复合材料的界面问题
1 引言
复合材料是把金属、无机非金属、高分子等材料组合起来的一种多相材料,它设计自由度大,不仅可在组分选择上调整还可以改变各组分的体积百分数以满足所需性能要求,从而可使复合材料具有轻质高强以及其他优越的综合性能。它可应用于航天、航空、信息等高技术领域。然而,由于它还存在着不可忽视的界面的问题如界面反应、界面的润湿性等严重限制了其广泛应用。因此研究复合材料的界面间题具有重要的实际意义。
2 界面问题
2.1 界面反应
在制备复合材料时,增强体与基体接触常会发生反应,即界面反应,且这种界面反应是不可避免的,其反应程度对复合材料综合性能的影响很大,轻微的界面反应能有效地改善基体与增强体的润湿性和结合强度,是有利的;而严重的界面反应将造成增强体的损伤和形成脆性界面相等,是有害的。通常,界面反应是在局部区域中发生的,形成粒状、棒状、片状的反应产物,而不是在基体和增强体接触的界面上生成层状物,只有发生严重的界面反应时才有。在实际研究和应用中,如SiC颗粒增强AI、Ti基及其合金复合材料的研究。研究发现SiC颗粒增强AI、Ti基及合金复合材料的研究。研究发现SiC颗粒增强AI、Ti基及其合金复合材料都存在界面反应,且影响其性能。同时还发现通过SiC表面氧化、基体热处理、在复合材料中加入其它物质等手段可以改善增强颗粒与基体的润湿性,增强界面的结合强度,从而改善复合材料的综合性能。
2.2 界面的润湿性及其结合强度
界面的润湿性及其结合强度是影响复合材料综合性能的重要因素,他们既与基体和增强体的相容性密切相关,又与基体和增强体界面反应的强度有关。弱的界面反应是有利于基体和增强体的润湿、复合及形成佳界面结合;强界面反应有大量的界面反应产物,形成聚集的脆性相和界面反应产物脆性层,造成纤维等增强体严重损伤,强度下降,同时形成强界面结合,使材料的综合性能急剧下降。所以在制备复合材料时,我们要尽量避免如AI4 C3、AIB2、AIB12、MgAI2O等脆性化合物产生,如文献[2] ,[4],[5]所述。因此,在制备复合材料时,必须采取措施,改善界面的润湿性,提高其结合强度。
目前,改善增强颗粒与基体润湿性的主要途径有涂层技术、基体中添加合金元素、提高制备温度等。如内蒙古工业大学刘向东等通过Ce及Mg对SiCP/AI复合材料界面润湿性的影响进行研究表明,烯土元素Ce主要是通过降低AI液的表面张力作用,从而改善SiCP/Al复合材料界面的润湿性,但效果不明显;合金元素Mg是通过基体合金成分的方式抑制严重界面反应的进行,从而达到改善其润湿性的目的,效果非常好。
2.3 界面特性
在短纤维金属基复合材料中,载荷是通过纤维与基体的界面传递到纤维上的,界面的性质在很大程度上影响金属基复合材料的力学性能。西北工业大学姜云鹏等对界面特性对短纤维金属基复合材料蠕变行为的影响进行了研究,结果表明,当界面模量、厚度以及应力指数不同时,纤维中稳定的大轴应力和稳定蠕变率也相应发生变化,界面模量的大小决定界面结合的好坏程度,界面厚度和应力指数的大小很大程度上影响材料的蠕变行为。基于界面特性对纤维增强铝合金复合材料的拉伸性能、疲劳性能等的影响、刘政等就界面对纤维增强铝硅合金复合材料耐磨性的影响进行研究。以上这些都表明界面特性决定了金属基复合材料的力学性能,同理,界面特性也对其它类复合材料的力学性能有重要的影响,这是目前研究复合材料界面问题的重点,也是难点。
2.4 其它界面问题
在研究复合材料过程中还常研究其界面电子状态和晶界偏析(或偏聚)等问题,这对熟悉复合材料的界面结构,研究复合材料的光学、电学、磁学性能有重要的指导意义。
3 结束语
在研究复合材料的结构与性能时,研究界面问题是非常重要的,它是决定某种复合材料好与坏的一个重要尺度,我们要把复合材料界面问题提升到一个理论水平,从而为今后的研究打好坚实的基础。
