖維外表，構(gòu)成機(jī)械結(jié)合。在這種情況下，不一定需求潤濕或冶金學(xué)結(jié)合。在這種情況下，不一定需求潤濕或冶金學(xué)結(jié)合。W/AlW/Al實(shí)驗(yàn)研討證明，對光滑實(shí)驗(yàn)研討證明，對光滑W W絲進(jìn)展腐蝕，使絲進(jìn)展腐蝕，使外表粗糙，再涂覆石墨以防與鋁反響，真空滲鋁得外表粗糙，再涂覆石墨以防與鋁反響，真空滲鋁得到的到的W/Al W/Al 復(fù)合資料，具有機(jī)械結(jié)合界面。

34、其縱向強(qiáng)復(fù)合資料，具有機(jī)械結(jié)合界面。其縱向強(qiáng)度高到達(dá)混合物定那么的度高到達(dá)混合物定那么的91%91%。從拉伸后的復(fù)合。從拉伸后的復(fù)合資料中萃取的資料中萃取的W W纖維上出現(xiàn)許多頸縮纖維上出現(xiàn)許多頸縮(necking)(necking)，闡，闡明機(jī)械互鎖對接受縱向拉伸載荷很有效。明機(jī)械互鎖對接受縱向拉伸載荷很有效。2 2機(jī)械結(jié)合的效果機(jī)械結(jié)合的效果國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)現(xiàn)實(shí)上，純粹的機(jī)械結(jié)合即無任何化學(xué)作用現(xiàn)實(shí)上，純粹的機(jī)械結(jié)合即無任何化學(xué)作用是不存在的?；w與加強(qiáng)體之間總會有弱的范是不存在的。基體與加強(qiáng)體之間總會有弱的范德華力存在，故機(jī)械結(jié)合更確切地講是機(jī)械結(jié)合德華

35、力存在，故機(jī)械結(jié)合更確切地講是機(jī)械結(jié)合占優(yōu)勢的結(jié)合。而且大多數(shù)情況下，機(jī)械結(jié)合與占優(yōu)勢的結(jié)合。而且大多數(shù)情況下，機(jī)械結(jié)合與反響結(jié)合并存，是一種混合結(jié)合。反響結(jié)合并存，是一種混合結(jié)合。另外，機(jī)械結(jié)合只需當(dāng)平行于界面施力時(shí)，其另外，機(jī)械結(jié)合只需當(dāng)平行于界面施力時(shí)，其載荷傳送才是有效的。載荷傳送才是有效的。陶瓷基復(fù)合資料中的界面，以機(jī)械結(jié)合為主。陶瓷基復(fù)合資料中的界面，以機(jī)械結(jié)合為主。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)1 1定義定義 基體與加強(qiáng)體之間首先發(fā)生潤濕，然后相互溶基體與加強(qiáng)體之間首先發(fā)生潤濕，然后相互溶解，構(gòu)成的結(jié)合方式稱為溶解與潤濕結(jié)合。解，構(gòu)成的結(jié)合方式稱為溶解與潤濕結(jié)

36、合。但溶解是次要的，由于在高溫下的分散時(shí)間很短。但溶解是次要的，由于在高溫下的分散時(shí)間很短。組元間的相互作用出如今電子等級上，即短程范圍組元間的相互作用出如今電子等級上，即短程范圍，這意味著這些組元將進(jìn)入原子尺度的嚴(yán)密接觸。，這意味著這些組元將進(jìn)入原子尺度的嚴(yán)密接觸。4.2.1.2 溶解與潤濕結(jié)合(dissolution and wettability bonding)國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)2 2溶解與潤濕結(jié)合的要求溶解與潤濕結(jié)合的要求為了到達(dá)潤濕，纖維外表該當(dāng)作適當(dāng)處置，以便：為了到達(dá)潤濕，纖維外表該當(dāng)作適當(dāng)處置，以便：除去污染、吸附的氣體、外表膜；除去污染、吸附

