【文章內(nèi)容簡介】 于基體本身的內(nèi)聚強(qiáng)度。從熱力學(xué)觀點(diǎn)來考慮兩個(gè)結(jié)合面與其表面能的關(guān)系，一般用表面張力來表征。表面張力即為溫度和體積不變的情況下，自由能隨表面積增加的增量。 g = （182。F / 182。A）TV此處 g 為表面張力；F為自由能； A為面積；T和V分別為溫度和體積。 當(dāng)兩個(gè)結(jié)合面結(jié)合了，則體系中由于減少了兩個(gè)表面和增加了一個(gè)界面使自由能降低了。體系由于兩個(gè)表面結(jié)合而導(dǎo)致自由能的下降定義為粘合功。 WA = gS + gL g SL 式中S 、L 和 SL 下標(biāo)分別代表固體、液體和固液體。如圖23所示，q 角為接觸角。接觸角表示了液體潤濕固體的情況。 圖 3 – 3 液滴在固體表面的不同潤濕情況 當(dāng) q 90176。， 液體不潤濕固體； q=180176。, 固體表面完全不能被液體潤濕；當(dāng)q 90176。 ，液體潤濕固體； q = 0176。，液體完全平鋪在固體表面。接觸角隨溫度、保持時(shí)間、吸附氣體等而變化。 根據(jù)力的合成 gL cos q = gS g SL ，粘合功可表示為： WA = gS + gL g SL= gL（1+ cos q ）。粘合功WA最大時(shí)， cos q =1，即q = 0，液體完全平鋪在固體表面。同時(shí) g = gS L , gS = gL 。 熱力學(xué)說明兩個(gè)表面結(jié)合的內(nèi)在因素，表示結(jié)合的可能性；動(dòng)力學(xué)反映實(shí)際產(chǎn)生界面結(jié)合的外界條件，如溫度、壓力等的影響，表示結(jié)合過程的速度問題。產(chǎn)生良好結(jié)合的條件如下：1) 液體粘度盡量低；2）gS 略大于gL ， 即 ` g tL =`j 2` g ， j 1 , j ：效率因子，液體在固體上擴(kuò)展的條件，它與溫度等活化過程有關(guān)。 浸潤性僅僅表示了液體與固體發(fā)生接觸時(shí)的情況，而并不能表示界面的粘結(jié)性能。一種體系的兩個(gè)組元可能有極好的浸潤性，但它們之間的結(jié)合可能很弱，如范德華物理鍵合。因此潤濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。 機(jī)械作用理論： 當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將發(fā)生機(jī)械互鎖（圖 3 – 4）。 圖 3 – 4 表面機(jī)械互鎖結(jié)合示意圖 另一方面，盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中有相當(dāng)多的孔穴，粘稠的液體是無法流入的。如經(jīng)驗(yàn)公式：Z2 =K g cos q tδ/η， 表明流入量Z是與液體表面張力、接觸角、時(shí)間和孔徑成正比，與粘度成反比。無法流入液體的孔不僅造成界面脫粘的缺陷，而且也形成了應(yīng)力集中點(diǎn)。靜電理論： 當(dāng)復(fù)合材料不同組分表面帶有異性電荷時(shí)，將發(fā)生靜電吸引。僅在原子尺度量級內(nèi)靜電作用力才有效（圖 3 – 5）。 圖 3 – 5 表面靜電吸引結(jié)合示意圖 化學(xué)鍵理論： 在復(fù)合材料組分之間發(fā)生化學(xué)作用，在界面上形成共價(jià)鍵結(jié)合（圖3 – 6）。在理論上可獲得最強(qiáng)的界面粘結(jié)能（210 220 J / mol）。 圖3 – 6 表面結(jié)合化學(xué)鍵示意圖界面反應(yīng)或界面擴(kuò)散理論 在復(fù)合材料組分之間發(fā)生原子或分子間的擴(kuò)散或反應(yīng)，從而形成反應(yīng)結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合（圖3 – 7）。 D = D0 exp （ Q/RT） D：擴(kuò)散系數(shù)；Q：擴(kuò)散激活能。X = k t 1/2 圖3 – 7 界面反應(yīng)結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合示意圖X：反應(yīng)層厚度；k：反應(yīng)速度常數(shù)。 四、界面的表征 界面性能較差 呈剪切破壞、可觀察到界面脫粘、纖維拔出纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。界面結(jié)合過強(qiáng) 材料呈脆性斷裂。界面結(jié)合最佳狀態(tài) 當(dāng)受力發(fā)生開裂時(shí)，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)域而不產(chǎn)生進(jìn)一步界面脫粘，即這時(shí)的復(fù)合材料具有最大的斷裂能和一定的韌性。 