复合原理good.pptx
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1、第三章 复合原理界 面参数连续变化界面参数不连续变化界面参数内容:晶体结构,元素浓度梯度,热膨胀系数,密度等界 面定义:两相界面处出现的物理参数和化学参数的不一致或不连续性。界面 一般把基体和增强物之间一般把基体和增强物之间化学成分化学成分有显著有显著变化变化的构成彼此结合的、能传送载荷作用的区域称之为的构成彼此结合的、能传送载荷作用的区域称之为界面。界面。界面不是简单的几何面。而是一个过渡区域。界面不是简单的几何面。而是一个过渡区域。一般说该区域是从增强体内部性质不同的那一点开一般说该区域是从增强体内部性质不同的那一点开始到基体内部与基体性质相一致的某点为止。始到基体内部与基体性质相一致的某
2、点为止。该区该区域的材料结构与性能应该不同于组分材料的任意一域的材料结构与性能应该不同于组分材料的任意一个。可简称该区域为界面相个。可简称该区域为界面相(Interphase)或界面层或界面层(Interlayer)。界面厚度很小,可以是几个界面厚度很小,可以是几个nm到几百个到几百个nm。界 面 作 用重要性:1.界面所占面积多 2.力的传递 3.影响性能增韧内 容:1.物理相容性 主要热膨胀差异引起的应力 2.化学相容性 界面扩散,溶解,析出,反应研究最为复杂,关系最为重大研究最为复杂,关系最为重大n界面效应与界面结合状态、形态和物理-化学性质有关,也与界面两侧的组分材料的浸润性、相容性、
3、扩散性等密切相联.界面效应界面效应传递效应阻断效应 不连续效应 散射和吸收效应诱导(感应)效应 界面结晶效应 界面化学效应界面效应(1)(1)传递效应传递效应 界面能传递力界面能传递力,即将外力传递给即将外力传递给增强物增强物,起到基体与增强物的桥梁作用起到基体与增强物的桥梁作用。(2)2)阻断效应阻断效应 阻止裂纹扩展,中断材料破坏,阻止裂纹扩展,中断材料破坏,减缓应力集中等。减缓应力集中等。(3)(3)不连续效应不连续效应 在界面上引起的物理性质的在界面上引起的物理性质的不连续性和界面摩擦出现的现象,如电阻、不连续性和界面摩擦出现的现象,如电阻、介电特性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。介电特
4、性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。(4)(4)散射和吸收效应:散射和吸收效应:光波、声波、热弹性波、光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生的散射和吸收,如透光冲击波等在界面产生的散射和吸收,如透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性等。性、隔热性、隔音性、耐冲击性等。复合材料的界面效应(5)(5)诱导诱导(感应感应)效应效应 一种物质一种物质(通常是增强通常是增强物物)的表面结构使另一种的表面结构使另一种(通常是聚合物基体通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变改变,由此产生一些现象由此产生一些现象,如强的弹性、低的如强的弹性、低的膨胀性、耐冲
5、击性和耐热性等。膨胀性、耐冲击性和耐热性等。(6)(6)界面结晶效应界面结晶效应 基体结晶时易在界面上形基体结晶时易在界面上形核,界面形核诱发了基体结晶。核,界面形核诱发了基体结晶。(7)(7)界面化学效应界面化学效应 基体与增强体间的化学反基体与增强体间的化学反应,官能团、原于分子之间的作用。应,官能团、原于分子之间的作用。阻止裂纹的扩展阻止裂纹的扩展不连续效应不连续效应电阻R1电阻R1电阻R2散射和吸收效应散射和吸收效应界面化学效应界面化学效应ROMHOHOHOHMHOOHSiRSiH2ORMHOOHSi无机表面聚合物表面传统的分子结构不能有机地结合传统的分子结构不能有机地结合在一起在一起