37、的氣體、外表膜；構(gòu)成外表潤濕層、阻撓層；構(gòu)成外表潤濕層、阻撓層；構(gòu)成利于機(jī)械結(jié)合的粗糙外表。構(gòu)成利于機(jī)械結(jié)合的粗糙外表。 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué) 纖維堅(jiān)持新穎外表纖維堅(jiān)持新穎外表 處置方法處置方法 纖維涂層纖維涂層 外表氧化處置外表氧化處置氣泡氣泡污染污染外表膜外表膜圖圖4-14 纖維外表處置的緣由和方法纖維外表處置的緣由和方法國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)1 1定義定義 基體與纖維間發(fā)生化學(xué)作用，在界基體與纖維間發(fā)生化學(xué)作用，在界面上構(gòu)成一種新的化合物而產(chǎn)生的結(jié)合面上構(gòu)成一種新的化合物而產(chǎn)生的結(jié)合稱為反響結(jié)合。稱為反響結(jié)合。 這是一種最復(fù)雜、最

38、重要的結(jié)合方式。這是一種最復(fù)雜、最重要的結(jié)合方式。4.2.1.3 反響結(jié)合(reaction bonding)國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)2 2反響結(jié)合的本質(zhì)反響結(jié)合的本質(zhì) 反響結(jié)合受分散控制，原子需求分散到反響地反響結(jié)合受分散控制，原子需求分散到反響地點(diǎn)才干進(jìn)展反響。點(diǎn)才干進(jìn)展反響。 不能將基體與纖維產(chǎn)生反響一概稱為反響結(jié)合不能將基體與纖維產(chǎn)生反響一概稱為反響結(jié)合，只需反響后能產(chǎn)生界面結(jié)合者才是反響結(jié)合，只需反響后能產(chǎn)生界面結(jié)合者才是反響結(jié)合，假設(shè)反響后界面產(chǎn)生大量脆性化合物，呵斥界面假設(shè)反響后界面產(chǎn)生大量脆性化合物，呵斥界面弱化，那么不能稱為反響結(jié)合。弱化，那么不能稱

39、為反響結(jié)合。 要實(shí)現(xiàn)良好的反響結(jié)合，必需選擇最正確工藝要實(shí)現(xiàn)良好的反響結(jié)合，必需選擇最正確工藝參數(shù)溫度、壓力、時(shí)間、氣氛等來控制界面參數(shù)溫度、壓力、時(shí)間、氣氛等來控制界面反響的程度。反響的程度。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)采用硅烷采用硅烷R-SiX3R-SiX3偶聯(lián)劑偶聯(lián)劑silanes silanes coupling agentscoupling agents, ,在聚合物基復(fù)合資料的在聚合物基復(fù)合資料的界面實(shí)際中，稱為化學(xué)鍵實(shí)際，是最著名、界面實(shí)際中，稱為化學(xué)鍵實(shí)際，是最著名、最重要的界面實(shí)際。最重要的界面實(shí)際。3 3反響結(jié)合的例子反響結(jié)合的例子例例1 1：玻璃纖維

40、加強(qiáng)不飽和聚酯樹脂：玻璃纖維加強(qiáng)不飽和聚酯樹脂國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)化學(xué)鍵實(shí)際化學(xué)鍵實(shí)際偶聯(lián)劑含有至少兩個(gè)化學(xué)官能團(tuán)，在實(shí)際上，偶聯(lián)劑含有至少兩個(gè)化學(xué)官能團(tuán)，在實(shí)際上，一種官能團(tuán)能與玻璃纖維上的硅烷醇基團(tuán)反響，一種官能團(tuán)能與玻璃纖維上的硅烷醇基團(tuán)反響，并由共價(jià)鍵在玻璃上構(gòu)成附著物；并由共價(jià)鍵在玻璃上構(gòu)成附著物；另一個(gè)官能團(tuán)固化時(shí)在實(shí)際上可與樹脂基體互起另一個(gè)官能團(tuán)固化時(shí)在實(shí)際上可與樹脂基體互起反響。反響。假定發(fā)生這一切，那么偶聯(lián)劑可起媒介作用，以假定發(fā)生這一切，那么偶聯(lián)劑可起媒介作用，以主價(jià)鍵將玻璃和樹脂銜接起來。可以在實(shí)際上主價(jià)鍵將玻璃和樹脂銜接起來?？梢栽趯?shí)際上