界面結(jié)合強(qiáng)度的測定1 1 宏觀測試法： 1）三點(diǎn)彎曲法： 圖 3 – 8 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意 圖3 – 9 測定界面拉伸強(qiáng)度時(shí)纖維的排布 s = 3（PS）/ 2（BD2） t = (3 / 4) (P / BD) 圖3 – 10 測定界面剪切強(qiáng)度時(shí)纖維的排布 t / s = D / 2S, tI /s cu D / 2S 2) Iosipescu剪切試驗(yàn)試驗(yàn) 圖3 – 11 Iosipescu剪切試驗(yàn)示意圖 1 2 單纖維試驗(yàn)法 圖 3 – 12 纖維拔出試驗(yàn)示意圖 圖 3 – 13 纖維拔出試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖 圖314 壓縮試驗(yàn)測試界面剪切強(qiáng)度（b）和壓縮試驗(yàn)測試界面拉伸強(qiáng)度(c)由此試驗(yàn)的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系圖可以求出界面剪切強(qiáng)度以及纖維拔出（pull – out）和脫粘debonding）的能量。采用纖維拔出試驗(yàn)，可通過圖313所示的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系圖可以求出界面剪切強(qiáng)度以及纖維拔出（pull out）和脫粘（debonding）的能量。壓縮試驗(yàn)測試界面剪切強(qiáng)度（圖314 b） tI ~ 2 . 5 s c ，壓縮試驗(yàn)測試界面拉伸強(qiáng)度（圖 314 c） s I u = c s c1 3 微壓入試驗(yàn)法（圖315） 界面剪切強(qiáng)度： tI = P 2 4pu R3 E f 若采用標(biāo)準(zhǔn)金剛石壓頭： u = （b a）cot 74176。 圖 3 – 15 纖維微壓入試驗(yàn)示意圖4）聲發(fā)射（Acoustic Emissin ，AE）法： 聲發(fā)射是當(dāng)固體材料在外部條件（如載荷、溫度、磁場、環(huán)境介質(zhì)等）發(fā)生變化時(shí)，由于其內(nèi)部原因而產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性應(yīng)力波發(fā)射。聲發(fā)射信號包括有材料內(nèi)部缺陷或微觀結(jié)構(gòu)變化動(dòng)態(tài)信息，借助靈敏的電子儀器可以檢測到聲發(fā)射信號。 用儀器檢測分析聲發(fā)射信號，推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。 復(fù)合材料的損傷斷裂過程十分復(fù)雜，包括纖維、基體和界面的破壞和斷裂。各組元斷裂時(shí)釋放的聲能與其彈性模量和斷裂時(shí)各組元的范性形變量有關(guān)。由于各組元斷裂時(shí)釋放的聲能不同，即聲發(fā)射信號的強(qiáng)弱不同，那么利用聲發(fā)射技術(shù)就可以區(qū)分和識別復(fù)合材料界面的破壞和斷裂，從而可以分析界面的結(jié)合狀況，同時(shí)計(jì)算出界面強(qiáng)度。圖 3 – 16 富碳處理的SiCF/Al拉伸過程中的AE行為圖 3 – 17 富SiO2處理的SiCF/Al拉伸過程中的AE行為圖316和圖317分別表示了不同纖維表面處理的SiCF/Al復(fù)合材料拉伸過程中的AE行為。圖中樣品AE過程出現(xiàn)的信號大小幾及次數(shù)的不同、對應(yīng)于樣品中不同部位的斷裂破壞、次數(shù)及其強(qiáng)度，同時(shí)EA相關(guān)圖包絡(luò)的斜率不同的切線數(shù)目的不同也對應(yīng)于不同的斷裂機(jī)制?？梢钥闯?，富碳和富SiO2處理的SiCF/Al拉伸過程中具有不同的AE行為，定性地反映了兩種纖維復(fù)合材料具有不同的界面以及不同的斷裂行為和機(jī)制。同時(shí)根據(jù)相關(guān)公式可以定量地求出復(fù)合材料的界面強(qiáng)度。界面結(jié)構(gòu)的表征 界面的微觀結(jié)構(gòu)、形貌和厚度可通過先進(jìn)儀器觀察分析。包括俄歇電子譜儀（AES）、電子探針（EP）、 X光電子能譜儀（XPS）、掃描二次離子質(zhì)譜儀（SSIMS）、電子能量損失儀（EELS）、 X射線反射譜儀（GAXP）、透射電子顯微鏡（ TEM）、掃描電鏡（ SEM）和拉曼光譜（ Raman）等。