论复合材料中的界面问题及其对性能的影响VIP免费

第1页共8页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页共8页复合材料中的界面问题及其对性能的影响王衡乐斌魏晓雪倪杰温锦生陈亮亮赵轶群周绍鑫黄敏[清华大学材料科学与工程系，北京100084]Ⅰ引言复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相（界面相）组成，各自都有其独特的结构、性能与作用。增强相主要起承载作用；基体相主要起连接增强相和传载作用；界面是增强相和基体相连接的桥梁，同时是应力的传递者。[1]复合材料界面问题的系统研究始于60年代初期。1962年美国材料咨询委员会（MBA）成立了一个研究纤维增强复合材料界面的专业组。此后，复合材料的界面问题的研究引起了许多研究者的注意和兴趣。[2]Ⅱ复合材料中的界面[2]首先我们来了解一下到底什么是复合材料的界面。组成复合材料的几相材料中（至少有两相），一般有一相以溶液或熔融流动状态与另一相或其它相接触，然后进行物化（固化）反应使相与相之间结合在一起。而两相互相作用的结果即生成复合材料的界面。因此界面并不是单纯的一个几何面，而是一个过渡区域。一般来说，这个区域是从与增强物内部性质不同的那一点开始到基体内与基体性质相一致的某点终止。该区域材料的结构与性能不同于两相组分材料中的任一相，称此区域为界面相或界面层。复合材料中界面相的形成机理一直是人们关心的问题，目前主要有以下六种理论对此做出解释：化学键合理论、浸润—吸附理论、扩散作用、弱界面层理论、静电作用和机械作用。界面的微观结构包括界面的组成和结构，界面区的成分及其分布，近界面基体一侧的位错密度及其分布等，复合材料的界面会受到温度、与基体和增强剂结构性能匹配度等各种因素的影响，而且这些因素的影响作用几乎是决定性的。测定界面性能的方法主要有单丝拔出试验、微脱粘试验、微键强测试以及微压痕试验、双悬臂梁法等非直接方法。界面对复合材料的性能具有很大的影响，如刚度、疲劳、裂纹及韧性等重要力学参数。第2页共8页第1页共8页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第2页共8页以下我们主要以几个例子来具体说明无机复合材料中的界面问题及对性能的影响。Ⅲ晶须增韧陶瓷基复合材料中的界面问题复合材料中，界面结合力τ（f/m）的状态直接影响复合材料的性能。陶瓷基复合材料中存在两种界面，一种是晶须(纤维)与基体之间的界面(w/m)，一种是多晶陶瓷中陶瓷晶粒与晶粒之间的界面(g/g)。既要达到增韧效果，又要能保持陶瓷的高温高强度的特长，就必须从调节以上两种微观界面入手，调节的目标是尽可能使两种界面的相互关系接近图1所示的显微结构模型，在结合强度的表征方面，要使界面结合力τ(w/m)≤τ(g/g)[3]。选用特有的晶须处理以及晶须混合工艺，可以使复合材料的界面接近图1的材料结构模型，所制得的晶须增韧氮化硅陶瓷材料的性能达到KIc=10.5MPa·Ml/2，抗弯强度σ＝l0OOMPa的良好结果[4]。实验结果还表明，能够形成良好界面的晶须的加入，对氮化硅陶瓷的高温强度的提高也有益。加入10－20%SiC晶须后氮化硅在1370℃高温下还达到830MPa的高温强度，从室温到高温的强度降低率不大于10%[5]。图2展示了经过处理后的晶须的断面状态。从图2A的纵断面上，可以观察到晶须周围形成了颜色更加明亮的均匀表面层；从晶须的横断面上，可以观察到晶须内部形成了同心圈状结构。晶须中心（内圈）的位错线终止在晶须的内圈与外圈的界面上。成分分析表明晶须的外圈中含有5%的界面改性元素（代号M）。M组分在内圈却少于2%，而且还可能是分析斑点过大引起的分析误差。从横断面的状态可以看出，M圈层的存在保护了β－SiC晶须不出现一般烧结过程中容易产生的β－α相变现象。将特殊处理后的国产晶须加入到氮化硅陶瓷刀具材料中后，复合材料的韧性得到了明显的改善。图3和图4是加入晶须前后的氮化硅刀具材料的断裂状态对比。当材料表面受到金刚石压头的挤压而形成维氏压坑时，一般顺压坑对角线形成裂纹。未加入刀具材料，第3页共8页第2页共8页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第3页共8页受压后立即形成直而长的裂纹，而加入晶须后的材料受...