【文章內容簡介】 于基體本身的內聚強度。從熱力學觀點來考慮兩個結合面與其表面能的關系，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。 當兩個結合面結合了，則體系中由于減少了兩個表面和增加了一個界面使自由能降低了。體系由于兩個表面結合而導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 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， cos q =1，即q = 0，液體完全平鋪在固體表面。同時 g = gS L , gS = gL 。 熱力學說明兩個表面結合的內在因素，表示結合的可能性；動力學反映實際產(chǎn)生界面結合的外界條件，如溫度、壓力等的影響，表示結合過程的速度問題。產(chǎn)生良好結合的條件如下：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，液體在固體上擴展的條件，它與溫度等活化過程有關。 浸潤性僅僅表示了液體與固體發(fā)生接觸時的情況，而并不能表示界面的粘結性能。一種體系的兩個組元可能有極好的浸潤性，但它們之間的結合可能很弱，如范德華物理鍵合。因此潤濕是組分良好粘結的必要條件，并非充分條件。 機械作用理論： 當兩個表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將發(fā)生機械互鎖（圖 3 – 4）。 圖 3 – 4 表面機械互鎖結合示意圖 另一方面，盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中有相當多的孔穴，粘稠的液體是無法流入的。如經(jīng)驗公式：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，而且也形成了應力集中點。靜電理論： 當復合材料不同組分表面帶有異性電荷時，將發(fā)生靜電吸引。僅在原子尺度量級內靜電作用力才有效（圖 3 – 5）。 圖 3 – 5 表面靜電吸引結合示意圖 化學鍵理論： 在復合材料組分之間發(fā)生化學作用，在界面上形成共價鍵結合（圖3 – 6）。在理論上可獲得最強的界面粘結能（210 220 J / mol）。 圖3 – 6 表面結合化學鍵示意圖界面反應或界面擴散理論 在復合材料組分之間發(fā)生原子或分子間的擴散或反應，從而形成反應結合或擴散結合（圖3 – 7）。 D = D0 exp （ Q/RT） D：擴散系數(shù)；Q：擴散激活能。X = k t 1/2 圖3 – 7 界面反應結合或擴散結合示意圖X：反應層厚度；k：反應速度常數(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、纖維拔出纖維應力松弛等現(xiàn)象。界面結合過強 材料呈脆性斷裂。界面結合最佳狀態(tài) 當受力發(fā)生開裂時，裂紋能轉化為區(qū)域而不產(chǎn)生進一步界面脫粘，即這時的復合材料具有最大的斷裂能和一定的韌性。 界面結合強度的測定1 1 宏觀測試法： 1）三點彎曲法： 圖 3 – 8 三點彎曲試驗示意 圖3 – 9 測定界面拉伸強度時纖維的排布 s = 3（PS）/ 2（BD2） t = (3 / 4) (P / BD) 圖3 – 10 測定界面剪切強度時纖維的排布 t / s = D / 2S, tI /s cu D / 2S 2) Iosipescu剪切試驗試驗 圖3 – 11 Iosipescu剪切試驗示意圖 1 2 單纖維試驗法 圖 3 – 12 纖維拔出試驗示意圖 圖 3 – 13 纖維拔出試驗應力應變曲線示意圖 圖314 壓縮試驗測試界面剪切強度（b）和壓縮試驗測試界面拉伸強度(c)由此試驗的應力 應變關系圖可以求出界面剪切強度以及纖維拔出（pull – out）和脫粘debonding）的能量。采用纖維拔出試驗，可通過圖313所示的應力 應變關系圖可以求出界面剪切強度以及纖維拔出（pull out）和脫粘（debonding）的能量。壓縮試驗測試界面剪切強度（圖314 b） tI ~ 2 . 5 s c ，壓縮試驗測試界面拉伸強度（圖 314 c） s I u = c s c1 3 微壓入試驗法（圖315） 界面剪切強度： tI = P 2 4pu R3 E f 若采用標準金剛石壓頭： u = （b a）cot 74176。 圖 3 – 15 纖維微壓入試驗示意圖4）聲發(fā)射（Acoustic Emissin ，AE）法： 聲發(fā)射是當固體材料在外部條件（如載荷、溫度、磁場、環(huán)境介質等）發(fā)生變化時，由于其內部原因而產(chǎn)生的瞬時彈性應力波發(fā)射。