圖318 TiB2纖維表面涂層SiCF / Ti復(fù)合 圖319 SCS6/25Al10Nb3V1Mo復(fù)合材料材料界面SEM分析照片 界面透射電鏡照片五、界面殘余應(yīng)力 復(fù)合材料成型后，由于基體的固化或凝固發(fā)生體積收縮或膨脹（通常為收縮），而增強(qiáng)體則體積相對穩(wěn)定使界面產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)又因增強(qiáng)體與基體之間存在熱膨脹系數(shù)的差異，在不同環(huán)境溫度下界面產(chǎn)生熱應(yīng)力。這兩種應(yīng)力的加和總稱為界面殘余應(yīng)力。前一種情況下，如果基體發(fā)生收縮，則復(fù)合材料基體受拉應(yīng)力，增強(qiáng)體受壓應(yīng)力，界面受剪切應(yīng)力。后一種情況下，通常是基體膨脹系數(shù)大于增強(qiáng)體，在成型溫度較高的情況下，復(fù)合材料基體受拉應(yīng)力，增強(qiáng)體受壓應(yīng)力，界面受剪切應(yīng)力。但隨著使用溫度的增高，熱應(yīng)力向反方向變化。界面內(nèi)應(yīng)力的大小可用下式表示：σI i = EmεmVm / 3（1γm）式中 Em 為基體彈性模量，γm為基體泊松比，εm為基體發(fā)生的應(yīng)變，Vm為基體的體積比。界面內(nèi)應(yīng)力的大小與界面的結(jié)合情況有關(guān)。如界面結(jié)合發(fā)生松弛滑移現(xiàn)象，則內(nèi)應(yīng)力相應(yīng)減少。界面熱應(yīng)力的大小可用下式表示：σI i = Em（Tc –t）△α式中 Em 為基體彈性模量，Tc 為成型溫度，t為使用溫度，△α為基體與增強(qiáng)體的熱膨脹系數(shù)差。界面殘余應(yīng)力可以通過對復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，使界面松弛而降低，但受界面結(jié)合強(qiáng)度的控制，在界面結(jié)合很強(qiáng)的情況下效果不明顯。界面殘余應(yīng)力的存在對復(fù)合材料的力學(xué)性能有影響，其利弊與加載方向和復(fù)合材料殘余應(yīng)力的狀態(tài)有關(guān)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于復(fù)合材料界面存在殘余應(yīng)力使之拉伸與壓縮性能有明顯差異。測量界面殘余應(yīng)力的主要方法有X射線衍射法和中子衍射法。中子的穿透能力較X射線強(qiáng)，可用來測量界面內(nèi)應(yīng)力；其結(jié)果是很大區(qū)域的應(yīng)力平均值。X射線衍射法只能測定樣品表面的殘余應(yīng)力。同步輻射連續(xù)X射線能量色散法和會(huì)聚束電子衍射法也可用來測定復(fù)合材料界面附近的應(yīng)力和應(yīng)變變化。特別是同步輻射連續(xù)X射線能量色散法兼有較好的穿透能力和對殘余應(yīng)變梯度的高空間分辨率，可測量界面附近急劇變化的殘余應(yīng)力。此外，激光Raman光譜法可測量界面層相鄰纖維的振動(dòng)頻率，根據(jù)纖維標(biāo)定確定界面層的殘余應(yīng)力。目前，應(yīng)用最廣泛的仍是傳統(tǒng)的X射線衍射法。第四章 復(fù)合材料的復(fù)合理論一、復(fù)合材料 增強(qiáng)機(jī)制 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制 1）顆粒阻礙基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化：基體是承受外來載荷相；顆粒起著阻礙基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，從而降低了位錯(cuò)的流動(dòng)性（圖4圖42）。 圖 4 – 1 顆粒起著阻礙基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)作用示意圖 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度直接與顆粒的硬度成正比，因?yàn)轭w粒必須抵抗位錯(cuò)堆集而產(chǎn)生的應(yīng)力，另外，顆粒相與基體的結(jié)合力同樣影響著材料的強(qiáng)度。圖42 位錯(cuò)在晶面上滑移（a）和在TiC顆粒前位錯(cuò)的塞積（b） 顆粒相與基體的界面處于低能量狀態(tài)是有益的，因?yàn)檫@對顆粒阻礙基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是必須的。高的界面能相當(dāng)一個(gè)空洞環(huán)繞著顆粒，這樣不僅降低了顆粒阻礙基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力，而