41、獲得最強(qiáng)的界面粘接。界面強(qiáng)度達(dá)獲得最強(qiáng)的界面粘接。界面強(qiáng)度達(dá)(50-(50-100)kcal/mol100)kcal/mol。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué) (a)有機(jī)硅烷水解，生成三元羥基硅醇。有機(jī)硅烷水解，生成三元羥基硅醇。 R R X-Si-X HO-Si-OH + 3HX X OH (b) (b)玻璃纖維外表吸水，生成羥基基團(tuán)。玻璃纖維外表吸水，生成羥基基團(tuán)。 OH OH OH OH -Si-O-Si-O- -Si-O-Si-O- 化學(xué)鍵實(shí)際偶聯(lián)劑作用原理化學(xué)鍵實(shí)際偶聯(lián)劑作用原理 ：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)(c)(c)硅醇與吸水的玻璃纖維外

42、表反響硅醇與吸水的玻璃纖維外表反響 又分為三個(gè)步驟：又分為三個(gè)步驟：第一步：先生成氫鍵；第一步：先生成氫鍵；第二步：水分蒸發(fā)，硅醇間進(jìn)展醚化反響；第二步：水分蒸發(fā)，硅醇間進(jìn)展醚化反響；第三步：高溫枯燥，硅醇與吸水玻璃之間發(fā)生第三步：高溫枯燥，硅醇與吸水玻璃之間發(fā)生醚化反響。醚化反響。 反響式見下頁圖。反響式見下頁圖。化學(xué)鍵實(shí)際偶聯(lián)劑作用原理化學(xué)鍵實(shí)際偶聯(lián)劑作用原理國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)第一步：第一步： 第二步：第二步： 第三步：第三步： R H R R R R RHO-Si-O O-Si-OH -O-Si-O-Si-O- -O-Si-O-Si-O- O H O -H

43、2O O O -H2O H H H H H H H H O O O O O O Si O Si O Si O Si Si O Si O玻玻 璃璃 纖纖 維維基基 體體第一步：生第一步：生成氫鍵成氫鍵第二步：水分蒸第二步：水分蒸發(fā)，硅醇醚化反發(fā)，硅醇醚化反響。響。第三步：高溫枯第三步：高溫枯燥，與吸水玻璃燥，與吸水玻璃纖維發(fā)生醚化反纖維發(fā)生醚化反響。響。圖圖4-15 硅醇與玻璃外表的反響式硅醇與玻璃外表的反響式國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)化學(xué)鍵實(shí)際偶聯(lián)劑作用原理化學(xué)鍵實(shí)際偶聯(lián)劑作用原理 有機(jī)硅烷有機(jī)硅烷R-SiX3R-SiX3經(jīng)過經(jīng)過X X基團(tuán)的上述一系列基團(tuán)的上述一系列反

44、響與玻璃纖維外表結(jié)合；反響與玻璃纖維外表結(jié)合； 有機(jī)硅烷有機(jī)硅烷R-SiX3R-SiX3中的中的R R基團(tuán)將與樹脂反響；基團(tuán)將與樹脂反響； 玻璃纖維外表性量變?yōu)樵魉陀H基體。玻璃纖維外表性量變?yōu)樵魉陀H基體。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)(a)(a)有機(jī)硅烷中的有機(jī)硅烷中的X X基團(tuán)較多運(yùn)用：基團(tuán)較多運(yùn)用：甲氧基甲氧基(OCH3)(OCH3)乙氧基乙氧基(-OC2H5)(-OC2H5)甲氧乙氧基甲氧乙氧基(-OC2H5OCH3)(-OC2H5OCH3)優(yōu)點(diǎn)：水解緩慢，生成甲醇無腐蝕性，硅優(yōu)點(diǎn)：水解緩慢，生成甲醇無腐蝕性，硅醇穩(wěn)定，反響時(shí)可有水介質(zhì)。醇穩(wěn)定，反響時(shí)可有水介質(zhì)。