复合材料是把金属、无机非金属、高分子等材料组合起来的一种多相材料,它设计自由度大,不仅可在组分选择上调整还可以改变各组分的体积百分数以满足所需性能要求,从而可使复合材料具有轻质高强以及其他优越的综合性能。它可应用于航天、航空、信息等高技术领域。然而,由于它还存在着不可忽视的界面的问题如界面反应、界面的润湿性等严重限制了其广泛应用。因此研究复合材料的界面间题具有重要的实际意义。
2 界面问题
2.1 界面反应
在制备复合材料时,增强体与基体接触常会发生反应,即界面反应,且这种界面反应是不可避免的,其反应程度对复合材料综合性能的影响很大,轻微的界面反应能有效地改善基体与增强体的润湿性和结合强度,是有利的;而严重的界面反应将造成增强体的损伤和形成脆性界面相等,是有害的。通常,界面反应是在局部区域中发生的,形成粒状、棒状、片状的反应产物,而不是在基体和增强体接触的界面上生成层状物,只有发生严重的界面反应时才有。在实际研究和应用中,如SiC颗粒增强AI、Ti基及其合金复合材料的研究。研究发现SiC颗粒增强AI、Ti基及合金复合材料的研究。研究发现SiC颗粒增强AI、Ti基及其合金复合材料都存在界面反应,且影响其性能。同时还发现通过SiC表面氧化、基体热处理、在复合材料中加入其它物质等手段可以改善增强颗粒与基体的润湿性,增强界面的结合强度,从而改善复合材料的综合性能。
2.2 界面的润湿性及其结合强度
界面的润湿性及其结合强度是影响复合材料综合性能的重要因素,他们既与基体和增强体的相容性密切相关,又与基体和增强体界面反应的强度有关。弱的界面反应是有利于基体和增强体的润湿、复合及形成佳界面结合;强界面反应有大量的界面反应产物,形成聚集的脆性相和界面反应产物脆性层,造成纤维等增强体严重损伤,强度下降,同时形成强界面结合,使材料的综合性能急剧下降。所以在制备复合材料时,我们要尽量避免如AI4 C3、AIB2、AIB12、MgAI2O等脆性化合物产生,如文献[2] ,[4],[5]所述。因此,在制备复合材料时,必须采取措施,改善界面的润湿性,提高其结合强度。
目前,改善增强颗粒与基体润湿性的主要途径有涂层技术、基体中添加合金元素、提高制备温度等。如内蒙古工业大学刘向东等通过Ce及Mg对SiCP/AI复合材料界面润湿性的影响进行研究表明,烯土元素Ce主要是通过降低AI液的表面张力作用,从而改善SiCP/Al复合材料界面的润湿性,但效果不明显;合金元素Mg是通过基体合金成分的方式抑制严重界面反应的进行,从而达到改善其润湿性的目的,效果非常好。
2.3 界面特性
在短纤维金属基复合材料中,载荷是通过纤维与基体的界面传递到纤维上的,界面的性质在很大程度上影响金属基复合材料的力学性能。西北工业大学姜云鹏等对界面特性对短纤维金属基复合材料蠕变行为的影响进行了研究,结果表明,当界面模量、厚度以及应力指数不同时,纤维中稳定的大轴应力和稳定蠕变率也相应发生变化,界面模量的大小决定界面结合的好坏程度,界面厚度和应力指数的大小很大程度上影响材料的蠕变行为。基于界面特性对纤维增强铝合金复合材料的拉伸性能、疲劳性能等的影响、刘政等就界面对纤维增强铝硅合金复合材料耐磨性的影响进行研究。以上这些都表明界面特性决定了金属基复合材料的力学性能,同理,界面特性也对其它类复合材料的力学性能有重要的影响,这是目前研究复合材料界面问题的重点,也是难点。
2.4 其它界面问题
在研究复合材料过程中还常研究其界面电子状态和晶界偏析(或偏聚)等问题,这对熟悉复合材料的界面结构,研究复合材料的光学、电学、磁学性能有重要的指导意义。
3 结束语
在研究复合材料的结构与性能时,研究界面问题是非常重要的,它是决定某种复合材料好与坏的一个重要尺度,我们要把复合材料界面问题提升到一个理论水平,从而为今后的研究打好坚实的基础。








