6、COLOYS的分子结构有机地结的分子结构有机地结合在一起合在一起油油水水相相溶溶界面的作用机理界面浸润理论界面浸润理论化学键理论化学键理论物理吸附理论物理吸附理论变形层理论变形层理论拘束层理论拘束层理论扩散层理论扩散层理论减弱界面局部应力作用理论减弱界面局部应力作用理论界面浸润理论 1963年年Zisman 主要论点:填充剂被液体树脂良好浸润是极其主要论点:填充剂被液体树脂良好浸润是极其重要,重要,浸润浸润不良易在界面形成空隙,使应力集不良易在界面形成空隙,使应力集中而使复合材料发生开裂;如果完全浸润,则中而使复合材料发生开裂;如果完全浸润,则基体与填充剂间的粘结强度将大于基体的内聚基体与填充
7、剂间的粘结强度将大于基体的内聚强度。强度。两个表面结合与其表面能的关系。用表面张力两个表面结合与其表面能的关系。用表面张力表征表面能:表征表面能:如果两个表面结合,体系由于减少了两个表面而如果两个表面结合,体系由于减少了两个表面而增加了一个界面,增加了一个界面,自由能降低自由能降低,定义为粘合功,定义为粘合功WA 任何物体都有减少其自身表面能的趋势,液任何物体都有减少其自身表面能的趋势,液体收缩成圆球状,固体则把其接触的液体铺体收缩成圆球状,固体则把其接触的液体铺展开覆盖其表面。展开覆盖其表面。液滴在固体表面:当/2时,不浸润;当3.5%时,性能下降,原因是反应过分。此时认为反应促进了浸润。(
8、2)加入Mg。当Mg4%时,浸润。发现:Mg富集优先氧化与Al2O3形成MgOAl2O3尖晶石。此时认为Al的不浸润能是由Al2O3所致。(3)加入冰晶石。由于冰晶石能溶Al2O3,所以润湿问题得以解决。2.表面处理:对纤维涂层(1)镀金属:例如:碳纤维电镀一层Cr、Cu(2)化学沉积:例如:SiC、B4C、TiC、TiB2等改 善 润 湿 的 方 法涂层方法效果Ni电镀强度低Ag电镀不良Cu电镀强度低,短时间浸可达ROM的75Ti电镀ROM95B4CCVD强度低BCVD浸润不良SiCVD浸润不良TiCCVD浸润不良Ti+BCVD浸润良好ROM95100Na,Zn,Mg熔融金属液(Na法)浸润
9、良好ROM95100碳纤维表面涂层方法和效果碳纤维涂覆(碳纤维涂覆(碳纤维涂覆(碳纤维涂覆(Ti Ti B B)层)层)层)层TiCl4和BCl3进入反应室;载气氩气把Zn蒸汽也带入反应室,使Ti,B或钛硼化合物沉积在碳纤维上:TiCl4ZnZnCl2TiBCl3TiTiCl2B钠法1.表面涂覆Na2.被Zn置换获Zn涂覆层3.被Al置换获Al层化学键理论主要论点主要论点主要论点主要论点:处理增强剂表面的偶联剂应既含有能与增强剂起化学作用的官能团,又含有能与树脂基体起化学作用的官能团。由此在界面上形成共价键结合,可获得最强的界面粘结能。若无偶联剂,如果基体与纤维表面可以发生化学反应,亦可形成牢
10、固的界面。该理论的实质即强调增加界面的化学作用。物理吸附理论增强纤维与树脂基体之间的结合是属于机械铰合和基于次价键作用的物理吸附。偶联剂的作用主要是促进基体与增强纤维表面浸润。变形层理论 如果纤维与基体的热膨胀系数相差较大,固化成型后在界面会产生残余应力,将损伤界面和影响复合材料的性能。另外,在载荷作用下,界面上会出现应力集中,若界面化学键破坏,产生微裂纹,同样导致性能变差。增强纤维经表面处理后,在界面上形成一层塑性层,可以松弛并减小界面应力,这种理论称变形层理论。按照该理论,偶联剂形成的界面区应该是带有能与树脂基体相互扩散的聚合链活性硅氧烷层或其他偶联剂层。它是建立在高分子聚合物材料相互粘结
11、时引起表面扩散层的基础上。扩散层理论减弱界面局部应力作用理论减弱界面局部应力作用理论认为,基体与增强纤维之间的处理剂,提供了一种具有自愈能力的化学键。在载荷作用下,它处于不断形成与断裂的动态平衡状态。低分子物质(水)的应力浸蚀使界面化学键断裂,而在应力作用下处理剂能沿增强纤维表面滑移,使已断裂的键重新结合。与此同时,应力得以松弛,减缓了界面处的应力集中。要形成复合材料、必须在界面上建立一定的结要形成复合材料、必须在界面上建立一定的结合力。界面结合力大致可分为物理结合力和化学结合力。界面结合力大致可分为物理结合力和化学结合力。物理结合力一般指合力。物理结合力一般指范德华力范德华力,包括,包括偶极