45、常用有機(jī)硅烷及其優(yōu)點(diǎn)常用有機(jī)硅烷及其優(yōu)點(diǎn)國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)(b)(b)有機(jī)硅烷中的有機(jī)硅烷中的R R基團(tuán)較多運(yùn)用：基團(tuán)較多運(yùn)用： 環(huán)氧基環(huán)氧基CH2-CH-適宜于環(huán)氧、聚酯和酚醛樹脂適宜于環(huán)氧、聚酯和酚醛樹脂 O 乙烯基乙烯基 (CH2=CH-) O 甲基丙烯?；谆；?CH2=C-C-O-) 適宜于聚酯、丙烯酸樹脂適宜于聚酯、丙烯酸樹脂 CH3 胺基胺基(NH2-(CH2)3-) 有機(jī)絡(luò)合物，如甲基丙烯酸氯化鉻鹽即沃藍(lán)有機(jī)絡(luò)合物，如甲基丙烯酸氯化鉻鹽即沃藍(lán)國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)例例2 2：碳纖維的外表處置：碳纖維的外表處置(a

46、)(a)氧化法包括液相法和氣相法氧化法包括液相法和氣相法硝酸氧化法：用硝酸濃度硝酸氧化法：用硝酸濃度60%60%，于，于120/24h120/24h煮煮沸，洗去殘液即可，可以提高層間剪切強(qiáng)度沸，洗去殘液即可，可以提高層間剪切強(qiáng)度1 1倍，倍，但拉伸強(qiáng)度略降。但拉伸強(qiáng)度略降。次氯酸鈉氧化法：濃度為次氯酸鈉氧化法：濃度為10%10%或或20%20%，pHpH值值=5.5=5.5時(shí)，時(shí)，次氯酸鈉水溶液與醋酸反響次氯酸鈉水溶液與醋酸反響 生成次氯酸。生成次氯酸。空氣氧化法：空氣氧化法：400/1h400/1h對于對于HTHT碳纖維；碳纖維； 600/ 600/3434hh對于對于HMHM碳纖碳纖維維國

47、防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)(b)(b)外表晶須化法外表晶須化法 碳纖維經(jīng)過溫度為碳纖維經(jīng)過溫度為1100-17001100-1700的晶須生長的晶須生長爐，堆積上爐，堆積上-SiC-SiC晶須，改動(dòng)晶須的外表外形、晶須，改動(dòng)晶須的外表外形、面積和活性，可提高與基體的粘接力。面積和活性，可提高與基體的粘接力。 晶須含量越高，層間剪切強(qiáng)度提高得越多，外晶須含量越高，層間剪切強(qiáng)度提高得越多，外表晶須含量為表晶須含量為64%64%時(shí)，層間剪切強(qiáng)度達(dá)時(shí)，層間剪切強(qiáng)度達(dá)14.3GPa14.3GPa。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)(c)(c)蒸汽堆積法蒸汽堆積法在在

48、10001000條件下裂解乙炔或甲烷，所生成的碳堆條件下裂解乙炔或甲烷，所生成的碳堆積到碳纖維上，其活性大，并與樹脂潤濕。能積到碳纖維上，其活性大，并與樹脂潤濕。能顯著提高層剪強(qiáng)度。顯著提高層剪強(qiáng)度。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)蒸汽類型蒸汽類型 拉伸強(qiáng)度變化率拉伸強(qiáng)度變化率 層間剪切強(qiáng)度變化率層間剪切強(qiáng)度變化率 SiC -5% +60% FeC -10% +80% CH4 -5% +100%表表4-2 4-2 蒸汽堆積法處置后，對碳纖維加強(qiáng)樹脂性能的影響蒸汽堆積法處置后，對碳纖維加強(qiáng)樹脂性能的影響國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)(d)(d)溶液復(fù)原法與凈

