材料科學(xué)基礎(chǔ)之復(fù)合效應(yīng)與界面-資料下載頁(yè)
2025-01-02 00:03本頁(yè)面
【正文】 。界面結(jié)合力大致分為物理結(jié)合力和化學(xué)結(jié)合力。物理結(jié)合力一般為范得華力，包括偶極定向力、誘導(dǎo)偶極定向力和色散力以及氫鍵作用力；化學(xué)結(jié)合力指界面產(chǎn)生共價(jià)鍵和金屬鍵。? 實(shí)際上又根據(jù)界面形成中物理和化學(xué)形式進(jìn)行分類(lèi) 。? 金屬基和陶瓷基復(fù)合材料界面結(jié)合類(lèi)型：? (1) 機(jī)械結(jié)合：指 僅由粗糙表面和因基體收縮包緊增強(qiáng)體產(chǎn)生的磨擦結(jié)合 。復(fù)合不充分時(shí)發(fā)生此類(lèi)結(jié)合。承載力很小。? (2) 熔解和浸潤(rùn)結(jié)合：基體能潤(rùn)濕增強(qiáng)體，相互間發(fā)生擴(kuò)散和熔解，相互作用為短程力 (幾個(gè)原子間距 )。? 當(dāng)增強(qiáng)體表面能很小不能被潤(rùn)濕時(shí)，可借助涂層予以改善。? (3) 反應(yīng)結(jié)合： 特征是通過(guò)基體與增強(qiáng)體的反應(yīng)生成化合物 。如硼纖維增強(qiáng)鈦合金在界面處生成 TiB2。? 實(shí)際上界面反應(yīng)是復(fù)雜的 ，可能發(fā)生多個(gè)反應(yīng)，并通過(guò)擴(kuò)散發(fā)生元素交換。? 一般情況下結(jié)合強(qiáng)度隨反應(yīng)程度增加而增加，達(dá)到一定程度后有所減弱。? (4) 氧化結(jié)合：為增強(qiáng)體表面吸附空氣帶來(lái)的氧化作用或是氧化物與基體的結(jié)合。如硼纖維增強(qiáng)鋁合金時(shí)，硼纖維吸附的氧與之反應(yīng)生成 BO2， BO2又與鋁接觸反應(yīng)生成B和 AL2O3，形成氧化結(jié)合。? (5) 混合結(jié)合：上述幾種方式的組合。其存在較為普通，是 最重要的一種結(jié)合方式 。? 樹(shù)脂基復(fù)合材料的界面結(jié)合類(lèi)型? (1) 化學(xué)鍵合： 基體表面的官能團(tuán)與增強(qiáng)體表面的官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)? 反應(yīng)，形成共價(jià)鍵結(jié)? 合的界面區(qū) 。這種方? 式在增強(qiáng)體表面處理? 后和使用偶聯(lián)劑后存? 在較普遍。如用有機(jī)? 硅烷偶聯(lián)劑強(qiáng)化增強(qiáng)? 體與樹(shù)脂基界面結(jié)合? (圖 98)。? (2) 浸潤(rùn) 浸吸附結(jié)合：增強(qiáng)體被基體浸潤(rùn)，即物理吸附所產(chǎn)生的界面結(jié)合。這種結(jié)合有時(shí)會(huì)超過(guò)基體的內(nèi)聚力。? (3) 擴(kuò)散結(jié)合：界面? 擴(kuò)散作用形成界面? 模糊區(qū)。如玻璃纖? 維增強(qiáng)樹(shù)脂基，用? 偶聯(lián)劑一端與玻璃? 纖維基質(zhì)表面以化學(xué)鍵結(jié)合，另一端可熔解擴(kuò)散于界面區(qū)域的樹(shù)脂中，形成互穿高聚物網(wǎng)絡(luò) (圖 99)。? (4) 機(jī)械結(jié)合：類(lèi)似前述金屬基復(fù)合材料。? (5) 靜電結(jié)合 :兩相物質(zhì)對(duì)電子的親和力相差較大時(shí) (如金屬與聚合物 )，在界面區(qū)容易產(chǎn)生接觸電勢(shì)并形成雙電層，靜電吸引力是產(chǎn)生界面結(jié)合力的直接原因之一。? 實(shí)際的界面結(jié)合是復(fù)雜的，形成和作用機(jī)理遠(yuǎn)未認(rèn)識(shí)清楚。? 界面改善及其對(duì)性能的影響：界面的作用是將載荷由基體傳遞給增強(qiáng)體，因此應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。但對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料， 纖維難于與基體脫粘拔出，會(huì)導(dǎo)致韌性降低 。? 金屬基和陶瓷基復(fù)合材料界面必須考慮使用中的物理及化學(xué)不穩(wěn)定性。? 物理不穩(wěn)定性物理不穩(wěn)定性 主要指高溫下的原子擴(kuò)散造成界面不穩(wěn)，增強(qiáng)體損傷導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低 。如用鎢絲增強(qiáng)鎳基合金，在 1100186。C保溫 50小 時(shí) 后， 鎢絲直徑減小 為 60%， 說(shuō) 明 鎢 已 經(jīng) 部分熔入 鎳 基中，作 為 增 強(qiáng) 體的 鎢絲 強(qiáng) 度已 經(jīng) 下降。? 化學(xué)不穩(wěn)定性化學(xué)不穩(wěn)定性 指復(fù)合材料制造和使用過(guò)程中，基體和增強(qiáng)體原子通過(guò)界面擴(kuò)散產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成不希望得到的脆性化合物反應(yīng)層 ， 降低材料強(qiáng)度。? 反應(yīng)層厚度 X與反應(yīng)時(shí)間 t的關(guān)系為：? X=k?t (932)? 反應(yīng)速度常數(shù) k與溫度強(qiáng)烈相關(guān)：? k=Aexp(Q/RT) (933)? 式中Ｑ為表觀激活能，是擴(kuò)散激活能的 。? 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的最大反應(yīng)層厚度稱(chēng)為臨界厚度，金屬基材料的臨界厚度約為 ~1μm。? 改善復(fù)合材料界面應(yīng)從四個(gè)方面著手 ：? (1) 降低界面殘余應(yīng)力 ：界面殘余應(yīng)力會(huì)引發(fā)裂紋，解決辦法是對(duì)增強(qiáng)體表面作梯度涂層， 使其模量有漸變特性 ；降低制造溫度， 減小溫差應(yīng)力 等。? (2) 基體改性 ：主要目的是 改變界面結(jié)合狀態(tài)，提高黏結(jié)強(qiáng)度 。 如用 SiC纖維強(qiáng)化玻璃陶瓷時(shí)，添加少量的 Nb，會(huì)在界面形成NbC薄層，獲得良好界面，復(fù)合后的玻璃陶瓷具有很高的韌性。? (3) 改善增強(qiáng)體表面 ： 增加基體浸潤(rùn)性，防止界面不良反應(yīng) 。如用碳纖維增強(qiáng)鋁基材料時(shí)，在碳纖維表面化學(xué)氣相沉積含氯的TiB2薄層，則鋁對(duì)碳纖維的浸潤(rùn)能力大為改善，而且抑制了 CAl界面的不良反應(yīng)。? (4) 選擇合理的復(fù)合工藝和使用條件 。演講完畢，謝謝觀
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