12、定向偶极定向力,诱导偶极定向力和色散力力,诱导偶极定向力和色散力,也可将氢键作用力,也可将氢键作用力归人归人物理结合力物理结合力范畴,该结合力大大高于前三种结范畴,该结合力大大高于前三种结合力;化学结合力是在界面上产生共价键和金属键。合力;化学结合力是在界面上产生共价键和金属键。实际上又根据界面形成中物理和化学形式进行分类。实际上又根据界面形成中物理和化学形式进行分类。陶瓷基和金局基复合材料分类情况类似,树脂基复陶瓷基和金局基复合材料分类情况类似,树脂基复合材料与前者有一定差别。合材料与前者有一定差别。界 面 类 型1.1.机械结合:机械结合:机械结合:机械结合:机械咬合,再加上热膨胀系数不同
13、,基机械咬合,再加上热膨胀系数不同,基 体收缩抱住纤维。体收缩抱住纤维。说明:说明:说明:说明:此时粗糙度起决定作用。此时粗糙度起决定作用。(要求要求润湿润湿)钨丝钨丝/Al V/Al Vf f=12%=12%界面状况界面状况结合类型结合类型性能性能(拉伸)(拉伸)1.0.2mm1.0.2mm光滑光滑化学反应化学反应95%95%2.0.2mm2.0.2mm表面有表面有C C形成光滑表面形成光滑表面没有反应没有反应35%35%3.3.腐蚀,改变粗腐蚀,改变粗糙度糙度0.165mm0.165mm粗糙粗糙没有反应没有反应91%91%粗糙表面能实现力的传递。2.2.化学反应结合:化学反应结合:以B/T
14、i为例:M(Ti)f(B)BTi 界面层固溶体化合物TiB21.反应层由固溶体和化合物组成2.过渡层厚度:温度,时间,合金化。目前将润湿及反应一起考虑,即希望又能增加浸润性,而又减小反应的表面处理方法。纤维增强金属基复合材料界面的类型纤维增强金属基复合材料界面的类型I。纤维与基体互不反应、互不溶解的界面。纤维与基体互不反应、互不溶解的界面。II。纤维与基体不反应、但相互溶解的界面。纤维与基体不反应、但相互溶解的界面。III。纤维与基体反应形成界面反应层。纤维与基体反应形成界面反应层。界面对性能的影响1.界面反应层对抗拉强度的影响:反应层厚度x500埃例一:例一:B/TiB/Ti制造温度:制造温
15、度:980980 接触时间:接触时间:1 1秒秒 反应厚度反应厚度500500埃埃在区,由于反应物薄,对纤维破坏不大区,由于反应物薄,对纤维破坏不大在在区,超过临界厚度时,区,超过临界厚度时,TiBTiB2 2本身是脆性,首先被破坏本身是脆性,首先被破坏在在区,纤维已不起作用区,纤维已不起作用 通常用界面剪切强度来表征上海交通大学提出直观法评定结合强度.以C/Al复合材料为例:不良结合纤维大量拔出,长度很长,呈刷子状 结合适中纤维拔出,有一定长度 结合稍强出现不规律断面,拔出纤维很短 结合太强平断口 弱界面弱界面和强界面强界面 界面结合的强弱界面结合的强弱与性能要求有关。如疲劳强度来说,希望强
16、一点,因为在交变应力作用下,容易发生界面松脱现象。在韧性要求时,应采用弱界面结合,允许有一定的蠕变。2.界面结合强度的概念:改善复合材料界面的方法改善复合材料界面的方法残余应力会引发裂纹的产生,导致复合材料强度下降。对残余应力会引发裂纹的产生,导致复合材料强度下降。对于树脂基复合材料,还会引起界面易受氧和水的环境作用,于树脂基复合材料,还会引起界面易受氧和水的环境作用,造成材料过早破坏。残余应力通常是造成材料过早破坏。残余应力通常是不可避免不可避免的,只能设的,只能设法减小。在加热和冷却后,热膨胀系数较大的组分处于张法减小。在加热和冷却后,热膨胀系数较大的组分处于张应力,而另一组分则受到压应力
17、。应力,而另一组分则受到压应力。1.1.降低界面残余应力降低界面残余应力2.2.基体改性、纤维表面改善基体改性、纤维表面改善通过基体改性和改进复合条件能有效地改变界面结合状通过基体改性和改进复合条件能有效地改变界面结合状态和断裂破坏的特征。态和断裂破坏的特征。纤维表面处理和涂层可改善纤维表面的性能,增加基体纤维表面处理和涂层可改善纤维表面的性能,增加基体的浸润性,防止界面不良的反应改善界面结合。例如碳的浸润性,防止界面不良的反应改善界面结合。例如碳纤维增强铝基复合材料中,由于纤维表面能很低,一般纤维增强铝基复合材料中,由于纤维表面能很低,一般不能被铝浸润,但用化学气相沉积不能被铝浸润,但用化学
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