49、化法溶液復(fù)原法與凈化法首先使碳纖維經(jīng)過處置液并枯燥，第二步加熱使堆首先使碳纖維經(jīng)過處置液并枯燥，第二步加熱使堆積在碳纖維上的物質(zhì)分解，其產(chǎn)物與惰性碳纖維積在碳纖維上的物質(zhì)分解，其產(chǎn)物與惰性碳纖維外表起復(fù)原反響。生成活性較高的碳，從而易與外表起復(fù)原反響。生成活性較高的碳，從而易與樹脂反響。樹脂反響。處置液：三氯化鐵液處置液：三氯化鐵液 1-51-5% %苯溶液或水溶液苯溶液或水溶液 凈化法處置液：凈化法處置液：10%10%硫酸硫酸國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué) 溶液種類溶液種類 拉伸強(qiáng)度變化率拉伸強(qiáng)度變化率 層剪強(qiáng)度變化率層剪強(qiáng)度變化率Fe(C2H5)2+(1-3)%甲苯甲苯

50、 +28% +80%FeCl3+(1-5)%苯水苯水 -7% +100%苯代聚對二氯萘苯代聚對二氯萘PPQ) 0% +170%+0.1%氯仿氯仿表表4-3 4-3 溶液復(fù)原與凈化法處置后，對碳纖維加強(qiáng)樹脂性溶液復(fù)原與凈化法處置后，對碳纖維加強(qiáng)樹脂性 能的影響能的影響國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)(e)(e)偶聯(lián)劑的化學(xué)涂層偶聯(lián)劑的化學(xué)涂層玻璃纖維的偶聯(lián)劑對碳纖維不適用，而采用鈦酸酯玻璃纖維的偶聯(lián)劑對碳纖維不適用，而采用鈦酸酯涂層碳纖維，或聚二氯二甲基硅烷涂層后再在涂層碳纖維，或聚二氯二甲基硅烷涂層后再在10001000惰性氣體中惰性氣體中6h6h，此種碳纖維可以復(fù)合環(huán)氧。，

51、此種碳纖維可以復(fù)合環(huán)氧。涂層可以是酚醛樹脂、糠醇樹脂、環(huán)氧、聚乙烯醇涂層可以是酚醛樹脂、糠醇樹脂、環(huán)氧、聚乙烯醇和聚酰亞胺。用量為纖維的和聚酰亞胺。用量為纖維的1 12 2% %，流散性好，流散性好，能填平外表孔穴和縫隙。能填平外表孔穴和縫隙。(f)(f)電堆積與電聚合法自學(xué)電堆積與電聚合法自學(xué)國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)例例3 3 金屬基復(fù)合資料的界面金屬基復(fù)合資料的界面元素濃度曲線元素濃度曲線固溶體固溶體 金屬間化合物金屬間化合物 固溶體固溶體M interface F圖圖4-16 金屬基復(fù)合資料的界面金屬基復(fù)合資料的界面金屬基復(fù)合資料界面金屬基復(fù)合資料界面層包括固溶

52、體和金屬層包括固溶體和金屬間化合物間化合物國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué) 反響產(chǎn)物與反響速率一樣，都取決于基體化學(xué)成反響產(chǎn)物與反響速率一樣，都取決于基體化學(xué)成份、反響時(shí)間和溫度。普通公式為：份、反響時(shí)間和溫度。普通公式為： x2 = D t x2 = D t式中，式中，x x是界面反響層厚度即分散間隔；是界面反響層厚度即分散間隔； D D是分散系數(shù)，是分散系數(shù)，D =A exp-Q / (kT) ; D =A exp-Q / (kT) ; t t為時(shí)間；為時(shí)間； Q Q是激活能；是激活能； k k是玻爾茲曼常數(shù)；是玻爾茲曼常數(shù)； T T是絕對溫度；是絕對溫度； A A是預(yù)指