聲發(fā)射信號包括有材料內部缺陷或微觀結構變化動態(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)射源的技術稱為聲發(fā)射技術。 復合材料的損傷斷裂過程十分復雜，包括纖維、基體和界面的破壞和斷裂。各組元斷裂時釋放的聲能與其彈性模量和斷裂時各組元的范性形變量有關。由于各組元斷裂時釋放的聲能不同，即聲發(fā)射信號的強弱不同，那么利用聲發(fā)射技術就可以區(qū)分和識別復合材料界面的破壞和斷裂，從而可以分析界面的結合狀況，同時計算出界面強度。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、對應于樣品中不同部位的斷裂破壞、次數(shù)及其強度，同時EA相關圖包絡的斜率不同的切線數(shù)目的不同也對應于不同的斷裂機制?？梢钥闯觯惶己透籗iO2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合材料具有不同的界面以及不同的斷裂行為和機制。同時根據(jù)相關公式可以定量地求出復合材料的界面強度。界面結構的表征 界面的微觀結構、形貌和厚度可通過先進儀器觀察分析。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復合 圖319 SCS6/25Al10Nb3V1Mo復合材料材料界面SEM分析照片 界面透射電鏡照片五、界面殘余應力 復合材料成型后，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），而增強體則體積相對穩(wěn)定使界面產(chǎn)生內應力，同時又因增強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)生熱應力。這兩種應力的加和總稱為界面殘余應力。前一種情況下，如果基體發(fā)生收縮，則復合材料基體受拉應力，增強體受壓應力，界面受剪切應力。后一種情況下，通常是基體膨脹系數(shù)大于增強體，在成型溫度較高的情況下，復合材料基體受拉應力，增強體受壓應力，界面受剪切應力。但隨著使用溫度的增高，熱應力向反方向變化。界面內應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)生的應變，Vm為基體的體積比。界面內應力的大小與界面的結合情況有關。如界面結合發(fā)生松弛滑移現(xiàn)象，則內應力相應減少。界面熱應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為基體與增強體的熱膨脹系數(shù)差。界面殘余應力可以通過對復合材料進行熱處理，使界面松弛而降低，但受界面結合強度的控制，在界面結合很強的情況下效果不明顯。界面殘余應力的存在對復合材料的力學性能有影響，其利弊與加載方向和復合材料殘余應力的狀態(tài)有關。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于復合材料界面存在殘余應力使之拉伸與壓縮性能有明顯差異。測量界面殘余應力的主要方法有X射線衍射法和中子衍射法。中子的穿透能力較X射線強，可用來測量界面內應力；其結果是很大區(qū)域的應力平均值。X射線衍射法只能測定樣品表面的殘余應力。同步輻射連續(xù)X射線能量色散法和會聚束電子衍射法也可用來測定復合材料界面附近的應力和應變變化。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力。此外，激光Raman光譜法可測量界面層相鄰纖維的振動頻率，根據(jù)纖維標定確定界面層的殘余應力。目前，應用最廣泛的仍是傳統(tǒng)的X射線衍射法。第四章 復合材料的復合理論一、復合材料 增強機制 顆粒增強復合材料增強機制 1）顆粒阻礙基體位錯運動強化：基體是承受外來載荷相；顆粒起著阻礙基體位錯運動的作用，從而降低了位錯的流動性（圖4圖42）。 圖 4 – 1 顆粒起著阻礙基體位錯運動作用示意圖 顆粒增強復合材料的強度直接與顆粒的硬度成正比，因為顆粒必須抵抗位錯堆集而產(chǎn)生的應力，另外，顆粒相與基體的結合力同樣影響著材料的強度。圖42 位錯在晶面上滑移（a）和在TiC顆粒前位錯的塞積（b） 顆粒相與基體的界面處于低能量狀態(tài)是有益的，因為這對顆粒阻礙基體位錯運動是必須的。高的界面能相當一個空洞環(huán)繞著顆粒，這樣不僅降低了顆粒阻礙基體位錯運動的能力，而