材料科學基礎之復合效應與界面(參考版)
2025-01-04 00:03本頁面
【正文】 ? (4) 選擇合理的復合工藝和使用條件 。? (3) 改善增強體表面 ： 增加基體浸潤性，防止界面不良反應 。? (2) 基體改性 ：主要目的是 改變界面結合狀態(tài)，提高黏結強度 。? 滿足設計要求的最大反應層厚度稱為臨界厚度，金屬基材料的臨界厚度約為 ~1μm。? 化學不穩(wěn)定性化學不穩(wěn)定性 指復合材料制造和使用過程中，基體和增強體原子通過界面擴散產(chǎn)生化學反應，生成不希望得到的脆性化合物反應層 ， 降低材料強度。如用鎢絲增強鎳基合金，在 1100186。? 金屬基和陶瓷基復合材料界面必須考慮使用中的物理及化學不穩(wěn)定性。? 界面改善及其對性能的影響：界面的作用是將載荷由基體傳遞給增強體，因此應有足夠的強度。? (5) 靜電結合 :兩相物質(zhì)對電子的親和力相差較大時 (如金屬與聚合物 )，在界面區(qū)容易產(chǎn)生接觸電勢并形成雙電層，靜電吸引力是產(chǎn)生界面結合力的直接原因之一。如玻璃纖? 維增強樹脂基，用? 偶聯(lián)劑一端與玻璃? 纖維基質(zhì)表面以化學鍵結合，另一端可熔解擴散于界面區(qū)域的樹脂中，形成互穿高聚物網(wǎng)絡 (圖 99)。這種結合有時會超過基體的內(nèi)聚力。如用有機? 硅烷偶聯(lián)劑強化增強? 體與樹脂基界面結合? (圖 98)。? 樹脂基復合材料的界面結合類型? (1) 化學鍵合： 基體表面的官能團與增強體表面的官能團發(fā)生化學? 反應，形成共價鍵結? 合的界面區(qū) 。? (5) 混合結合：上述幾種方式的組合。? (4) 氧化結合：為增強體表面吸附空氣帶來的氧化作用或是氧化物與基體的結合。? 實際上界面反應是復雜的 ，可能發(fā)生多個反應，并通過擴散發(fā)生元素交換。? (3) 反應結合： 特征是通過基體與增強體的反應生成化合物 。? (2) 熔解和浸潤結合：基體能潤濕增強體，相互間發(fā)生擴散和熔解，相互作用為短程力 (幾個原子間距 )。復合不充分時發(fā)生此類結合。? 實際上又根據(jù)界面形成中物理和化學形式進行分類 。界面結合力大致分為物理結合力和化學結合力。? 由于增強體細小，界面層面積比例很大，其性質(zhì)、結構和完整性對復合材料的性能影響極大 。 該區(qū)域中的材料 結構和性能不同與組分材料中的任意一個 。此時材料仍能承載，只是承載能力變?yōu)槎汤w維承載時的狀態(tài)。? 短 纖維 或晶 須 增 強 的 臨 界體 積 分數(shù) φfer的 導 出 過程與 連續(xù)纖維 復合材料相似 ，即：? φfer=(σ muσ m*)/(σ fσ m*) (931) ? 與式 922比 較 ， 由于 σ fσ fu，短纖維和晶須增強復合材料的臨界體積分數(shù)高于連續(xù)纖維復合材料，說明增強作用較小一些。 并通過剪應力將承受載荷合理分攤在纖維和基體上， 纖維所受拉應力更大 ，這就是短纖維或晶須增強的原理。? (2) 短纖維和晶須增強復合材料：與長纖維增強相比，短纖維和晶須增強的成本低，各向異性較小。 由此可得 臨臨 界界 纖維纖維 體體 積積 分數(shù)分數(shù)? φfer=(σ muσ m*)/(σ fuσ m*) (922)? φfer的意義是 基體真正得到增強時所應該加入的纖維的最小體積分數(shù)。? 圖中 φfmin表示 纖維 最小體? 積 分數(shù)，當 φfφfmin時 ，復? 合材料的 強 度由基體決定；? 當 φfφfmin時 ，材料的 強 度? 由 纖維 控制。? 此式只適合于拉伸 載 荷的 計 算 。? 單向連續(xù)纖維復合材料在纖維方向的強度為：? σ cu=σ fuφf+σ m*(1φf) (921) ? 式中 σ fu為纖維 抗拉 強 度； σ m*為纖維 斷裂時 的基體 應 力； σ cu為 復合材料沿 纖維 方向的抗拉 強 度。由此可 導出 垂直于 纖維 方向 彈 性模量 的 計 算式：? 1/Ec=φf/Ef+φm/Em (919)? 對于復混材料 ,若 Ef1和 Ef2分別表示第一和第二種纖維的彈性模量， Em表示基體的 彈 性模量， 則單向排列纖維的混雜復合材料模量可表示為：? Ec=Ef1φf1+Ef2φf2+ Emφm (920) 式中 φ為 體 積 分數(shù)；? φf1＋ φf2＋ φm=1 。? 纖維增強型? (1) 連續(xù)纖維增強原理：若纖維在基體中呈單向均勻排列，則沿纖維方向，復合材料的各項性能可用混合定則表述：? Pc=Pfφf+P
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