53、數(shù)常數(shù)，是預(yù)指數(shù)常數(shù)，A A與基體合金的成份、纖維和與基體合金的成份、纖維和氣氛有關(guān)氣氛有關(guān)4 4反響結(jié)合需思索反響動(dòng)力學(xué)反響結(jié)合需思索反響動(dòng)力學(xué)國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)圖圖4-17 4-17 金屬基復(fù)合資料的另外三種界面結(jié)合金屬基復(fù)合資料的另外三種界面結(jié)合混合結(jié)合反混合結(jié)合反響結(jié)合加機(jī)械響結(jié)合加機(jī)械結(jié)合結(jié)合氧化物結(jié)合氧化物結(jié)合交換反響結(jié)合交換反響結(jié)合MOxFM(A,B) AFx國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué) (1) (1)定義定義 當(dāng)加強(qiáng)體或基體含有兩種或兩種以上元素時(shí)，除當(dāng)加強(qiáng)體或基體含有兩種或兩種以上元素時(shí)，除發(fā)生界面反響外，在加強(qiáng)物、基體與

54、反響產(chǎn)物之間還發(fā)生界面反響外，在加強(qiáng)物、基體與反響產(chǎn)物之間還會發(fā)生元素交換，所產(chǎn)生的結(jié)合稱為交換反響結(jié)合。會發(fā)生元素交換，所產(chǎn)生的結(jié)合稱為交換反響結(jié)合。4.2.1.4 交換反響結(jié)合(exchange reaction bond)國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)(2)(2)交換反響結(jié)合的例子交換反響結(jié)合的例子 B纖維纖維/鈦合金鈦合金Ti-8Al-1V-1Mo 首先發(fā)生反響如下：首先發(fā)生反響如下： Ti(Al)+B (TiAl)B 2 再交換反響：再交換反響： (TiAl)B2+Ti TiB2+Ti(Al) 用電子探針分析證明了界面反響最終產(chǎn)物是用電子探針分析證明了界面反響最終

55、產(chǎn)物是TiB2。產(chǎn)生交換反響的緣由是。產(chǎn)生交換反響的緣由是Ti-B的親和力大的親和力大于于Al-B的親和力。的親和力。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)距中心間隔距中心間隔特征特征x射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度 B纖維纖維 TiB2 Ti(Al,V,Mo)TiAl界面附近含界面附近含14%Al，是交換反，是交換反響排除的。響排除的?；w中僅基體中僅含含8%Al無鋁無鋁圖圖4-18 4-18 反響帶電子探針分析結(jié)果反響帶電子探針分析結(jié)果國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4.2.1.5 氧化物結(jié)合(oxide bond )1 1定義定義 當(dāng)采用氧化物加強(qiáng)體時(shí)，氧化物與當(dāng)采用氧化

56、物加強(qiáng)體時(shí)，氧化物與基體間發(fā)生反響生成另一種氧化物，所基體間發(fā)生反響生成另一種氧化物，所產(chǎn)生的結(jié)合稱為氧化物結(jié)合。產(chǎn)生的結(jié)合稱為氧化物結(jié)合。2 2例子：例子：Al2O3/NiAl2O3/Ni系、系、Al2O3/CuAl2O3/Cu系、系、SiO2/AlSiO2/Al系。系。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué) 氧化物加強(qiáng)體與基體反響與否，取決氧化物加強(qiáng)體與基體反響與否，取決于基體的氧化物構(gòu)成自在能：于基體的氧化物構(gòu)成自在能：當(dāng)基體金屬元素的氧化物構(gòu)成自在能比氧當(dāng)基體金屬元素的氧化物構(gòu)成自在能比氧化物加強(qiáng)體的自在能更負(fù)時(shí)，那么易在化物加強(qiáng)體的自在能更負(fù)時(shí)，那么易在界面反響生成氧化物

57、；界面反響生成氧化物；反之，那么要看氣氛中氧的來源情況。反之，那么要看氣氛中氧的來源情況。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)Al2O3/Ni系的研討結(jié)果 當(dāng)反響產(chǎn)物厚度小于當(dāng)反響產(chǎn)物厚度小于5000nm5000nm時(shí)，產(chǎn)生氧化物結(jié)合；時(shí)，產(chǎn)生氧化物結(jié)合； 當(dāng)超越此厚度時(shí)，纖維會被損傷；當(dāng)超越此厚度時(shí)，纖維會被損傷； 當(dāng)基體金屬中含有合金元素如當(dāng)基體金屬中含有合金元素如TiTi、ZrZr時(shí)，時(shí)， 其其氧化物構(gòu)成自在能比氧化物加強(qiáng)體的自在能更負(fù)，氧化物構(gòu)成自在能比氧化物加強(qiáng)體的自在能更負(fù)，TiTi、ZrZr會奪取會奪取Al2O3Al2O3中的氧而生成中的氧而生成TiO2TiO2和和

58、ZrO2ZrO2，也，也會損傷纖維；會損傷纖維； 當(dāng)空氣中有氧存在時(shí)，會生成尖晶石當(dāng)空氣中有氧存在時(shí)，會生成尖晶石(spinel(spinelNiAl2O4NiAl2O4。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4.2.1.6 混合結(jié)合mixed bond1 1定義定義 當(dāng)基體氧化膜逐漸破壞時(shí)，會從非化當(dāng)基體氧化膜逐漸破壞時(shí)，會從非化學(xué)結(jié)合向化學(xué)結(jié)合過渡，過渡中，既有機(jī)學(xué)結(jié)合向化學(xué)結(jié)合過渡，過渡中，既有機(jī)械結(jié)合又有化學(xué)結(jié)合，稱為混合結(jié)合。械結(jié)合又有化學(xué)結(jié)合，稱為混合結(jié)合。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)2 2例子例子 B(25vol%)/Al(6061) B(25v

59、ol%)/Al(6061)復(fù)合資料復(fù)合資料 在在550550加熱不同時(shí)間后的拉伸強(qiáng)度加熱不同時(shí)間后的拉伸強(qiáng)度b b 隨時(shí)間增隨時(shí)間增長而減少：長而減少： 593MPa(550/0.5h);524MPa(550/5h); 593MPa(550/0.5h);524MPa(550/5h); 442MPa(550/12h);317MPa(550/165h) 442MPa(550/12h);317MPa(550/165h)。闡明隨著時(shí)間延續(xù)，闡明隨著時(shí)間延續(xù)，AlAl的氧化膜逐漸破壞，的氧化膜逐漸破壞，B B、AlAl之間的反響加劇，出現(xiàn)反響結(jié)合與機(jī)械結(jié)合并之間的反響加劇，出現(xiàn)反響結(jié)合與機(jī)械結(jié)合并存的結(jié)

60、合。存的結(jié)合。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4.2.2 MMC中的界面4.2.2.1 金屬基復(fù)合資料中界面的特殊性4.2.2.2 對W/Cu復(fù)合資料界面的研討國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院高性能復(fù)合材料學(xué)4.2.2.1 金屬基復(fù)合資料中界面的特殊性根據(jù)金屬基復(fù)合資料的主要界面結(jié)合類型，又將根據(jù)金屬基復(fù)合資料的主要界面結(jié)合類型，又將界面劃分成三種類型：界面劃分成三種類型：型界面：既不溶解也不反響包括機(jī)械結(jié)合和型界面：既不溶解也不反響包括機(jī)械結(jié)合和氧化物結(jié)合；氧化物結(jié)合；型界面：可以溶解，但不反響包括溶解與潤型界面：可以溶解，但不反響包括溶解與潤濕結(jié)合；濕結(jié)合；型界面：發(fā)生